高含冰量冻土的力学特性试验研究

高含冰量冻土的力学特性试验研究

1冻土强度及含冰量冷冻土壤是由固体矿物、冰绷带体、液相水（未冻水和强结合水）和气绷带体（蒸馏水和空气）组成的复合介质。冷冻土和混合土的性质区别在于冷土中的冰。土冻结后强度将提高很多倍,其中主要依赖于冻土黏聚力的大幅度提高,而冻土的黏聚力主要受冰的控制。温度和含水率的波动,都会对冻土的内部结构产生巨大的影响,从而导致冻土的力学性质产生明显的变化。由于冻土成分的复杂性和对温度、水分等的敏感性,其力学性质要比融土更为复杂。地基中土层的承载力,堤坝、基坑和天然土坡等的边坡稳定性等都是由冻土强度控制的,因此研究寒区冻土的力学性质有重要的意义。Tsytovich等在大量冻土单轴抗压强度试验的基础上,发现冻土单轴抗压强度随温度的降低而增加。Sayles则指出二者之间存在幂函数关系,这种关系在抗压、抗拉、直剪及扭转试验中均得到了证实。张丽敏等通过室内试验研究了各种温度、应变率条件下冰的强度规律。赖远明等通过冻结砂土的三轴试验指出了在围压较低、温度较高时有应变软化现象,并且当超过围压一定值后,其抗剪强度随围压的增加而减少,这也就是围压对冻土强度的弱化作用。随后,LaiYuanming等用试验的方法,提出了能够反映围压强化作用和弱化作用的冻土屈服函数,并指出温度和含水量对冻土屈服函数有很大的影响。吴紫汪等分别通过一系列室内外试验发现可用线性关系预报温度对冻土强度的影响。Sayles和Carbee则发现饱和粉土的初始破坏强度随体积含冰量的增加而增大。吴紫汪等的研究结果也表明冻结兰州黄土的单轴强度随含水量的增加而增大,当含水量接近饱和状态时其抗压强度达到最大值,其后随含水量的进一步增加而减小。李学军等通过水热耦合方法研究了冻融条件下土体水分运移规律。李瑞平等进一步考虑盐分对水热的影响,研究表明水热盐三者存在紧密的联系。上述研究表明,冻土的强度主要由温度和含水率(含冰量)控制,而这两个因素是互相影响的。冻土强度与温度有很大关系,而温度对强度的影响,又是通过含水率(含冰量)表现的。高温高含冰量冻土是指温度在-1.5~0℃,体积含冰量大于25%的冻土。维亚洛夫指出,温度和含水率的波动会导致高温高含冰量冻土强度和变形的实质性变化。目前冻土力学研究方面,研究者对冻土强度和本构都作了不少的研究,但由于受到试验条件的限制,加之问题本身的复杂性,这些研究更多的都集中在低温、低含水率重塑土的特性上,对高温、高含冰量冻土的研究甚少,仅有朱元林等对青藏高原风火山亚黏土及兰州中砂在冻结(-0.7~-0.3℃)状态下的压缩性进行了试验研究。吴紫汪等通过大量的试验研究发现,水分对冻土的流变性具有重要影响。冻土蠕变一般有衰减型和非衰减型两种,除应力大小的影响外,水分是一个重要的因素。当冻土中含水(冰)量超过一定数量时,即使在较小荷载下亦属非衰减型蠕变,多年冻土地区地下冰在不同荷载下均发生非衰减型蠕变。马小杰等进行了一系列高温高含冰量冻土的单轴蠕变试验,分析了高含水量对冻土长期强度的影响。赖远明等从高温冻土内部裂隙、空洞等缺陷的随机分布出发,基于连续损伤理论和数理统计理论,提出了高温冻土的单轴随机损伤模型。本文对青藏高原高含冰量冻结黏土在不同温度、不同含水率条件下进行一系列三轴压缩试验,分析其应力应变规律和强度特征,研究力学性质与初始含水率和温度的关系,给出随温度、含水率变化时高含冰量冻土的Mises准则的表达式,并采用塑性功作为硬化参数,得到高含冰量冻土的弹塑性本构模型。2围压对高含冰量冻结土的破坏本文试验选用的土样为青藏高原北麓河地区黏土,取样深度为天然地表下2~3m,其塑限WP为18.8%,液限WL为36.5%,颗粒成分如表1。土样是以粉质土和黏质土为主的低液限黏土。试验时将黏土击实到一定干重度,制备成直径为61.8mm、高度125mm的试样,抽气饱和后置于低温环境下冻结48h,然后将土样取出,装到MTS低温试验机,在特定温度下恒温24h后,施加轴向荷载。