ms-800低温三轴仪上冻土力学试验方法研究

ms-800低温三轴仪上冻土力学试验方法研究

0冻土的力学性质土木工程工程中的“土木工程”是获取土木工程设计中物理力学指标的重要手段。通过土木工程测试，可以揭示土的工程性质和特点。因此，正确、合理的土壤指导试验是土壤指导理论研究和工程实践的重要组成部分。例如，水部发布的《国家行业标准》（sl2797-1999）和国家质量监督和建设部联合发布的《土壤测试方法标准》（gbt5012-1999）。冻土是由土、未冻水、冰和气体组成的四相体。冰的存在及其动态平衡允许冻土的力学特性对温度非常敏感。因此，冻土的力学性质不同于传统的耕作土壤。由于冷相和凝土的力学性质之间的差异，力学试验不能直接适用于冷相的试验方法。中国科学家也对冷土的力学性质进行了大量的试验研究。例如，keton等人在10c下进行了轴对称试验，ni翔等人进行了单轴的瞬态强试验和单轴的蠕变试验。bragg等人对冻土进行了单轴压缩和开裂试验，讨论了适应率、温度和样品尺寸对试验结果的影响。中国科学家也对冻土的力学性质进行了大量的试验研究。例如，clear和其他温度为10的冻土进行了轴对称试验，ni翔等人研究了单轴的瞬态强试验。对于什么样的昆虫，进行了单轴压缩和开裂试验，以研究了适应率。中国科学家也进行了大量的试验研究。例如，当君主和其他人通过实验条件试验时，用单轴的抗弯试验确定了单轴的测量强度和单轴的抗压强度。对于试验结果，如冷态和小气量。常晓等人研究了实验条件对冷土力学指标的影响，以及在冷土试验中建立了一些优化条件。沈仲燕等人对冻土的力学性质进行了大量的试验，并确定了单轴的张力试验、单轴抗压强度和抗压强度之间的关系。通过彭万伟的一次单轴拉伸试验，确定了样品单轴的张力和抗压强度之间的关系。通过野外试验和单轴抗压强度试验，讨论了冷带的抗压强度、抗压。上述关于冻土力学性质的研究可以归纳为两大类,一类是对冻土进行单轴应力状态下的力学试验,主要考察温度、应变率、含水量及干密度等因素对冻土单轴强度的影响,并对冻土的单轴蠕变行为进行模拟,提出了一些经验公式.另一类是对冻土进行轴对称三轴压缩试验,用以考察围压对冻土强度的影响,并提出相应的强度准则.这些研究主要是在简单应力状态下考察冻土的强度和蠕变特性,而在如寒区隧道开挖等许多工程实践中冻土常处于复杂的应力状态下,这需要在冻土中开展复杂应力路径下的力学试验,考察冻土在复杂应力状态下的强度和变形等力学特性,这也有助于在全应力空间上建立冻土的强度(屈服)准则.蠕变研究中常用单轴应力状态下的蠕变模型来模拟其他复杂应力状态下冻土的变形行为,并假设蠕变过程中体积不发生变化.而大量试验表明,即使在蠕变过程中冻土也会产生较大的塑性体积变形,并在达到一定的应力水平时还会出现和融土一样的体胀现象.为了进一步研究冻土的力学特性,建立较为全面的冻土本构模型,需要开展更多其它应力路径下的冻土力学试验,为此本文以MTS-810材料试验机改造而成的低温三轴仪(简称MTS-810低温三轴仪)及其配套的控制程序为试验设备,在该试验机上进行了冻土的两种各向等压试验和两种三轴剪切加卸载试验.研究了两种各向等压试验和两种三轴剪切加卸载试验的试验结果,分析了这些试验方法的适用范围.根据该试验机新增的控制程序功能,提出了在该试验机上实现等p试验的具体试验方案,丰富了冻土在复杂应力状态下的试验研究,为建立更为全面的冻土本构关系提供了一种新的试验手段,同时也有利于提高现有设备的使用效率.1试验设备和样品制备1.1低温浮动三轴试验本文采用的试验设备是由美国MTS公司生产的振动三轴材料试验机,试验机型号为MTS-810,经改进后能实现低温动静三轴试验,如图1.