车轮载荷下压实雪的热-力耦合与失效机制

《Cold Regions Science and Technology》：Thermo-mechanical coupling and failure mechanisms of compacted snow under wheel loading

　　•一种双向热-力学有限元公式，将温度相关的雪强度和刚度与变形诱导的热源（热弹性耦合和塑性耗散）耦合起来。
•大规模阶梯式保载板载试验同步采集荷载、表面沉降和多深度温度，在承载失稳起始时分辨出近表面局部加热。
•一个集成的实验-数值框架，将压力-沉降（P–s）响应曲线与载荷板下方模型支持的冲剪局部化联系起来。
•定量速率比和求解器收敛准则，定义了单调阶梯加载下实验和数值的第一失稳端点。
•耦合的温度-密度端元状态（而非仅仅温度）控制着压实雪跑道评估的实验室承载阈值和地下变形深度。

引言
高纬度地区的压实雪跑道对于南极科学考察和后勤保障至关重要，因为它们支持人员运输和大宗货物运输（Russell-Head and Budd, 1989; Mellor, 1988）。在相对温暖的南极夏季，包括C-17和伊尔-76在内的重型轮式飞机的反复作业，使跑道在雪层热软化时承受高轮地接触压力（Sopher and Shoop, 2017; Blaisdell et al., 1998）。在这些条件下，典型的劣化和破坏模式包括沿轮迹的渐进式车辙和不均匀沉降、轮胎下方的局部冲剪区以及承载能力的突然丧失；这些缺陷可产生严重的不平整度并缩短安全运行窗口（Russell-Head and Budd, 1989）。目前的跑道评估主要依赖于体积密度、表面硬度或在规定温度下测得的静态无侧限强度（Zhao et al., 2023; Russell-Head et al., 1984; Xiao et al., 2024; DoD F C. FC 3-260-06F, 2015）。这些指标对于描述初始材料状态是有用的，但它们不能解析升温如何削弱冰颗粒键合和刚度，集中轮载如何驱动塑性压实和剪切局部化，以及变形诱导的热如何反馈并进一步软化（Russell-Head and Budd, 1989; Mellor and Smith, 1966; Abele et al., 1968）。因此，跑道可能在检查期间满足密度、硬度或静强度标准，但在温暖、重复轮载下却发生快速沉降和冲剪破坏。因此，量化温度和机械荷载的综合效应（包括它们的双向反馈）对于极地机场的设计、评估和维护至关重要。

几组变量控制着轮载下压实雪的承载性能。诸如密度、孔隙率、粒径、烧结持续时间、温度、热状态和加载速率等材料特性（Zheng et al., 2026）都影响其强度和刚度：强度通常随密度和烧结增加而提高，但随着温度接近熔点而降低（Russell-Head and Budd, 1989; Mellor and Smith, 1966; Abele et al., 1968; Zhao et al., 2023; Russell-Head et al., 1984; Blackford, 2007; Herwijnen and Miller, 2013; Kabore and Peters, 2020; Bahaloo et al., 2022）。机械加工可将新雪密度从50–300提高到约550 kg/m3（Judson and Doesken, 2000; Helfricht et al., 2018; Radke and Hobbs, 1967; Shenvi et al., 2022），从而改变接触面积、孔隙连通性和荷载传递能力。在材料尺度上，离散元模拟显示了密度和温度相关的压缩强度，以及高密度下更强的温度敏感性（Huo et al., 2023），而基于CT的测量则解析了压缩过程中的键断裂、接触面积演化、应变硬化和各向异性（Ma et al., 2025）。这些结果确立了雪骨架的热状态和结构状态如何控制其对集中轮压的响应，但它们本身并不能描述跑道尺度的承载破坏或加载过程中产生的温度场。

现有的承载试验和模型已将这些材料控制因素转化为可量化的承载指标。硬度试验和无侧限压缩试验常用于表征雪强度，而大规模压力-沉降试验则建立了雪强度与临界及极限承载力之间的关系（Zhao et al., 2023; Xiao et al., 2024）。在跑道尺度上，Sopher和Shoop（Sopher and Shoop, 2017）使用密度相关的弹性模量对凤凰机场进行了分层弹性分析；Chen等（Chen et al., 2024）使用每层雪的静态力学参数模拟了飞机诱导的三维应力场；Xiao等（Xiao et al., 2024）将箱体试验与有限元分析相结合，再现了压力沉陷和破坏过程。关于雪复杂力学行为的表征，Wang等（2025）采用粒子图像测速技术（PIV）明确揭示了局部剪切带和压实结构的形成机制（Peinke et al., 2019）。An等（2026）识别了压实雪在弯曲荷载下的速率相关韧脆转变和多种破坏模式（Huo et al., 2024）。此外，还开发了若干先进的数值框架，包括用于长期变形的分数阶蠕变模型（Surkutwar et al., 2025）和用于捕捉动态贯入下宏观大变形的混合SPH-FEM方法（Wang et al., 2025）。尽管在结构机制和数值方法方面取得了显著进展，但目前压实雪跑道的评估方法仍然主要依赖于非耦合假设或固定温度假设。因此，这些方法无法确定在具有热演化的有限轮载事件中，测得的承载力是否保持恒定。

