凍土機械切削破碎機理的研究進展

李 龍， 周 琴， 張 凱， 凌 雪， 張在興， 李 耀

（1.中國地質(zhì)大學（北京）工程技術(shù)學院，北京 100083； 2.中國地質(zhì)大學（北京）國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京 100083）

0 引言

隨著西部大開發(fā)建設的蓬勃發(fā)展以及“一帶一路”倡議的戰(zhàn)略驅(qū)動，“十三五”規(guī)劃重點項目的川藏鐵路將會在保障國防安全、促進社會進步、帶動沿線經(jīng)濟發(fā)展等方面具有重大戰(zhàn)略意義。而在我國西部高寒地區(qū)這種特殊地域、特殊環(huán)境下進行道路地基建設、橋梁樁基施工時不可避免地進行凍土開挖，凍土破碎時由于凍土強度高，破碎速度慢，且破碎過程中溫度、含水率、凍融變化使得凍土的力學特性更復雜、破碎難度更大，極大地影響了凍土開挖效率和工程施工成本。

目前典型的凍土破碎方式有融化法、爆破法及機械法［1-2］。融化法是利用加熱原理降低凍土強度，達到開挖目的的方法，主要適用于出土量小、開挖深度淺的工程條件。爆破法是將炸藥放入爆破孔中，利用爆破瞬間能量崩破凍土的破碎方法，適于凍結(jié)層較厚的堅硬土層和場地寬闊的區(qū)域。機械法常見的有機械切削和機械沖擊破壞，機械沖擊破壞在材料脆性越明顯時破碎效率越高，廣泛應用于巖石破碎及煤礦開采，而切削破碎相較于沖擊破碎有更好的適應性，而且國內(nèi)外對于切削破碎機械、刀具的研究較少，鑒于切削破碎在凍土施工的普遍性和典型性，因此有必要對凍土機械切削破碎展開深入系統(tǒng)的研究［1］。機械切削破碎巖土是刀具在直線或回轉(zhuǎn)過程中對凍土切削破碎的方法，可以同時完成破碎和挖土作業(yè)，機械切削法地基穩(wěn)定性好、工作效率高、適用范圍廣。因此機械切削法在高寒區(qū)域的凍土施工中得到廣泛應用。

凍土機械切削破碎中由于凍土強度高、力學特性復雜，存在破碎效率低、刀具磨損快、壽命短等問題。這主要是由對于切削破碎機理的認識不足引起的，表現(xiàn)為三方面：（1）凍土的力學特性受溫度、含水率、圍壓等多因素的影響，造成其力學特性復雜，導致凍土切削破碎機理研究難度增大；（2）機械切削破碎過程中不同刀具結(jié)構(gòu)和參數(shù)等對凍土的作用不同，破碎過程和破碎結(jié)果也存在明顯差異，目前對這部分的研究還沒有統(tǒng)一和深入的認識；（3）機械破碎的力載和工藝參數(shù)選擇直接影響凍土的破碎過程和破碎效率，如何優(yōu)化力載實現(xiàn)高效破碎仍是寒區(qū)工程建設急需解決的重要問題。

本文通過調(diào)研凍土的抗壓強度、剪切強度和應力-應變特點等主要力學特性以及凍土切削力學模型研究進展，綜述了主要機械切削參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)對凍土破碎模式影響的研究現(xiàn)狀，分析了影響凍土機械破碎機理的主要因素及典型破壞形式，總結(jié)凍土破碎機理的研究進展為凍土機械破碎的刀具結(jié)構(gòu)設計和工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。同時也指出，凍土的復雜特性大大增加了機械破碎機理的研究難度，因此進一步探索凍土力學特性對凍土破碎機理的影響及規(guī)律，為提高凍土破碎效率和延長刀具壽命提供依據(jù)，對寒區(qū)工程建設具有重要意義。

1 凍土的主要特性

凍土是指在0 ℃及0 ℃以下，由土體、液態(tài)水、黏塑性冰包裹體、孔隙氣體組成的四相體［3］。凍土受不同地域、自然條件等影響，在含冰量、凍土層厚度、穩(wěn)定性等方面有強烈差異［4］。青藏鐵路施工段位凍土主要由多年凍土和季節(jié)性高溫粗顆粒凍土組成［5］。多年凍土區(qū)凍土的抗壓強度、剪切強度等都比季節(jié)性高溫凍土高，而高溫凍土的應力-應變過程更復雜，這些力學特性的不同都使得研究凍土機械破碎過程更加復雜。受溫度、含水量、圍壓的影響，凍土的抗壓強度、剪切強度和應力-應變特點對凍土切削破碎的影響最為直接和顯著。

