Study on Temperature‑Strain Rate Effects and Constitutive Relationship of Frozen Soil under Uniaxial Mechanical Behavior

LIANG Jingyu; HU Xiaoxiao; HE Linhong; LU Dechun; WANG Guosheng

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20251103001

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Study on Temperature‑Strain Rate Effects and Constitutive Relationship of Frozen Soil under Uniaxial Mechanical Behavior

更新时间：2026-04-20

- Study on Temperature‑Strain Rate Effects and Constitutive Relationship of Frozen Soil under Uniaxial Mechanical Behavior
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Pages: 1-13(2026)
- 作者机构：
  
  1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京，100044
  2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点试验室，北京，100124
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20251103001
  CLC： TU445
- Received：03 November 2025，
  
  Online First：20 April 2026，
- 稿件说明：
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LIANG Jingyu, HU Xiaoxiao, HE Linhong, et al. Study on Temperature‑Strain Rate Effects and Constitutive Relationship of Frozen Soil under Uniaxial Mechanical Behavior[J/OL]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2026, 1-13.
DOI：

LIANG Jingyu, HU Xiaoxiao, HE Linhong, et al. Study on Temperature‑Strain Rate Effects and Constitutive Relationship of Frozen Soil under Uniaxial Mechanical Behavior[J/OL]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2026, 1-13. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20251103001.

摘要

冻土作为一种由土颗粒、冰、水及气体组成的多相复合岩土材料，其单轴力学行为具有显著的温度和应变率敏感性。本研究通过开展12组不同温度（-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃）和应变率（10

-3

-1

、10

-4

-1

、10

-5

-1

）组合条件下的冻土单轴压缩试验，系统分析了冻土单轴力学特性演化规律，包括温度条件降低与应变率条件增大导致的强度提升与延性变形骤降的变形规律，以及峰值应力、峰值应变以及残余应力受温度-应变率耦合作用的显著调控。针对温度-应变率耦合行为建模难题，基于平移变换应引入了三向抗拉强度

，推导了黏聚效应修正的剑桥模型应变硬化表达式，并类比构建了冻土的单轴压缩应变硬化表达式。通过构建潜在单轴抗压强度的应变驱动劣化函数，获得了能够描述不同温度与应变率条件下冻土单轴压缩力学行为的应变硬化/软化特征的本构关系。结合温度-应变率相关试验结果分析确定了5个模型参数，并进行了试验验证。结果表明，该模型能有效捕捉温度与应变率耦合影响下的冻土力学响应，为冻土力学相关工程的设计与分析提供理论支撑。

Abstract

Frozen soil

as a multiphase geomaterial composed of soil particles

ice

unfrozen water

and air

exhibits pronounced temperature and strain rate dependence on its uniaxial mechanical behavior. This study conducted uniaxial compression tests under 12 combinations of temperatures (-5 ℃

-10 ℃

-15 ℃

-20 ℃) and strain rates (10

-3

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-4

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-5

-1

)

systematically revealing the evolution of mechanical behavior

including strength enhancement and ductility reduction with decreasing temperature or increasing strain rate

along with significant coupling effects of temperature-strain rate on peak stress

peak strain

and residual stress. To address the challenge in modeling the coupling behavior of temperature and strain rate

the transformed stress incorporating the triaxial tensile strength (

) is adopted to derive the strain hardening expression based on the Cambridge model incorporating the cohesive effect. This expression is analogously extended to formulate a uniaxial compressive hardening expression. Furthermore

a strain-driven degradation function for potential compressive strength is proposed to complete the uniaxial constitutive relationship for frozen soil. Five parameters of the model were determined by analyzing the experimental rules relating to temperature and strain rate

and model verification was also conducted. The results demonstrate that the model effectively captures the mechanical response of frozen soils under the coupled effects of temperature and strain rate

thereby providing a theoretical basis for the design and analysis of engineering projects involving frozen soils.

关键词

Keywords

references

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