具有等速率载荷,等速率应变,等速率行程等控制模式,试验过程由试验机配套的控制程序自动控制,数据自动采集.试验机最大轴向负荷为100kN,最大轴向位移-85~85cm,围压加载范围为0~20MPa,围压加载系统的加压液体采用10号航空液压油,试验温度范围为-30℃至常温.1.2散土体法制备模具后冻结试验本文中的试验采用含水率为16.68%的饱和兰州黄土和含水率为12.68%的青藏沙土来制作冻土试样,冻土试样的制备采用文献中的方法.将土配制成含水量约为10%的散土体,并在限制蒸发条件下保持约6h,使土体均匀,然后在特制的圆柱型模具中按试验要求的干容重压制成高度为12.5cm、直径为6.18cm的圆柱土体.抽气饱水后将试样连模具一起放入制冷箱,从上到下在-30℃的环境中迅速单向冻结,冻结过程中从试样底部进行水分补给.冻结48h后将土样脱模,再放入试验温度下恒温12h以上进行试验.2静水压力试验各向等压试验(IsotropicConsolidationTest)用于研究材料在静水压力状态下的力学行为,在某些融土的弹塑性本构关系中用以确定土体的体积弹性模量和硬化定律.冻土的力学性质较一般的融土更为复杂,除了与融土一样具有体积压缩特性外,在一定的压力下冻土中的冰还会被压碎和压融,使得冻土的强度不再随围压增大而线性增加.为考察冻土在静水压力下的力学特征和获取某些冻土本构模型中的计算参数,本文应用MTS-810低温三轴仪对冻土进行了两种各向等压试验.第一种各向等压试验在轴向上采用力控制模式,记作ICT1;第二种各向等压试验在轴向上采用位移控制模式,记作ICT2.MTS-810低温三轴仪的轴向加载系统能实现力控制和位移控制两种控制模式,并与围压控制相互独立,因此这两种试验方法在理论上都是可以实现的.2.1轴向等压试验第一种各向等压试验方法ICT1是采取同时施加轴向压力和围压的方式来实现的,且在轴向上采用力控制模式.在给定的加载速率下,施加围压的同时在轴向上施加轴向压力F=σ3A0(式中:σ3为围压;A0为轴向加压系统柱塞的横截面积),这样该方法在理论上就可以实现各向等压的应力状态.采用ICT1进行冻土的各向等压试验,试样的体积变形按下述公式来计算:式中:Sh为围压加载系统活塞的横截面积;Cd为试验中活塞的当前位置;C0为试验开始时活塞的初始位置;Zd和Z0分别为轴向加压柱塞的当前位置和初始位置.ICT1在理论上可以实现冻土的各向等压试验.根据ICT1的控制方式,理论上能测到试样的轴向变形,MTS-810低温三轴仪又可以根据式(1)测到体积变形,根据轴向变形和体积变形,在轴对称条件下可以计算出剪切变形,从而可以考察静水压力对冻土剪切变形的影响.由于ICT1在轴向上是用力的方式控制试验,控制程序需要根据轴力传感器获取的轴力大小来决定是否移动轴向加压柱塞,因此只有保证稳定的轴力加载才能得到较为理想的试验数据.为在试验过程中保证加载系统的稳定性要求,试验前需要全部排空三轴压力室内的空气和液压系统管道中空气.为检验ICT1的实际可操作性,本文在最大围压加载至2MPa的应力水平下,应用ICT1对冻结沙土进行了各向等压试验,其试验结果如图2所示.试验表明,在较低的应力水平下容易保持系统的稳定,从而得到较好的试验数据.从式(1)可以看出,只有当轴向加压柱塞始终与试样接触时Zd-Z0才是试样的轴向变形,此时才能精确计算出试样的体积变形;当试样和轴向加压柱塞脱离时,Zd-Z0只是柱塞的轴向位移,而不是真实的试样轴向变形,这时就不能精确测量到冻土试样的体积变形.