1.1 抗壓強度

抗壓強度的大小直接反映土體的承載能力，土體穩(wěn)定性的好壞，也決定機械破壞的難易程度。凍土抗壓強度與溫度、含水量、圍壓等因素相關(guān)。李洪升等通過試驗探究了抗壓強度與溫度的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)凍土抗壓強度隨著溫度線性變化［6-9］。隨著溫度的降低，凍土強度增加，脆性越來越強，塑性及應變硬化性能減弱［10-11］，凍土中的冰含量對凍土的強度產(chǎn)生較大影響：凍土的強度首先隨著含冰量的增大而增大，達到最大值后隨著含冰量的繼續(xù)增大，強度會出現(xiàn)降低的趨勢，最后趨向冰的強度［12-14］。這是因為隨著含冰量的增加，膠結(jié)的土顆粒和冰相互作用，共同受力，使凍土的強度增加；隨著含冰量的持續(xù)增加，土顆粒變成冰包裹體，在抵抗變形中發(fā)揮的作用逐漸減小，導致土體的抗壓強度呈現(xiàn)降低的趨勢；隨著含冰量繼續(xù)增加，當土顆粒呈懸浮狀態(tài)存在于冰中，凍土的抗壓強度基本上就等于冰的抗壓強度值，破碎變成完全脆性破壞。凍土的強度隨加載速率的增加而增大，基本上呈指數(shù)關(guān)系變化［15］。

圍壓也對凍土的抗壓強度有較大影響，一方面會使土顆粒壓密，增大顆粒之間的摩擦力，使強度增加；另一方面隨著圍壓作用時間的增長，凍土中的冰被壓融使含水率增加，或土顆粒被壓碎，礦物顆粒細化和微裂隙的發(fā)育，使得凍土強度降低，變形增大。這些過程不是獨立存在的，而是共同影響和作用，從而導致了凍土強度的弱化［16-17］。在凍土機械破碎過程中，抗壓強度越大，脆性破壞越明顯，抗壓強度較小時，凍土存在較大的塑性變形。如圖1所示，含水量小于20%時，凍土在不同負溫下的瞬時單軸抗壓強度絕大多數(shù)隨含水量增加而增加；當含水量超過20%以后，其瞬時單軸抗壓強度隨含水量增加呈下降趨勢，不同的含水率及溫度對凍土抗壓強度影響很大。

圖1 不同溫度下含水率對抗壓強度的影響變化趨勢（根據(jù)文獻［13］修改）Fig.1 Variation trend of moisture content under different temperatures under the influence of compressive strength（Modified from Ref.［13］）

凍土的抗壓強度與溫度和含水率相關(guān)，抗壓強度隨溫度的降低而增大，隨含水率的增加先增加，到一定程度后隨含水率增加而減小，說明凍土抗壓強度隨溫度和含水率并不是線性變化，而是存在塑性與脆性的轉(zhuǎn)化，不同的抗壓強度會導致破碎形式的不同。

1.2 剪切強度

凍土的抗剪強度對凍土施工參數(shù)選擇有著重要的指導意義。凍土抗剪強度的大小主要受黏聚力及內(nèi)摩擦角影響，抗剪強度隨著黏聚力及內(nèi)摩擦角的增大而增大［18］。國內(nèi)外關(guān)于黏聚力和內(nèi)摩擦角開展了很多研究。青藏凍土力學研究組對黏聚力做了試驗研究［19］：黏聚力與負溫的關(guān)系可用指數(shù)方程描述。凍土黏聚力隨著負溫的降低先線性增加，溫度降低到一定值以后不再變化，這種現(xiàn)象是由于溫度的降低使得未凍水含量減少，土體與冰膠結(jié)作用增加引起。黏聚力隨著含水量的增加而增加，然后隨著含水量的繼續(xù)增加而減小；黏聚力均隨溫度的降低有增大的趨勢。內(nèi)摩擦角隨含水量的變化不大，隨著溫度的降低逐漸增大。土質(zhì)不同，內(nèi)摩擦角也表現(xiàn)出較大差異［20-21］。圍壓對凍土的抗剪強度有明顯影響，圍壓的增大明顯增強了凍土的塑性，在一定圍壓范圍內(nèi)，凍土的抗剪強度隨圍壓的增加而增加，呈明顯的線性關(guān)系，當圍壓超過這一范圍時，其抗剪強度隨圍壓的增加而減?。?2-24］。凍土的剪切強度越大，機械破碎越困難，需要的剪切力也越大。

