原状冻土Ⅱ型非线性断裂韧度实验测试研究-

1、原状冻土型非线性断裂韧度实验测试研究*论文导读:：由于原状冻土处于自然状态下，其本构关系及水分、温度的分布符合实际状态，而且其实际破坏形式往往是非线性的剪切破坏，所以本文采用了非线性冻土断裂实验模型，对自然状态下的原状冻土进行了断裂破坏实验，着重对型断裂当式式中 即为非线性能量释放率的临界值，也称为非线性断裂韧度。以型断裂的四点弯曲试样为例式中的是曲线中直线段的斜率，是裂纹长度的函数，有： ，是材料常数，和，同样由实验确定。由曲线可知，当位移到达时，应变能将将当载荷到达临界值时，那么由上式得到非线性断裂韧度：22基于修正因子的非线性断裂韧度测试方法用修正因子法确定非线性断裂韧度可表达为：式中：

2、型断裂非线性断裂韧度；非线性修正因子；型断裂的表观断裂韧度，即未考虑非线性影响的断裂韧度。下面分别说明和确实定方法。1表观断裂韧度的测定由四点弯曲试样可知见图3，在裂纹面的剪切力，因此剪应力可求：相应的应力强度因子为【5】：当到达临界值，也就是载荷到达最大值时，即为：其中：，裂纹长度由着色渗透法确定。那么定义修正因子为：3试验设计31土质及试样制备 W 图3人工切口、预制裂纹的四点弯曲试样尺寸及其受力图Fig.3 the dimension of four-pointbending specimen由于现场施工取原状冻土难度极大，采用了多种方案，尽量将原状土的内部微细观结构保持完整实验研究，防

3、止对其原有结构产生扰动，取土前先去掉30cm厚的表层土以免由于表层土因受到人为活动而导致土体结构被破坏,影响试验结果，再在取土场人工开挖出长、宽、高分别为80cmx80cmx40 cm见方的较大土块，然后用人工凿取的方法将大土块做成略大于试样尺寸的土块，如图4所示。最后用震动较小的电锯人工切割成满足试验要求的光滑试样。将切好的试样迅速用塑料薄膜包好、编号并测量试样尺寸，放入保温箱中以防止试样温度改变和水分的散失。将其在保温箱中恒温至少24h以上 图4 现场取土照片 Fig.4 the photo of originalstate frozen soil at field3.2 试样初始裂纹的制

4、作及测量试样的初始裂纹制备是个难点，按照平面应变条件裂纹尖端要求极尖，这对原状冻土来说极其困难，以往方法是先在制备试样时插入楔型木片涂润滑油便于脱模，以制备初始缺口。在此根底上，再用钼丝锯加工尖裂纹，裂尖半径可达。此方法的缺点是制作的初始裂纹尖端并非极尖，而且这样的初始裂纹并不能准确的反映出试样裂纹尖端扩展的本质。为了改良初始裂纹制备方法，本试验借鉴了岩石断裂力学中所采用的制作方法，先从保温箱中迅速取出一组试样，随后用钼锯锯开初始裂纹，保证裂纹平直，而后将试样放在试验台上先加载到最大力直到试样破坏，可以得到它们的最大值，再根据所得到的计算出值。这样我们就可以将每一个试样预先加载到值，使其在原有

5、木锯初始裂纹开口的根底上制造出裂纹尖端。这样制作出来的裂纹尖端比传统的方法制作出来的裂纹尖端不仅能够满足按平面应变条件要求的裂纹尖端极尖，而且能够准确的反映出试样裂纹扩展区的实际情况，因此，使试验更复合实际、更具有可靠性。 裂纹长度的测量也是个难点，从前的方法是将试样压断后，在断口平面等间距直接量出三个值后取平均值作为计算裂纹长度，这种做法由于裂纹尖端的模糊不清而存在着很大的误差。为了克服由此产生的误差，我们同样参照岩石断裂测试方法，利用在低温下仍然有较好液性的柴油作为染料，在裂纹切口处均匀喷洒少量柴油，使其均匀沿裂缝下渗直达裂纹尖端，这样一来当试样被压断后实验研究，在断面处可以的看到由于柴油