因此,在应用ICT1进行冻土的各向等压试验时,在围压加载前应先在轴向上对试样施加一个较小的轴力,这样确保在进行各向等压前轴向加压柱塞与试样顶面完全接触,从而保证能量测到精确的体积变形.另外,需要注意传感器等量测系统产生的误差也会使加载过程中轴力产生较大的波动,轴力的波动也可能使轴向加压柱塞与试样脱离.因此在ICT1的实际操作中,应当让机器运行稳定后再开始各向等压加载,在应力水平较高时这种情况更值得注意.2.2试样体积变形的测量为在现有的试验设备上实现更多种类的冻土力学试验,笔者根据MTS-810低温三轴仪及其控制系统的特点,提出第二种各向等压试验方法ICT2.在ICT2中采用位移控制模式限制轴向加压柱塞位移为0,整个试验过程仅由围压加载系统控制,利用围压加载时对轴向加压柱塞的反力使得整个压力室内始终保持均匀的静水压力状态.应用ICT2进行的各向等压试验中,试样的体积变形等于试验过程中压力室内液压油的进出量,所以不论轴向加压柱塞是否与试样接触,都能精确测定冻土试样的体积变形,试样体积变形按如下公式计算:通过具体的试验表明,ICT2能保证试验过程中所产生的偏差应力几乎在零附近波动,保证了试验的精度,而且获得的试验数据非常稳定.根据ICT2进行的各向等压试验效果如图3所示.与ICT1不同的是,ICT2在轴向上采用位移控制模式,限制轴向加压柱塞位移为零.因此,在试验中不能通过MTS-810低温三轴仪上已有的量测系统获得试样的轴向变形,若要得到试样的轴向变形还需采用其它测量手段.由于ICT2对试样的体积变形有较高的测量精度,笔者认为不排水的各向等压试验可以用来研究冻土中冰的压融现象.具体的方法是对抽气饱水后的冻土试样进行不排水的各向等压和卸载回弹试验.对于饱和的冻土试样,加载过程和卸载过程的体变差由两部分组成,一部分是压融发生时冰向水相变所引起的体积差;另一部分是冻土中固体颗粒的塑性体积变形.因此,在冻土中开展各向等压试验不仅能考察冻土的宏观变形特性,为建立冻土的本构关系提供试验手段,而且可以通过不排水各向等压试验考察饱和冻土中冰的压融现象.3低温三轴仪加装卸试验方法三轴剪切加卸载试验(TriaxialShearLoading-UnloadingTest)是岩土材料中常用的一种试验方法,可用于考察三轴剪切过程中岩土材料的弹塑性行为、滞回环效应以及在一些岩土材料的本构方程中作为获取弹性剪切模量的手段.为研究冻土的变形行为和建立冻土的弹塑性本构方程,在冻土中也需要开展三轴剪切加卸载试验,为此本节提出在MTS-810低温三轴仪上进行冻土的三轴剪切加卸载试验的两种试验方法,分别记为TSLUT1和TSLUT2,并根据具体的试验分析了这两种方法的适用性.3.1tslut1对冻结土的弹性模量的检测在不用考虑冻土的弹塑性耦合效应的情况下,实现TSLUT1的具体步骤如下:(1)将冻土试样在某个试验围压下固结.(2)固结完成后进行轴向加载,当轴力加载到某一定值F1时开始轴向卸载,将轴力卸载到F0=σ3A0(即卸载到轴向应力σ1=σ3的应力状态).(3)第(2)步中卸载结束后,重新将轴力加载到F1然后又将轴力卸载到F0,按加载(F1)-卸载(F0)-再加载(F1)的次序循环一定的次数,每次都是当轴力达到F1后再卸载到F0.本文应用TSLUT1对冻结沙土进行了三轴剪切加卸载试验,图4是其试验曲线.从图4中可以看到每一个循环中卸载曲线和再加载曲线围成一个封闭的环,该闭合环即为滞回环.卸载曲线和再加载曲线两个交点所连成的直线(图4中的虚线)的斜率近似为滞回环内的平均斜率,此直线的斜率即为冻土的弹性模量.