圖2中剪切強度剛開始隨著圍壓的增大緩慢增大，然后隨圍壓繼續(xù)增大而降低，這主要是由于凍土中的冰被壓融或土顆粒被壓碎，裂紋的發(fā)展，使得凍土剪切強度降低。而剪切強度隨著溫度的降低明顯增加，這是由于溫度降低使得冰包裹體對凍土顆粒的連接力增大，剪切強度也增大。

圖2 不同溫度下凍土的剪切強度隨圍壓的變化趨勢（根據(jù)文獻［25］修改）Fig.2 Variation trend of shear strength of frozen soil at different temperatures with confining pressures（Modified from Ref.［25］）

凍土的剪切強度與溫度、含水率及圍壓相關(guān)，剪切強度隨含水率的增加而減小，隨溫度的降低先增大，到一定程度后不再變化，這說明溫度作用下土體的膠結(jié)狀態(tài)達到上限，不會引起剪切強度的繼續(xù)變化。隨圍壓的增大先增大后減小，這是由于不同圍壓對凍土的塑性，以及內(nèi)部裂紋的發(fā)展起作用引起的。

圖3 不同溫度下凍土的黏聚力（a）和內(nèi)摩擦角（b）隨含水率的變化（根據(jù)文獻［26］修改）Fig.3 Change of cohesion and internal friction Angle of frozen soil with water content at different temperatures（Modified from Ref.［26］）

1.3 應力-應變

凍土的應力-應變曲線影響著凍土破碎過程中的彈性變形與塑性變形。當應變較小時，凍土原始內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠保持完整，其處于彈性變形階段，應力與應變基本成線性關(guān)系；當應變大于一定值以后（應力達到峰值），凍土進入塑性階段，其初始結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生影響土體強度的持續(xù)性損傷［27］。而且隨著溫度的降低越來越明顯的呈現(xiàn)脆性特征，即溫度越低，凍土的應變軟化現(xiàn)象越明顯。隨著含水率的增加，相同應力狀態(tài)下應變越大，凍土體間的位錯就越大。

凍土的應力-應變關(guān)系主要受溫度的影響。朱元林等學者通過大量實驗發(fā)現(xiàn)凍土的應力-應變關(guān)系的復雜性，推翻了Vialov 提出的用冪函數(shù)形式σ=Aεm來描述所有的應力-應變關(guān)系的理論，得出凍土的應力-應變關(guān)系隨著應變速率的增大呈現(xiàn)出由塑性-硬化-軟化的變化趨勢［15，28-29］。國內(nèi)學者對應力-應變隨溫度的關(guān)系展開試驗，發(fā)現(xiàn)凍土的峰值應力隨溫度的降低而降低。然而在相同的應變率下不同溫度凍土的應力-應變曲線具有匯聚的趨勢［30］。不同的應力-應變特性導致凍土機械破碎的塑性及脆性破碎過程。凍土的峰值應力隨含水率降低而增加。隨溫度下降而降低［31-32］。

如圖4 所示，隨著溫度的下降，凍土的峰值用力也降低，這主要是由于溫度下降時凍土中的未凍水轉(zhuǎn)換成冰，冰晶體體積的增大，將擠壓土顆粒骨架，破壞效果相應的增大，損傷值也就增大，導致強度下降。隨著含水率的增加，凍土的峰值應力下降，因為凍土的結(jié)構(gòu)中隨著水分的填充，水膜的楔入將直接破壞顆粒膠結(jié)作用強度，并使顆粒發(fā)生分解。水膜的進入相當于顆粒間填充了潤滑劑，摩擦力接近零，致使結(jié)構(gòu)性發(fā)生大幅度的下降，骨架顆粒間的膠結(jié)能力劇烈降低，含水率為14%和18%時，土體的破壞形式主要為脆性破壞，表現(xiàn)形式為拉裂并且呈現(xiàn)出突然性；含水率為22%時，土體強度到達峰值以后，強度下降速率較14%和18%明顯要緩和很多，峰值對應的應變?yōu)榈秃蕬兊亩蹲笥?；當含水率達到26%以后，應力-應變曲線近似于直線，表現(xiàn)為應變軟化性，屬塑性變形。

圖4 凍土應力-應變隨溫度（a）與含水率（b）的變化關(guān)系（根據(jù)文獻［33］修改）Fig.4 Relationship of stress and strain of frozen soil with temperature and water content（Modified from Ref.［33］）

