多年凍土區和季凍區邊坡、路堤、地基等服役工況處于復雜三維應力狀態下，研究三維應力狀態凍土體在地震和車輛等動力荷載下的穩定性對寒區工程設施的運營維護和災害防治具有重大實際意義。凍土的各向異性動力學特征受原生組構各向異性和次生三維應力路徑、狀態共同影響，在循環荷載下凍土的變形行為和疲勞破壞特性對其所處的三維應力環境具有強烈的依賴性。而傳統的凍土力學研究設備無法模擬復雜三維應力環境，使得處于復雜三維應力狀態下凍土動力穩定性研究停滯不前。
基于上述科學問題，中國科學院西北生態環境資源研究院科研團隊采用凍土空心圓柱設備模擬主應力偏轉角、中主應力系數和大主應力幅值恒定的循環應力狀態（圖1），系統研究了-6℃條件下三維應力參數（主應力偏轉角和中主應力系數）對凍結青藏粉質粘土變形行為（圖2）、應力應變特征（圖3）、損傷演化發展規律及疲勞破壞特性的影響。研究結果表明，三維應力參數對凍土的變形行為具有極為顯著地影響，并對凍土的疲勞破壞進程具有明顯的加速作用（圖4）。傳統的凍土動力學研究方法所獲取的測試結果往往會高估復雜三維應力狀態下的凍土抵抗變形和疲勞破壞的能力。該研究成果有助于提升對高路堤邊坡下的凍土地基、凍土基坑、邊坡，以及在地下工程施工中遇到的人工凍結體等處于復雜三維應力狀態下的凍土在地震及車輛等荷載擾動下穩定性的認識。
該成果以The damage and fatigue behaviors of frozen soil under combined cyclic compression (tensile)-shear conditions 為題發表在期刊International Journal of Fatigue 上。西北研究院劉富榮助理研究員為論文第一作者，周志偉研究員為論文通訊作者，馬巍研究員等為論文共同作者。該研究獲國家自然科學地區聯合基金、國家自然科學青年基金，中國科學院西部之光等項目共同資助。
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圖1 循環荷載下恒定中主應力系數與主應力偏轉角的應力環境模擬（以α="30°，b="0.5為例）
圖2 不同中主應力系數下軸向與扭轉剪切向應變隨循環加載次數的變化
圖3 循環加載過程的全程應力-應變特征
圖4 破壞振次與試樣破壞時的應變