试样的平均干容重为18.1kN/m3。试样的初始含水率w为30.0%、50.0%和80.0%,试验温度为:-0.5℃、-1℃、-2℃、-4℃和-6℃共5种不同温度,温度控制精度为±0.1℃。围压从0.3MPa一直加到18MPa,剪切速率为2.08×10-2mm/s。图1为不同温度、不同含水率时的应力-应变曲线,从图中得出如下规律。(1)相同温度条件下的应力-应变曲线形态基本相同。这和吴紫汪等得出的冻土的破坏形式:土温低多呈脆性破坏,土温高成塑性破坏的描述是一致的。同一含水率时(w=50.0%),当T=-2℃,破坏时峰值点所对应的应变大部分在10%左右;在T=-4℃,破坏时峰值点处的应变大部分在7%左右;在T=-6℃,破坏时峰值点处的应变大部分在5%左右。说明随着负温的升高,冻土的脆性增加,破坏形式由塑性破坏逐渐向脆性破坏过渡。这种现象,主要是由于高含冰量冻土中未冻水含量随温度的变化造成的。因为随着温度的升高,高含冰量冻土中的未冻水含量也随之升高。而未冻水含量越高,冻土的黏性就会越强,越易于发生塑性破坏。同时,高含冰量冻土在高温条件下,其中的冰胶结物的强度较小,塑性较大,也易于发生塑性破坏。(2)在相同温度、相同含水率、不同围压条件下,应力应变曲线中峰值点的值相差不大。在T=-0.5℃时,峰值点值相差0.06MPa左右;在T=-1℃时,峰值点值相差0.08MPa左右;在T=-2℃时,峰值点值相差0.24MPa左右;在T=-4℃时,峰值点值相差0.36MPa左右。说明围压对高含冰量冻土强度的影响不是很大。图2为冻结黏土的表面破坏形式。从图2可见,与相同土质低含冰量冻结黏土的破坏形态对比发现,高含冰量样品破坏后外形变化不大,土样表面没有明显的裂纹,而低含冰量样品破坏后,土样微鼓,表面出现较为明显的斜裂纹,表现出明显的脆性破坏特征。主要原因还是由于高含冰量冻土中的未冻水含量较高,冻土的黏性较强,在加载后主要表现为塑性变形,所以破坏后无明显的外形变化。3土体强度的选取大量的试验证明,冻土三轴强度主要受三大因素影响:温度、围压和加荷速率。本试验采用了基本相同的加载速率,土体强度的选取原则为:在轴向应变ε1≤20%的范围内偏应力(σ1-σ3)有最大值时,选取最大值为破坏强度;没有最大值时,选取ε1=20%对应的值作为其破坏强度。对于高含冰量冻土,本文主要从温度、含水率和围压3个方面来讨论其三轴强度特征。3.1围压对冻土强度的影响通过CT与电镜扫描等手段,可以发现冻土内部存在大量的微裂缝、微裂隙等结构缺陷,这些缺陷都会影响其强度。而围压的增大,能够有效地闭合这些微裂纹、微裂隙,对冻土的强度有增大作用。但是一些学者发现,黏土的结冰温度随围压的增加而降低,两者呈线性关系,平均下降值为0.072~0.082℃/MPa,这就是冻土的压融现象。围压使冻土的实际有效负温有所减小,随围压的增大,冻土中孔隙冰的压融、冰晶体的塑性流动等,都会造成冻土强度的弱化。因此,一方面围压对冻土的强度有增大作用;另一方面,随围压的增大,发生了压融现象,又对冻土的强度产生了弱化作用。这两方面因素的共同作用,影响了冻结黏土的强度变化。3.2强度对温度的依赖性式中:T0为参考温度,T0=-1℃;Pa为标准大气压,Pa=1.01325×105Pa;a、b为试验系数,其中a反应了强度对温度的依赖性。通过试验,得到各个含水率下的a、b值见表2。从表2中可以发现,随着含水率的增大,a值逐渐减小,说明高含冰量冻土对温度的敏感性小于低含冰量冻土。3.3初始含水率对未冻水含量的影响徐学祖等通过研究发现,冻土中未冻水含量主要受初始含水率和干密度控制。冻土体中未冻水含量随初始含水率的增加而增加;并且在同一初始含水率条件下,温度高于某个值时,冻土中未冻水含量随试样干密度的增加而减小,这是因为在此温度下,干密度小的土样,其中的大孔隙多,其中多半含有薄膜水;而低于该值时,则表现出相反的规律,这是因为干密度大的土样具有较大的土水势,此时,土水势在各个因素中占主导地位。