2 凍土切削力學模型與破碎模式

刀具與凍土的相互作用力學模型是凍土破碎的研究基礎，不僅表達了凍土在刀具作用下的受力及力的分布特點，而且還反映了凍土的不同切削破碎模式［15］。崔托維奇［34］探究了凍土力學性質(zhì)，切削阻力隨切削深度和切削寬度的變化規(guī)律。學者尼卡爾斯和里德曾觀察到寬切削齒在土壤中低速切削的過程，把形成小土塊的過程解釋為凍土由于剪切力反復失效的過程。，Phukan 等［35］研究了溫度從-3 ℃至-14.5 ℃時不同切削深度和刀具前角對切削力的影響。Evans［36］通過對煤炭切削進行分析，得出拉剪破壞模型。煤炭巖石切削破壞過程中壓實核、裂隙，特別是層理、節(jié)理的失穩(wěn)擴展對破碎過程起決定作用，而凍土在脆性狀態(tài)下裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展及脆性斷裂與煤巖切削具有相似性，由此凍土的切削力學模型通過煤炭巖石切削演化而來［37-39］。余群、張召祥等學者將上述力學模型應用到凍土的切削破壞之中，并結(jié)合不同溫度、含水量、圍壓、切削參數(shù)和刀具參數(shù)得出各因素對破壞模式的影響。凍土的三種力學模型如下：

（1）拉伸破壞力學模型如圖5所示，凍土在切削力Fc側(cè)面切入作用下，產(chǎn)生切削齒齒面作用力F及凍土土體間的拉力Ft，凍土內(nèi)部產(chǎn)生拉應力σt沿著裂紋法線方向分布，當σt大于凍土的拉伸強度時由于拉力Ft產(chǎn)生圓弧形裂紋。切屑在裂紋末端發(fā)生斷裂，脫離土體。破壞形式是拉伸破壞，符合最大拉應力破壞模型。

圖5 拉伸破壞力學模型Fig.5 Mechanical model of tensile failure

根據(jù)力矩平衡和最低能耗原理得刀具的切削力（Fc）為：

圖5 及式（1）中：Ft為切削力；F為合力；Ft為凍土內(nèi)部拉力；θ為切削齒半刃角；β為切削摩擦角；σt為內(nèi)部拉應力；d為切削深度。由拉伸破壞力學模型可知，凍土的破壞過程主要受切削齒刃角以及切削深度的影響。刃角越小，越容易嵌入凍土，且產(chǎn)生的拉力更大，切削深度的不同也會影響切削過程能量的消耗。

拉伸破壞力學模型體現(xiàn)了凍土內(nèi)部的應力分布與裂紋分布之間的相對關(guān)系，表現(xiàn)出了切削主力。而對于其他法向力，摩擦力等方面未做考慮，只對切削力進行分析，由力學模型可知此時的破壞模式主要以脆性破壞為主［38］，裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展對破壞過程產(chǎn)生重要影響，刀具沿裂紋漸進式剝離凍土。而當凍土在發(fā)生脆性破壞時，凍土溫度較低或含水率較高，凍土強度升高，抗壓強度小于剪切強度。

圖6 拉剪破壞力學模型Fig.6 Mechanical model of tensile and shear failure

（2）拉剪破壞力學模型如圖6所示，切削力F0沿水平和豎直方向產(chǎn)生分力Fx、Fy，其中Fy為豎直切削力，向下擠壓凍土，F(xiàn)x為水平切削力，向前壓實凍土，在凍土內(nèi)部產(chǎn)生沿裂紋法向分布的拉應力，當?shù)毒叱掷m(xù)擠壓凍土時，凍土內(nèi)部拉應力大于凍土的抗拉強度，使得裂紋產(chǎn)生，在持續(xù)的擠壓作用下，裂紋產(chǎn)生、擴展、貫通、產(chǎn)生切屑，同時凍土顆粒間存在位錯變形現(xiàn)象，在這個過程中凍土發(fā)生拉剪破壞。

圖6 和式（2）中：F0為切削力；Fx為水平切削力；Fy為豎直切削力；F1為切入阻力；F2為拉伸阻力；α為切削前角；V0為切削速度。由力學模型得知，凍土的受力狀態(tài)主要由刀具前角α決定，隨著刀具前角的增大，切屑增大，破碎比變小，破碎比功相應減小，需要破碎單位體積的凍土需要的能量也越小。從能量角度看，在一定程度上需要增加刀具前角。