因此,TSLUT1可以通过计算某一围压下前2~3个滞回环斜率的平均值来得到该围压下冻土的弹性模量,并通过不同围压下的试验得到围压与弹性模量之间的关系.在不计弹塑性耦合的情形下,TSLUT1的试验结果可以用于计算冻土的弹性模量.3.2tslut2试验为了考察冻土的弹塑性耦合和损伤等现象,笔者提出在MTS-810低温三轴仪上实现另外一种冻土的三轴剪切加卸载试验方法TSLUT2.TSLUT2是在某一围压下对冻土试样进行三轴剪切,当轴向应变达到εa1时开始第一次卸载,卸载到偏差应力为零(即σ1-σ3=0),再加载到轴向应变为εa2后开始第二次卸载,依此类推进行N次循环.应用TSLUT2进行冻土的三轴剪切加卸载试验的试验曲线如图5所示.本文的试验中相邻两次卸载时的应变差约为2%.试验表明,TSLUT2的试验成果可以用于分析冻土的弹塑性耦合性质,从图5中可知滞回环的斜率随着应变的增大而减小.表1列出了从左至右每个滞回环(图5中箭头上的数字为滞回环编号)的斜率,这说明本文中含水率为16.68%的冻结兰州黄土的塑性变形会改变其弹性性质,具有弹塑性耦合的特点.因此,应用TSLUT2来进行冻土的三轴剪切加卸载试验适用于考察冻土的弹塑性耦合现象.4试样轴向压降等p试验是指在土体的三轴试验中保持平均应力p=(σ1+σ2+σ3)/3为常数的试验,该试验主要用于考察不同的p值下等效剪应力对土体变形特性的影响.在某些融土的弹塑性本构关系中,需要用等p试验的试验结果来确定屈服面和硬化定律.在冻土中还尚未有等p试验的报道,为建立和检验冻土的弹塑性本构模型,需要获取冻土在更多的加载路径下的变形特性,因此有必要对冻土开展等p试验研究.本节提出一个在MTS-810低温三轴仪上实现冻土的等p试验的试验方案.从理论上来讲,等p试验只要在试验中保证Δσ1=-2Δσ3就能得到Δp=0的应力状态,然而在等p试验的实际加载过程中,围压增量Δσ3可以由围压加载系统直接控制,轴向加载系统只能控制轴力增量ΔF,轴向应力增量Δσ1=ΔF/A则需通过计算得到(A为试样的横截面积).在试验中冻土试样轴向受到压缩,横截面积A不断变大,要准确计算每一级施加的ΔF就必须预先测算每一级加载时试样的横截面积A.横截面积A根据下式计算式中:εv为体积应变;ε1为轴向应变.这样就可以根据ΔF=Δσ1A=-2Δσ3A来计算每一级需施加的轴力.然而试验未完成时不能计算出εv的值,因此也无法得到每一级加载时的A和ΔF.为此,本文提出一种能比较准确计算出每一级的A和ΔF的方案,具体步骤如下:(1)根据ε1一般远大于εv的事实,首先用A’=A0/(1-ε1)代替式(3)来计算每一级冻土试样的横截面积,从而由Δp=ΔF/A+2Δσ3=0确定每一级的轴力增量ΔF及对应的围压增量Δσ3来进行等p试验.试验过程中应将每一级的轴向应变增量Δε1取得足够小以保证每一级的A’变化不大,建议取Δε1=0.05%.(2)应用第一步中的试验成果计算体积应变εv,再根据式(3)计算在第一步试验中试样真实的横截面积A,并由p=(F/A+2σ3).计算出整个试验过程中的平均应力p值.如果计算出来的p值在允许的误差范围内可以看作是常数,则第一步中的试验即可当成精度足够的等p试验.若p的值在试验过程中变化较大不能视为常数,则可根据第一步的试验成果得出轴向应变ε1和试样横截面积A的关系式A=f(ε1).(3)根据第二步中得到的ε1~A关系设置每一级的A,再采取与第一步相同的方式得到每一级的ΔF、Δσ3进行等p试验.试验结束后计算真实的A和p,如果p值的变化在精度的允许范围内可以视作等常数,则该试验就是等p试验.若不然,则根据新的ε1~A关系再进行等p试验,反复迭代,直到p的值满足真正的等p试