分级循环荷载作用下冻结粉质粘土动力学特性试验研究

分级循环荷载作用下冻结粉质粘土动力学特性试验研究

0青藏粉质粘土动剪试验本文主要基于粘弹理论，研究了冻土动态参数的计算方法。然后，通过三次运动试验，研究了不同温度下绿色粘土移动剪切模量的随动剪切应变宽的规律。本文主要在制作过程中难以控制的含水量问题上，试验了比较试验的规律。1试验计划1.1试验设备本试验仪器为MTS-810型振动三轴材料试验机,详见图1。1.2土样的制备试验采用青藏铁路沿线粉质粘土,本试验参照土工试验方法标准和地基动力特性测试规范制备重塑土样。试样呈圆柱状,直径61.8mm,长度125mm,平均密度1.8g/cm3。成批试样用铜模封闭固定放入快速冻结恒温箱内24h以上,然后用橡皮膜封闭试样放入恒温箱内至少12h,所制备试样见图2。1.3试验构件的力学性能试验时快速取样安装至低温三轴试验机进行试验。轴向动荷载为压—压型正弦波,由最大应力、最小应力及频率决定。为更好的模拟交通荷载对应变速率的影响,将最大应力变为变量,采用分级循环加载,每级循环加载振动12圈,见图3。各试件的动荷载相同以对比研究,详见表1。试验终止标准为轴向变形的20%,试验控制条件详见表2。2滞回圈的形成交通荷载作用下路基土的动应力应变关系可采用等效线性化模型描述。冻土的动剪切模量与阻尼比是衡量冻土动力学性能的两个重要参数。冻土在动荷载作用下的滞回曲线如图4所示。按下式计算每一荷载等级下动剪应力幅值τd和动剪应变幅值γd。动荷载每循环一次近似形成一个如图5所示的滞回圈。绘制τd—γd滞回曲线,Hardin等建议采用双曲线拟合土剪应力幅值和剪应变幅值之间的关系曲线(骨干曲线)。将动剪切模量Gd定义为滞回圈的平均斜率。其中,εd为轴向动应变幅值;σd为轴向动应力幅值;μ为动泊松比。3分析动割模型影响因素3.1动剪应变幅值的变化五种不同负温条件下冻土的骨干曲线如图6所示。温度对冻土的骨干曲线影响很显著,在相同的动剪应变幅值下,动剪应力幅值随温度的降低而增加。当温度由-3℃降到-11℃时,冻土的最终动剪应力幅值由0.87MPa增加到了2.03MPa。冻土的动剪切模量随动剪应变幅值的变化曲线如图7所示。冻土的动剪切模量随动剪应变幅值的增加整体上是先增加,然后趋于不变甚至缓慢平稳减小。随温度的降低动剪切模量的增幅很大,温度由-3℃降低至-11℃时,最终动剪切模量由423.5MPa增加至782.2MPa。试验初始阶段,在-7℃和-9℃时,动剪切模量出现了先减小再增加,其值小于较高温度时的情况。3.2动剪应力幅值的变化在四种不同围压条件下冻土的骨干曲线如图8所示。在同一动剪应变幅值下,冻土的动剪应力幅值不断增大,但围压在0.6MPa~1.2MPa之间时,动剪应力幅值变化很小,三种围压情况下,动剪应力幅值非常接近。冻土的动剪切模量随动剪应变幅值的变化曲线如图9所示。围压对动剪切模量的影响较大,在围压0.3MPa~1.2MPa范围内,动剪切模量随围压的增大而增大,但是在围压较大时,这种影响趋势减弱。随着围压的增加,冻土的土颗粒在力作用下发生剪移错位,土的孔隙率减小,使得土体强度增加,但是并不是围压增加土体的强度持续增加,土体压密后强度便增加不明显了。3.3图1和2b的图2及其改进的对比在试验的试样制备过程中,含水率控制是难点。试验中采用两种方法制备试样,第一种根据含水率确定土、水含量,将两者混合配备,其中饱和试样是由含水率为14.5%试样采用真空抽气补水饱和方法获得,对应试验结果如图10a)和图11a)所示;另一种方法是制备含水率14.5%的试样,然后采用烘干或加湿方法制备其他含水率的试样,饱和试样是采用含水率11%试样采用真空抽气补水饱和方法获得,对应试验结果如图10b)和图11b)所示。当温度为-5℃,频率为2Hz,围压为0.3MPa时,通过两种不同制备试样方法获得四种含水率条件下冻土的骨干曲线如图10a),图10b)所示。动剪应力幅值随着含水率的增大而增大,当含水率为14.5%,15.5%时,因为相差较小两者曲线非常接近。图10a),图10b)中,当含水率为饱和时,在同一动剪应变幅值下,前者的动剪应力幅值大于后者,且最终动剪应力幅值大于后者。两种不同制备方法获得的冻土的动剪切模量随动剪应变幅值的变化曲线如图11a),图11b)所示。当含水率在12.5%至饱和之间时,在同一动剪应变幅值情况下,动剪切模量随含水率增加而增大,原因是随着含水量的增加,同一土体内较多的自由水在负温下结晶形成冰晶重填充在土骨架周围,增加了土颗粒之间的作用力,因而强度增大,动剪切模量增加。但是含水率为15.5%时的动剪切模量小于14.5%时的动剪切模量,一般含水率越大,土体中冰晶越多,冻土的刚度越大动剪切模量越大,但是含水率非常接近时,含水率大小对动剪切模量的影响不再是决定性因素。两种不同制备方法获得的试验曲线相似,在含水率为饱和时,图11a)中动剪切模量大于图11b)中的值,原因是第一种制备方法土颗粒相对较大,土孔隙较大,土颗粒间冰晶相对集中且较多,导致土试样刚度较大,动剪切模量也较大。4试验结果本文主要针对动力荷载作用下的冻土路基粉质粘土,采用动三轴试验方法,探讨冻结粉质粘土的动力学性能。主要得出以下结论:1)在不同温度、围压和含水率等影响因素下,得到冻土的动剪应变幅值与动剪应力幅值、冻土动剪切模量关系曲线。动剪应变幅值在0.0001~0.007之间,动剪应力幅值在0.1MPa~2.1MPa之间,动剪切模量在152MPa~804MPa之间。2)温度对冻土的骨干曲线影响很显著,随着温度的降低动剪切模量的增加幅度很大,在温度由-3℃降低至-11℃,最终动剪切模量由423.5MPa增加至782.2MPa。围压对冻土的骨干曲线的影响并不显著,围压由0.3MPa增加到1.2MPa时,在同一动剪应变幅值下,冻土的动剪应力幅值不断增大。3)考虑到含水率控制是试样制备时的难点,试验中采用两种方法制备试样作对比,当含水率在12.5%至饱和之间时