拉剪破壞力學模型下凍土主要同時受脆性拉伸破壞和塑性擠壓成核，塑脆過渡狀態(tài)下的破壞模式，將裂紋簡化為沿直線傳播，不考慮復雜裂紋發(fā)展情況及裂紋沿能量最小路徑破裂理論［23］。引入了主切削力在切向及法向的分力，認為切削過程主要由刀具沿切向切削凍土，沿法向擠壓凍土，并且形成壓實區(qū)。拉剪破壞力學模型中較多的切削參數(shù)，對切削過程的研究較拉伸破壞更全面。

剪切破壞力學模型如圖7所示，切削具較鋒利，后刀面與凍土層的接觸面小，因此后刀面的切削熱忽略，研究單個刀具切削狀態(tài)，把刀具與墊鞋看作整體，并且將回轉(zhuǎn)切削簡化為切削平面。前刀面受凍土作用力FN1，刀具與切屑之間的摩擦力Ff1，墊鞋受的壓力FN2和與凍土的摩擦力Ff2。此時凍土體抵抗剪切破壞的極限能力小于凍士體受到荷載作用后產(chǎn)生的剪應力。在剪切面兩側(cè)的土體將產(chǎn)生相對位移而產(chǎn)生滑動破壞，這種滑動首先是從局部開始，隨著荷載的繼續(xù)增加土體中的剪應力達到抗剪強度的區(qū)域愈來愈大，最后各滑動面連成整體，土體將發(fā)生整體剪切破壞而喪失穩(wěn)定性，最后分離凍土體。這種模型下，凍土的強度低，主要受刀具的剪切力發(fā)生破碎，屬于剪切破碎形式，符合摩爾庫倫破壞模型。

圖7 剪切破壞力學模型Fig.7 Mechanical model of shear failure

根據(jù)力平衡列得x方向與y方向的合力分別為：

圖7 及式（3）中：Rx為水平方向合力；Ry為水平方向合力；α0為刀具前角；γ0為后角；Ff1為刀具與切屑之間的摩擦力；FN1為前刀面受凍土作用力；FN2為墊鞋受的壓力；Ff2為墊鞋與凍土的摩擦力；V1為切削速度。由力學模型得知，凍土的受力狀態(tài)主要由刀具前角、后角及刃角決定，不同的前角、后角會影響凍土受垂直擠壓還是水平壓縮的狀態(tài)。刃角的不同導致了切入的難易，刃角越小，切入越容易。

剪切破壞力學模型下凍土以塑性狀態(tài)的破壞模式為主。通過對后刀面的簡化，忽略了右后刀面產(chǎn)生的摩擦力，引入了刀具刃角，刀具安裝前角，對切削力進行了切向及法向分解，對刀具前刀面的受力狀態(tài)進行了分析，得出切削分力與刃角和前角的關(guān)系。由于以剪切破壞為主，所以對裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展及擠壓破碎過程沒有涉及。而當凍土發(fā)生塑性破壞時，溫度較高或含水率較低，凍土強度降低，流塑性增強，剪切強度小于抗壓強度。

通過對凍土機械破碎的典型切削力學模型和破壞模式的分析，發(fā)現(xiàn)凍土切削機械破碎模式不僅與凍土力學特性密切相關(guān)，同時也受切削參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)的影響；由式（1）～（3）可以看出，凍土受力狀態(tài)受切削參數(shù)、刀具參數(shù)以及凍土特性的影響。溫度、含水率、圍壓所造成的凍土力學性能變化會導致凍土破壞過程和破碎機理的改變［40］，因此我們需要從切削參數(shù)，刀具參數(shù)以及凍土特性三個方面出發(fā)探究各因素對切削破壞機理的影響過程。

3 凍土破碎機理研究現(xiàn)狀

凍土切削破碎力學模型表明凍土破碎主要受切削工藝參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)及凍土特性等的綜合影響，這些參數(shù)不僅影響凍土破碎過程，同時影響破碎模式。

