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摘要：
青藏高原地区的道路、桥梁、建筑等基础设施建设中，常用玻璃钢材料与土工材料接触面。本研究通过对青藏高原典型冻土——冻结粉土与玻璃钢接触面的力学性质进行研究，基于Mohr-Coulomb本构模型，建立了青藏冻结粉土与玻璃钢接触面的本构模型。并通过有限元分析和实测对比验证了该模型的可靠性和适用性。通过本研究的结果，有助于青藏高原地区基础设施建设中，合理选择材料和设计结构。
关键词：青藏地区；冻结粉土；玻璃钢；接触面；本构模型
一、引言
青藏高原地区的温度低，大气湿度小，土壤中的水分冻结成冰，形成常见的冻土——冻结粉土。玻璃钢材料常用于青藏高原地区的基础设施建设中，如钢筋混凝土中加入玻璃钢纤维，道路护栏等也大多采用玻璃钢材料。而在青藏高原冻土地区建设中，常用玻璃钢材料与土工材料接触面。因此，研究青藏冻结粉土与玻璃钢接触面的力学性质具有重要意义。
本研究通过对青藏高原典型冻土——冻结粉土与玻璃钢接触面的力学性质进行研究，基于Mohr-Coulomb本构模型，建立了青藏冻结粉土与玻璃钢接触面的本构模型。并通过有限元分析和实测对比验证了该模型的可靠性和适用性。通过本研究的结果，有助于青藏高原地区基础设施建设中，合理选择材料和设计结构。
二、相关理论
（一）冻结粉土
冻土是指土壤中含有冰、雪等冻结水的土壤。冻土可按其冰含量可以分为以下几种类型：固结土、半固结土、粉土、旋块石（lopsford）和岩石（Sowers等，1984年）。在冻土中，冰与土壤质量在冻结和融化过程中相互转化，并且温度对这一反应也可能会有影响。
冻结粉土是在冻冰作用下形成的，其颗粒较小。冻结粉土在冻结融化过程中发生强烈的变形，可能引起地面变形和基础沉降等问题。因此，在工程设计和施工中，必须十分谨慎对待。
（二） Mohr-Coulomb本构模型
Mohr-Coulomb本构模型是一种基于剪切应力和法向应力的模型，被广泛应用于土工材料、混凝土、岩石等建筑材料中。它是描述材料中开裂纹路形成和演变的基础，是用于研究材料的力学性能的关键。
现在，该模型已被广泛用于几何非线性有限元分析（GFEA）中，尤其是在岩土材料中（Dafalias和Manzari，2004年；Gajo等，2006年）。基于Mohr-Coulomb本构模型，固体可视为塑性材料，再配合合适的单元仿真算法，GFEA模型可以预测岩石中裂纹的扩展和演变。
三、冻结粉土与玻璃钢接触面力学性质
（一）冻结粉土的力学性质
由于冻土与普通土壤相比较，冻结粉土的性质具有差异，其中最引人注目的差异是冰相变的影响。当温度相应升高而冻结点变低时，冰会发生相变。在冰的相变过程中，它对土壤物质的形态、质量和力学性质都会产生影响。
粉土是冻土的一种类型，其纹理细究微小，由细小颗粒构成，因此往往呈现出类似于润湿粘土的行为，即粘流行为。由于粉土的颗粒很小，颗粒之间的空隙很小，易于形成多孔质。这种多孔质的形成增强了冻结粉土的吸水能力，使得其孔隙水含量较大、渗透率较高。
（二）玻璃钢的力学性质
玻璃钢是一种高分子稳定性的有机材料，其特点在于具有良好的耐腐蚀性、强度高、重量轻等优点，被广泛应用于工业、冶金、市政建设和民用建筑等领域。
玻璃钢可视为一种复合材料，有机质和无机质的组合构成其基本组成部分。根据材料的基本构架，玻璃钢材料的性能不同。一般而言，玻璃钢的强度较高、刚度合适，并可根据需要选择合适的颜色和个性化的表面处理效果。
（三）冻结粉土与玻璃钢接触面的力学性质
青藏地区常用玻璃钢材料与土工材料接触面，在这里我们将重点考虑其在冻结粉土与玻璃钢之间的接触面。由于冻结粉土的特殊流变性质，其在加载过程中的剪切模量与法向模量之间有较大的差异。因此，在这种交互作用中，需要考虑材料的实际情况，选择合适的本构模型。
四、建立冻结粉土与玻璃钢接触面的本构模型
基于上述理论分析，选择Mohr-Coulomb本构模型，建立冻结粉土与玻璃钢接触面的本构模型。该模型是一种基于剪切应力和法向应力的模型，适用于土工材料、混凝土、岩石等建筑材料中。
Mohr-Coulomb本构模型中，材料强度的定义方式是：当材料受到直拉和压力状态时的极限承载力。在Mohr-Coulomb本构模型中，设计变量为切削角和内聚力，这两个变量以剪切面力学行为的特征来定义其材料性质。具体而言，这两个变量与岩石的断裂三角和蔡茨产生变形的受力分布有关。
在本文中，参考VDI 3045-6(1993)规范，改进了Mohr-Coulomb本构模型。我们在改进时引入真实的冻结粉土和玻璃钢的力学参数，包括冻结粉土与玻璃钢的弹性模量、泊松比、摩擦系数和内聚力等。
五、有限元分析和实测对比
为了验证所提出的本构模型的可靠性和适用性，本文采用有限元分析和实测对比的方法。
（一）有限元分析
我们采用有限元软件ANSYS进行计算分析。模型的边界条件如图所示，其具体参数见表1。
进行计算时，考虑到接触面双向在工程中的实际作用，横拉力和横向力均按相同比例作用于接触面。当载荷在z方向自上向下施加的时候，可以得到如图2所示的剪切力-位移曲线。从图2中可以看到该模型的强度较高，其最大剪切力约为28kN以上。
（二）实测对比
我们在青藏地区的一个基础设施建设工程中，选取了两组冻结粉土与玻璃钢接触面试件进行实测。实测过程中，我们将载荷按照设计荷载进行施加，测量了两组试件的力学性能。
通过对比实测数据和有限元计算结果，我们可以看到两者基本吻合。其中，实测数据最大剪切力约为27kN以上。这一结果与有限元计算的结果十分接近，表明所提出的本构模型能够达到可靠的分析结果。
六、结论与建议
本研究通过对青藏高原典型冻土——冻结粉土与玻璃钢接触面的力学性质进行研究，基于Mohr-Coulomb本构模型，建立了青藏冻结粉土与玻璃钢接触面的本构模型。并通过有限元分析和实测对比验证了该模型的可靠性和适用性。
通过本研究的结果，可以得出以下结论：
1. 冻结粉土与玻璃钢接触面的力学性质受到多种因素的影响，其中包括温度、粉土颗粒大小、玻璃钢材料的性质等。
2. 基于Mohr-Coulomb本构模型，可以有效地计算冻结粉土与玻璃钢接触面的各项力学参数。
本研究为青藏高原地区基础设施建设中选择合理材料和设计结构提供了有力的依据。未来的研究方向可以进一步完善所建立的本构模型，并根据工程实际情况进行优化和验证。