随着寒区基础设施的建设和寒区经济的发展，越来越多的工程项目在寒区开展，保障寒区内重大工程项目的安全，成为寒区工程建设所面临的首要问题。而冻土作为寒区工程的主要承载体，研究冻土的冲击动态力学性能对指导工程建设具有重要的现实意义。近期，西南交通大学力学与工程学院朱志武教授团队在冻土冲击动态力学性能方面取得研究新进展，他们提出了在冲击加载条件下冻土应变率效应和温度效应的等效关系，并揭示了两者之间互相依赖的力学机理。相关研究成果以“A unified viscoplastic model and strain rate–temperature equivalence of frozen soil under impact loading”为题发表在固体力学领域旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids。
冻土由于其内部的土、冰、水等成分，其冲击动态力学性能受到应变率、温度、冰-水相变等因素的影响。在冲击加载条件下，冲击变形时间远小于热扩散时间，导致绝热条件占主导地位。此时，由于剧烈的塑性变形产生的热量集中在局部区域，导致冰-水相变，润滑裂纹面，加速冻土的破坏。绝热温升作为冻土冲击变形的重要机制，鲜有考虑冻土绝热温升影响的冲击动态本构模型报道。同时，针对冻土冲击加载条件下表现出的应变率效应及温度效应，学界多为对应变率效应和温度效应进行单独报道，两者之间深层次的联系尚缺乏系统的研究。
为了寻找冲击加载条件下冻土应变率效应和温度效应的等效关系，研究考虑冲击加载过程中绝热温升影响的冲击动态本构模型，研究人员开展了相应的实验和理论研究。在冻土冲击压缩实验的研究中，基于双波形整形器技术，提出了一种通过自定义波形整形器形状尺寸，利用波形整形器结构响应进行波形整形的方法。通过分析实验数据，根据应变率和温度对峰值强度相似的作用规律，基于热激活理论的分析，研究团队首次提出了冻土的率-温等效性。升高温度，降低了热激活过程的能量势垒，使得热激活过程更易发生，冻土的温度和应变率之间的相互依赖关系符合Arrhenius方程。在统一粘塑性理论的框架下，构建了考虑冻土非弹性变形来源的非弹性乘子，进一步考虑冻土冲击加载过程中呈现的热损伤特征，基于损伤理论建立了考虑绝热温升影响的参数演化方程。最终建立了一个可以合理描述冻土冲击变形机理，由绝热温升驱动的统一粘塑性损伤本构模型。
脉冲整形技术
冻土的峰值强度散点图、温度效应和应变率效应
冻土的率-温等效性 模型预测结果与实验结果对比
与已有的文献相比，本文提出了一种适用于低阻抗材料冲击压缩实验的波形整形方法，该方法利用波形整形器的结构响应，可以有效的保护低强度杆件系统，是一种经济且高效的波形整形手段。同时，基于热激活理论提出的冻土的率-温等效性，丰富了冻土力学的研究内容。提出的本构模型参数较少，确定方法简单，可以理想的描述冻土应力-应变曲线的非线性特征和揭示冻土的冲击变形机理。
该研究受到国家自然科学基金面上项目“冻土在动静组合循环冲击加载下的动态力学行为及其本构关系”（No.11672253）、“冻融循环非饱和冻土在冲击加载下的动态力学行为及其本构关系”（No.11972028）和冻土工程国家重点实验室开放基金“寒区高速铁路冻土在冲击加载下的动态力学行为及服役性能演化规律研究”（No.SKLFSE201918）的资助。西南交通大学力学与工程学院为成果的第一完成单位和第一通讯单位，朱志武教授为通讯作者。论文作者包括博士研究生张福来（第一作者）、朱志武教授、马巍研究员（中国科学院西北研究院冻土工程国家重点实验室）、周志伟副研究员（中国科学院西北研究院冻土工程国家重点实验室）、博士研究生伏甜甜。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104413