3.1 切削參數(shù)的影響

切削參數(shù)對破碎過程的影響從下面幾個方面展開：

（1）切削深度對破碎過程的影響

在拉伸破壞、拉剪破壞、剪切破壞三種力學模型中，都表明凍土的切削深度d（圖5～7）對破碎過程有較大的影響。凍土的切削過程可以描述為在刀具的刀刃及前刀面的推擠下，切屑被從小到大反復地被剝落的過程［41-43］。圖7 中，刀具向前運動時，刀刃處的凍土被擠壓，在擠壓力不超過凍土的剪切應力時，在刀尖處形成壓實核。未凍水被壓入孔隙，密度變大，隨著刀具繼續(xù)移動，壓實核被刀尖推動向前，未切削區(qū)域由于擠壓作用產(chǎn)生裂紋，根據(jù)庫倫-摩爾破壞準則，當剪應力大于黏聚力與內(nèi)摩擦力之和時，凍土發(fā)生破壞。當切削深度小于鈍角半徑時（Dp＜Ta）刀具擠壓土壤，使其屈服變形壓力超過抗壓強度時失效破壞。當切削深度大于鈍角半徑時（Dp＞Ta）由于凍土的剪切強度及抗拉強度遠小于抗壓強度，所以凍土被剪切或拉撕破壞。拉伸破壞、拉剪破壞中，由于不同切削深度對凍土的破壞形式不同，存在一個臨界切削深度D0，Dp＜D0時裂紋體已經(jīng)與自由界面貫通，因而產(chǎn)生微裂紋作用下的細小切屑。Dp＞D0時，裂紋體才能與自由界面貫通。研究表明：存在一個臨界深度D0，破壞模式從塑性切削轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈郧邢?，塑性切削時切削力與切削深度成正比，脆性切削時切削力與切削深度成非線性關(guān)系［44］。

從能量的角度來說，深切削比淺切削消耗更少的能量［45-46］，這可由切削比阻和比能耗定義得出：切削單位體積土體所消耗的能量，工程實際中應盡可能選用深切削。Phukan等［35］在溫度為-3 ℃至-14.5 ℃的范圍內(nèi)探究了切削深度對切削力的影響。余群等［41］學者認為，當進行淺切削時，切削深度小于刀具鈍角半徑，此時凍土主要受刀具的擠壓變形，當擠壓力超過凍土的擠壓強度時，凍土失效破壞；深切削時，凍土主要受到切削力的剪切及撕裂破壞，這與Evans［36］的觀點一致。

（2）切削速度對破碎過程的影響

圖8 不同切削深度下凍土破碎形式Fig.8 Broken forms of frozen soil at different cutting depths

切削速度對切削過程的影響表現(xiàn)為隨著切削速度的增大，切削力快速增大，當速度增大到一定后切削力增加變緩［41，47-48］。切削過程中，不同的切削速度導致凍土變形快慢的不同，在高速切削下，由于刀具的擠壓力，凍土來不及產(chǎn)生擠壓應變，短時高壓應力大于凍土的剪應力，凍土發(fā)生脆性破壞。在低切削速度下，凍土破壞由刀具前刀面及刀刃擠壓先產(chǎn)生塑性變形，切削區(qū)域被壓實，當切應力小于凍土的抗壓強度時，凍土由塑性變形過渡到脆性破壞。余群等［41］學者提出假設：在切削速度較低時，膠結(jié)冰在壓力作用下產(chǎn)生弱化（冰體的擠壓變形勢能轉(zhuǎn)換為熱能，使得冰體強度降低）而在速度較高時，冰體來不及變形就被剪切、撕裂，此時的切削強度主要是冰體的強度。在選擇切削速度時，應該考慮到高速和低速切削會導致切削機理的不同［49］，所以綜合含水量的不同合理選擇切削速度，含水量較高時高速切削，低含水量下采用低速切削。圖9 所示在30°、45°、60°三種切削前角下，隨著切削速度的增大切削力先增大，后趨于平緩，而且在30°、45°、60°三種前角狀態(tài)下，45°前角切削時切削力最小。

圖9 切削速度對切削力的影響（根據(jù)文獻［47］修改）Fig.9 Influence of cutting speed on cutting force（Modified from Ref.［47］）

3.2 刀具參數(shù)對破碎過程的影響

刀具參數(shù)對破碎過程的影響從刀具前角、刀具刃角、刀具形狀幾個方面展開：

（1）刀具前角的影響

首先刀具前角不同，切屑形狀不同，前角為15°時，產(chǎn)生的切削屑粒度很小，數(shù)量也比較少；當?shù)毒咔敖菫?0°時，切削屑的大小和數(shù)量相應的增加；當?shù)毒咔敖窃黾拥?5°時，切削屑多為大碎塊，凍土破碎形式為塊狀破碎［50-51］。隨著刀具前角的增大，破碎凍土碎塊粒度增大、破碎比變小、破碎比功相應減小，需要破碎單位體積的凍土需要的能量也越小（圖10）。因為，從能量角度來看，塊狀破碎產(chǎn)生新的表面積較小，所需要的能量較少，凍土塊狀破碎是有利的。這也說明應該在刀具設計時，在合理范圍內(nèi)增大刀具前角。對于不同的刀具前角，切削過程中在刀尖處的力可以分解為沿速度方向F1的切削力和垂直于速度方向F2的切削力［式（2）］。