可能的热反馈的物理基础在于机械能耗散。在局部塑性压实和冲剪过程中，一部分机械功转化为热量，如塑性功分配理论所述（Macdougall and Harding, 1999; Shi et al., 2025）。由于热源集中在变形区且热扩散有限，局部温度可能在加载事件期间上升，而不是保持等于规定的环境温度。在雪中，这种升高可能削弱冰颗粒键合并降低刚度；由此产生的任何额外变形可能产生进一步的耗散热，并与变形、加热和软化之间可能存在的反馈一致。温度梯度变质研究表明，温度可以重组雪的微观结构、力链、各向异性和有效热导率（Wiese and Schneebeli, 2017; Schneebeli and Sokratov, 2004），支持了所提出反馈的温度敏感性，但并未在轮载下直接证明它。最近，越来越强调需要纳入动态热-力学耦合和塑性热耗散，以准确预测多孔岩土材料的渐进破坏和剪切局部化。然而，将这种能量耗散框架转化到重型飞机载荷下压实雪跑道的具体背景中，仍然是一个关键的研究空白。

总之，现有研究尚未阐明压实雪跑道在轮载下是否会产生局部瞬态温升，以及这些温升是否改变雪的刚度和强度，从而影响破坏演化和承载力。为了解决这些问题，本研究采用双向热-力学框架，并提出三个假设：（1）局部冲剪变形将部分机械功转化为可测量的瞬态温升；（2）较暖和较低密度状态下的雪具有较低的承载力和较大的变形，而较冷和较高密度状态下的雪表现出优异的力学性能；（3）局部加热引起的温度相关软化可能进一步加剧变形，这与使用耦合模型探索的合理正反馈机制一致。

方法上，本研究采用集成的实验-数值分析工作流程：在受控温度-密度条件下进行低温板载试验，以获得压力-沉降和内部变形响应；使用嵌入式热电偶在整个加载过程中同步捕捉近表面区域的瞬态温度；构建二维轴对称大变形有限元模型，耦合固体力学和固体传热模块，并考虑温度相关的材料参数、热弹性耦合效应和塑性热耗散。机械和热监测数据均用于模型校准和一致性评估，从而将局部热信号与同时期的荷载和沉降历史直接关联。

章节片段
试验材料与样品制备
压实雪跑道全年在零下温度下运行。在相对温暖的南极夏季，轮载作用在热软化的雪层上，这缩小了跑道的安全运行窗口。为了表征这一服役包络线，同时保持可控的材料特性和加载协议，试验在太原理工大学极地清洁能源实验室进行，该实验室的温度室可从?50调节到40 °C。

热-力学与数值方法
耦合模型包含传热和固体力学组件（图3）。传热组件使用热力学第一定律和傅里叶定律求解压实雪中的瞬态传导，并通过热边界条件指定环境温度。固体力学组件使用连续介质弹塑性和Drucker–Prager屈服准则求解对机械荷载的准静态响应。耦合在两个方向上发生。温度

压实雪表面的宏观变形
在初始加载阶段，雪层的沉降缓慢增加，并随施加压力近似线性变化。随着弹塑性变形连续累积，压力-沉降曲线的斜率逐渐增大。当压力达到某一值时，雪层的沉降突然增大，荷载在达到峰值后缓慢下降。这表明雪试样破坏，相应的承载力在

Boussinesq弹性参考校核
在初始加载阶段（100–300 kPa），压实雪跑道的承载机制与柔性路面系统有有限相似性，主要依赖于冰骨架框架的弹性响应和初步孔隙压实。这里使用Boussinesq解作为受限解析参考，而非实验室有限试样的完整验证模型。其均匀、各向同性、线弹性半空间的假设是

雪温演化与热-力学模型的贡献
测得的雪温响应遵循局部化、随阶段变化的模式。在初始和中间压力保载期间，嵌入式热电偶保持接近其起始温度。在第一失稳步骤，近表面传感器（T1，加载面下方25 mm）记录了突然的局部升高，而中间和深层传感器变化很小。峰值近表面升高在测试条件下为1.18–1.52 °C。这些观察确立了

结论
采用集成的实验-数值框架，结合低温板载试验、同步多深度温度测量和双向热-力学有限元模型，研究了轮式荷载下压实雪的承载响应和破坏。主要结论如下：
（1）在初始和中间压力保载期间，雪温保持接近基线，然后在第一失稳步骤局部升高。峰值

CRediT作者贡献声明
Jinyou Li: 概念化，写作 – 初稿。Xiaomin Chang: 资源，概念化。Biao Zhu: 验证，写作 – 审阅与编辑。Yuchen Wang: 验证，资源，方法学。Quancheng Qian: 形式分析。Yinke Dou: 项目管理，资金获取。

未引用参考文献
Gang et al., 2025
Liu et al., 2021
Liu et al., 2022
M?h?nen et al., 2024
Saliko et al., 2023
Yiqiu et al., 2018
Yu et al., 2024a

利益冲突声明
作者声明，他们不知道可能影响本文报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢国家重点研发计划（No. 2022YFC2807601）对本研究的支持。我们也感谢所有科学家在本研究中进行的宝贵研究。

Jinyou Li|Xiaomin Chang|Biao Zhu|Yuchen Wang|Quancheng Qian|Yinke Dou