6、下渗到裂纹尖端而留下的清晰印记，以此为依据，便可以比拟准确的测量出裂纹的尺寸了3.3 试验装置本试验对传统的试验装置进行了改造，将三点弯曲试验台倒置悬挂于上端，在下端采用油压千斤顶加力，这样有利于对试样应用着色法测量裂纹尺寸。如图5所示，这样做的好处是使得采用着色法的液体染料能够沿着裂纹扩展方向渗透，并留下清晰的印记，以便于裂纹尺寸的测量。而后利用自动数据采集系统采集数据，绘出及曲线。图5 试验装置照片Fig.5 the photos of experimentalequipment4.试验结果1原状冻土试验除了要保持土的细观结构外，还考虑土的冻结历史，可以测试在不同冻结历史条件下的断裂韧度，

7、为此，对当地冬季地温及冻胀量随时间的变化规律进行了测量，进而使试验能够控制在该规律下进行。2试样在相同的加载速率、相同的天然含水率为和相同的温度变化规律与该种土质在实际相同深度处的冻土温度变化规律相同情况下，可以得到如图8所示的曲线图，从图6中可以清楚的看出：荷载在到达破坏之前有明显的塑性变形，说明此种冻土具有明显的弹塑性属性。 当载荷到达最大值时试样断裂，对于四点弯曲一般断裂时会有一个开裂角，如图7所示，开裂角的角度值列于表1中。 图7试样断裂后的开裂角 Fig.7 the crack angle of the specimen 试样尺寸 临界荷载 等效剪切力 非线性断裂韧度 开裂角 KT-

8、1 4.32 39.9 9.7 11.2 8.33 2.78 56.69 61 KT-2 4.17 42.4 10.4 9.8 6.11 2.04 24.61 64 KT-3 4.02 39.3 11.1 9.6 9.47 3.16 41.92 65 KT-4 4.69 41.3 10.4 10.8 8.27 2.76 57.71 78 KT-5 4.11 39.5 9.9 10.2 9.07 3.02 61.01 55 KT-6 4.26 41.0 10.2 10.5 8.07 2.69 53.37 58 KT-7 4.34 41.5 11.3 10.3 5.33 1.78 14.19 49

9、 KT-8 4.35 41.1 10.4 10.0 4.67 1.56 12.61 52 假定上述关系对非线性情况也同样成立，假设取3时的400MPa，0.25，那么将换算为实验研究，并与实测比拟，除两个试样误差较大，其余的根本是一致的，其结果列在表3中。表3将换算为与实验测得的相比照的结果Tab.3 the comparisonbetween the value of calculatedform andthe value of formthe experiment 试样编号 换算的 实测的 误差 KT-1 0.153 55.07 56.69 2.94% KT-2 0.103 24.84 2

10、4.61 0.94% KT-3 0.136 43.38 41.92 3.37% KT-4 0.16 60.23 57.71 4.19% KT-5 0.166 64.67 61.01 5.66% KT-6 0.135 42.91 53.37 24.39% KT-7 0.077 13.82 14.19 2.70% KT-8 0.085 16.96 12.61 25.66% 5.结论1本文的研究是针对沈阳地区的土质所进行的原状冻土断裂力学试验。由于冻土工程中经常发生剪切的破坏形式，所以着重对型断裂剪切破坏的四点弯曲直裂纹试样进行了实验研究。并用染色剂对裂纹尺寸采用着色法观测。通过对当地土质进行分层冻

11、胀量的观测，得出不同埋深处的冻胀量、冻融的关系，并以此来严格控制试样制作、试验时的温度，对原状冻土的型非线性应变能量释放率和非线性断裂韧度进行测试研究，这是对原状冻土非线性断裂力学试验的进一步的探索和尝试，它为今后进一步的研究工作奠定了根底。2本文给出了关于冻土的两种非线性断裂韧度测试方法的结果，分别是基于能量平衡的测试方法和基于修正因子的测试方法，在实际工程应用中，可以相互参照，灵活运用。3由于原状冻土完全处于自然状态下，其结构及内部缺陷随机性较大，实验过程中所采集的数据有一定的离散性，因此需要更多的试样和大量的实验数据，并进行统计分析，使结果与实际情况相符。参考文献【1】吴紫汪，马巍.冻土

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