圖10 切削具前角對切削力的影響（根據(jù)文獻［47］修改）Fig.10 Influence of cutting tool rake on cutting force（Modified from Ref.［47］）

由拉剪破壞，剪切破壞力學模型分析可得，當切削前角較小時切削力的分力主要沿豎直方向壓入凍土，隨著前角增大，水平方向的分力增大，刀具沿切削方向擠壓凍土的能力增強，使得凍土更易于剪切破碎。當切削前角繼續(xù)增大時不同的切削前角下刀具的切削阻力也不同，存在一個最優(yōu)的切削前角使得切削阻力最小，余群等［45］通過試驗得出刀具的最佳前角在30°～60°之間。

（2）刀具刃角的影響

在拉伸破壞、拉剪破壞、剪切破壞三種力學模型中，破碎過程會受刀具刃角影響，刀具不同的刃角在對切削能力的大小也有不同，當切削脆性材料時，小刃角刀具易切入，刀尖處應力集中利于凍土的貫入和撕裂。當切削塑性材料時，刀具往往承受較大的壓應力，此時增大刀具刃角有助于刀具強度的提高，提高刀具使用壽命［50］。，即刀具越尖銳，刀具寬度d越小，水平力F1和F2越大，切削分力也越大（圖11）。

（3）刀具齒型及分布的影響

圖11 刀具刃角與切削力的關(guān)系Fig.11 Relationship between tool edge Angle and cutting force

不同的刀具齒型和分布形式對于切削效果也不同，研究表明窄型刀具切削凍土相較于寬刀具存在自磨刃現(xiàn)象，能夠提高機械效率、延長刀具壽命，而且不同的齒高分布對于切削效率也有影響，根據(jù)Timofeev 等的研究，線性分布的切削齒以不同高度分布時切削效率最高，使待切削表面的材料的破壞程度越大［52-53］。結(jié)構(gòu)形狀在改變冰的破壞行為中起著重要的作用，這種行為上的變化最明顯的是冰壓碎負荷的大小。為了更全面地了解冰的影響，需要對冰的特性變化和冰荷載的大小進行更深入的研究，考慮不同的結(jié)構(gòu)形狀，形狀對冰接觸載荷的影響對切削刀具的設計可能是很重要的［53］。

3.3 凍土特性的影響

凍土的力學特性受地域條件、土質(zhì)組成、形成環(huán)境等的影響明顯，造成不同地區(qū)凍土力學特性的顯著差異。凍土含水量較低時，凍土的抗剪強度及抗拉強度都比較低，而且凍土的塑性變形能力較強，當溫度較低時，凍土的抗壓強度、抗剪強度都會隨之增大。而且在切削過程中，凍土宏觀破碎以土粒剝落為主。從微觀來看，低含水量時，土中冰體較少、膠結(jié)力小且較為松散。當含水量增大時，冰晶體將土質(zhì)膠結(jié)在一起，產(chǎn)生較大的內(nèi)聚力，所以切削強度迅速增大。而當含水量達到極限時，刀具主要進行冰體切削，切削強度較之前降低。所以隨含水量的增加，切削力先增大后減小。由此我們推測含水量較高時，切削過程接近于冰層切削，破壞方式主要以脆性破壞為主［54-57］。圍壓的增大明顯增強了凍土的塑性，在一定圍壓范圍內(nèi)，凍土的抗剪強度隨圍壓的增加而增加，呈明顯的線性關(guān)系，當圍壓超過這一范圍時，其抗剪強度隨圍壓增加而減小。破壞模式隨溫度、含水率、圍壓的變化如圖12。

圖12 破碎模式隨含水率（a）、溫度（b）及圍壓（c）的變化Fig.12 Changes of crushing mode with water content，temperature and confining pressure

隨含水率的增加抗壓強度上升，抗剪強度下降，凍土的破壞模式由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?。隨著溫度的上升，抗剪強度上升，抗壓強度下降，凍土從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?。隨著圍壓的增加，凍土的抗剪強度先增加然后降低，這是由于圍壓的增加將凍土的結(jié)構(gòu)破壞，而且圍壓上升到一定程度后會出現(xiàn)壓力融冰現(xiàn)象，造成孔隙水流動，導致凍土從脆性破壞變?yōu)樗苄詨嚎s破壞。