对于本文的试验,温度高于-1℃时,两方面的因素都使土体中未冻水含量随初始含水率增加而增加,减小了土颗粒间的摩擦作用,导致冻土的强度主要由土体中的冰控制,所以随含冰量的增加,冻土强度缓慢增加,变化不大;而当温度低于-1℃时,土体中未冻水含量一方面随初始含水率的增加而增加,另一方面随干密度的减小而减小,其中干密度的影响占优势,而此时土体强度也主要由土颗粒控制。其结果是,随初始含水率的增加,土体中土颗粒含量减小,冻土强度也逐渐降低。而当初始含水率增大到某个值后,土颗粒的影响已经减小,因此,当初始含水率继续增大时,冻土强度变化不大。可以判断出,随着初始含水率的继续增加,冻土的强度也将逐渐接近于纯冰的强度。也就是说,一定温度条件下,冻土中未冻水含量的变化规律不同,造成了最不利含水率的存在。4高含冰量冻土应力应变的计算通过以上的试验研究及分析可知,高含冰量冻结黏土的强度主要受温度和含水率的影响,围压对其强度的影响不大,因此可以采用Mises准则作为其强度准则,可表示为:式中:J2为应力偏量第二不变量,考虑到温度与含水率对强度的影响,通过多元回归分析,得到k的变化规律:式中:w为含水率;x1、x2、x3、x4为回归系数,由图4、图5可以得到,x1=6.4165,x2=7.7996,x3=5.3016,x4=1.0147。以试验值为横坐标轴,计算值为纵坐标轴,做出计算值与试验值的对比如图6所示。由图6中可以看出,所绘散点基本都在45°线附近,说明计算值与试验值吻合较好,故式(2)、式(3)能够较为准确地反映出高含冰量冻结黏土的三轴强度变化规律。根据经典的弹塑性理论,总应变由弹性部分和塑性部分组成,其增量形式为:式中:dεeij为弹性应变增量,可以由广义虎克定律得到;dεpij为塑性应变增量,采用塑性理论计算,这就需要得到材料的屈服函数,流动法则以及硬化规律。屈服函数f选用Mises屈服条件,即:根据经典弹塑性理论,可得:式中:[D]ep为弹塑性刚度矩阵;[D]为弹性刚度矩阵;F为塑性势函数;f为屈服函数;A为硬化模量。根据Drucker塑性公设,选用相适应性的流动法则,即塑性势函数与屈服函数相同,F=f,则由式(8)可以计算出每一步的弹塑性矩阵[D]ep,代入式(7)就可以得到高含冰量冻土应力-应变的全过程。利用语言编制了计算程序,得到了应力应变的计算值。图7是弹塑性本构模型在不同温度下、不同初始含水率、不同围压时的计算值与试验值比较。由图7可以看到,理论结果和试验结果吻合良好,能比较准确的反映高含冰量冻土的应力应变规律。由于试验曲线较多不能一一列出,故仅列出部分曲线。5高含冰量冻土的misen准则本文对青藏高原高含冰量冻土在不同温度、不同含水率条件下的常规三轴试验的结果进行了分析,得到以下结论:(1)高含冰量冻土的力学性质与初始含水率和温度有密切的关系。冻土强度表现出明显的温度依赖性,即随着负温的增大而增大;并且通过试验发现,T<-1℃时存在最不利含水率,而当T≥-1℃时不存在这种现象;(2)相同负温下抗剪强度随围压的变化不是很明显,故可以采用对静水压力不敏感的Mises准则作为其强度准则。本文给出了随温度、含水率变化时高含冰量冻土的Mises准则的表达式;(3)采用塑性功作为硬化参数,得到了高含冰量冻土的弹塑性本构模型。与试验值对比表明,该模型能够比较准确地反映高含冰量冻土的应力应变规律。图为不同温度、不同含水率下的冻土抗剪强度随围压的变化规律。从图可以看出,随围压的增大,强度基本不变;摩尔包络线几乎呈水平线,其三轴强度可取定值;内摩擦角几乎为0。这表明高含冰量冻结黏土的三轴应力大部分由其黏聚力承担,内摩擦力在强度中所起的作用较小。图4为冻土三轴强度随温度的变化。从图4可以看出,三轴抗剪强度表现出明显的温度依赖性,强度随负温的增加而提高,两者表现为线性的关系。究其原因,是因为高含冰量冻土的黏聚力主要受冰的控制,冰的内部联结作用对负温的变化极为敏感,随温度的降低,高含