破碎機理分析：凍土機械破碎模式與凍土的力學特性直接影響凍土機械破碎模式，不同的力學特性決定凍土破碎過程中的脆性，塑性及塑脆過渡的變形特點，使凍土內(nèi)部的受力狀態(tài)發(fā)生變化。隨著切削參數(shù)的變化，在不同溫度、含水率、切削速度，切削深度及刀具參數(shù)的影響下，凍土的破碎方式會有所不同，其中主要包括凍土的塑性流動、脆性破壞、塑脆過渡方式。當拉壓強度較高時，在受力過程中應力集中處形成壓實核，進而擠壓使裂紋產(chǎn)生，延展，最終凍土脆性斷裂。當凍土剪切強度較高時，凍土流塑性高，受到剪切破壞。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

（1）目前對凍土的力學模型認識主要有拉伸破壞、拉剪破壞、剪切破壞三種，不同力學模型表現(xiàn)了凍土切削破壞過程中受切削深度、切削速度、刀具參數(shù)的影響，而且反映了不同力學特性下的凍土脆性破壞、脆塑過渡破壞、塑性破壞的破壞模式。

（2）切削破碎機理在凍土機械破碎過程中是非常重要的，不同切削參數(shù)、刀具參數(shù)、凍土特性都對破碎機理產(chǎn)生很大影響，破碎機理不僅揭示了凍土內(nèi)部土體間的受力形式，變形過程，而且宏觀力學行為對工程實際參數(shù)的選擇，工藝制定具有指導意義。在一定程度上深切削比淺切削效率更高，切削前角存在一個優(yōu)化范圍，在這個范圍內(nèi)刀具有利于切削。

（3）凍土受溫度、含水率、圍壓、地域條件等影響，有不同的抗壓強度、剪切強度、應力-應變特性，因此其力學特性十分復雜，對我們研究凍土的破碎機理帶來困難，凍土力學特性直接導致了凍土破碎過程中不同的破碎模式，對我們研究凍土破碎機理意義重大。

4.2 展望

（1）凍土復雜特性造成凍土切削力學模型及破碎機理的認識不足。凍土受不同溫度、含水率、圍壓的影響導致其力學特性復雜，使破碎機理的研究難度增大。主要表現(xiàn)為凍土的力學特性和破碎模式受各個因素的影響關(guān)系認識比較模糊，一方面，近期Zhang等［32］通過對一種微觀力學模型的假設來描述凍土的非線性彈塑性行為。主要通過微觀冰晶相互作用，膠結(jié)損失和破碎過程的微觀模型建立來再現(xiàn)宏觀力學行為，還引入了破碎比狀態(tài)變量來描述土體在外加載荷作用下的損傷過程或裂紋擴展過程，希望對凍土的切削破碎機理有新的認識。另一方面，在工程實際中，在開挖前能否通過增加圍壓來減小凍土強度，從而影響內(nèi)部裂紋的發(fā)展，破壞凍土強度，減小開挖難度方面研究較少。

（2）破碎機理的研究不足導致最直觀的問題就是刀具磨損快、壽命短。這是由于刀具的結(jié)構(gòu)、安裝角度等方面也對凍土的破碎機理及破碎過程產(chǎn)生影響，而破碎機理認識不足使得刀具的結(jié)構(gòu)、角度等方面的優(yōu)化設計存在缺陷，導致刀具磨損快、壽命短。例如30°、45°、60°三種切削前角對比時45°前角切削的切削力最小的，且破碎粒度較大，卻很少從理論方面給出解釋，因此還需進一步找出理論依據(jù)來完善刀具參數(shù)的影響。另外需要與巖石切削作對比，考慮刀具與凍土體摩擦力大引起的刀具磨損的問題，以提高切削效率，減少刀具磨損，獲取刀具最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)參數(shù)，從而為性能最佳的機械式切削破碎刀具設計提供科學依據(jù)。

（3）破碎機理認識不足使得刀具力載及其優(yōu)化方面存在技術(shù)瓶頸，造成凍土破碎效率低。在凍土開挖過程中，切削速度、切削深度、刀具所受壓力等施工參數(shù)對凍土破壞過程和破碎機理有重要影響。通過進一步對土體和刀具的力學分析研究，探索不同切削速度、切削深度、力載對切削效率的影響來優(yōu)化工程設計中刀具的承載力和壽命，選取刀具最優(yōu)切削參數(shù)，達到提高破碎效率，指導工程實際的目的。