分级循环荷载作用下冻结粉质黏土的轴向变形特征

分级循环荷载作用下冻结粉质黏土的轴向变形特征

0冻土动力残余变形影响机理目前，很少有关于冷冻土壤肥力变化的研究，也没有关于冷冻土壤肥力稳定性的文献。然而,列车往返行驶的动载对冻土场地路基变形的影响已有事例,如中国青藏铁路通车不到两个月便出现部分冻土区段路基下沉与开裂现象,从而引起铁路部门高度重视。鉴于此,本文直接针对中国青藏铁路列车往返行驶的振动对冻土路基产生的相当于长期动荷载作用下的疲劳破坏效应,考虑冻土动力残余变形受负温、频率、振幅、含水率、振动持时等多种因素影响,基于低温动三轴试验,研究冻土动应变速率及其主要影响因素,并合理解释冻土特有的振融沉陷的成因机理。有利于合理预测冻土区铁路工程在交通荷载作用下由冻土动力残余变形而产生的沉降量,并对于进一步研究冻土路基列车行驶振陷问题具有重要意义,且为建立冻土疲劳模型积累基础试验成果。1试验计划1.1验仪器与试验材料本试验是在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室进行,试验仪器为美国MTS公司生产的MTS-810型振动三轴材料试验机,配有自动数控与数据采集系统,围压范围0~20MPa,负温范围为常温~-30℃,频率范围为0~50Hz,最大轴向负荷为250kN,最大轴向位移为50mm。1.2土、基动力特性试验采用的土样为青藏铁路北麓河黏土,其物性指标如表1所示。试验检测分别依据土工试验方法标准(GB50123/T—99)、地基动力特性测试规范(GB50269/T—97)制备人工冻结法重塑土试件。为确保试验结果的可比性,采用标准方法批量制备试件,制成试件直径61.8mm、高度120mm,置于-30℃下快速冻结48h后脱模,在试验负温下恒温24h,放进三轴低温压力腔中等压固结2h。1.3试验加载制度轴向动荷载为压–压型正弦波,由最大应力、最小应力及频率决定。为了更好地模拟交通荷载对应变速率的影响,将最大应力作为变量,采用分级循环加载;每级循环加载振次控制为10次左右为宜,本试验振次取12次。加荷级数为12级,同一围压下各试件的动荷载相同以资对比研究(见表2)。试验控制条件见表3,共考虑五种不同温度、频率、围压和含水率下的变形特性试验。2应力作用前试样初始高度之比残余应变是动应力作用停止后土体残留的应变值,而在动三轴振陷试验中则为动应力作用前后试样的高度差与动应力作用前试样初始高度之比。通常取σd=0时的应变为残余应变,即K点应变为定义的残余应变εpd(见图1)。根据每次循环动力荷载作用下的残余应变可绘制εpd-t关系曲线,取每级荷载作用结束时的切线斜率定义为本级荷载作用下的轴向动应变速率εpd(见图2),也是每级循环加载最后一振次的轴向动应变速率。3弱化作用表现出稳定性给冻土施加荷载后,冻土中将同时发生强化作用和弱化作用。初始应变阶段,强化作用占优势;随后,弱化作用表现出来,与强化作用相平衡;最后,弱化作用占优势,土体中开始出现破坏。因此,循环动力荷载作用下冻土变形关系复杂,且受温度、围压、频率、动应力幅值和应力历史等多种因素影响,基于本试验资料对动应变速率影响因素分析如下。3.1应力状态分析动三轴试验中试件的轴向应变主要由剪应变引起,并且轴向动应变速率受动应力幅值大小和动力作用前土柱所受静应力水平的影响很大。故此,本文引入八面体应力比来反映动三轴试验中土柱的应力状态,对比分析后采用指数函数表达动应变速率与应力状态之间的关系:式中为轴向残余应变速率;ζ为应力比系数,ζ=τ8dτ8=σd(σ1-σ3);τ8为八面体静剪应力;τ8d为循环动应力单独作用下引起八面体上的动剪应力幅;σd为轴向动应力幅;A,B为与温度、含水率、围压和持时等因素有关的拟合参数。利用MATLAB7.0进行回归分析,得到各种试验条件下所得的轴向应变速率与应力比ζ关系曲线见图3,拟合参数见表3。从图3中,总体上可以看出,试件轴向动应变速率均随应力比的增大而增大。3.2温度对抗动力荷载性能的影响负温是冻土轴向动应变速率影响因素中所特有的影响因子。在相同的f,σ3,w和ζ条件下,冻土温度θ为-2℃时,最大;且随温度的降低按幂函数规律迅速衰减,当温度低于某值时,值趋于稳定(图4、5)。另外,从图中也可以看出,高温冻土的动应变速率比低温冻土大很多,表现出高温冻土动强度低,抗动力荷载性能差。低温冻土强度高的主要原因是土体水分随负温值增大而不断冻结,未冻水量减少,含冰量增加,土与冰的胶结能力增强。bpdε=aθ3.3含水率对冻土强度的影响在相同的f,σ3,θ和ζ条件下,低含水率(w≤0.15)时冻土大,当含水率w≥0.21时,含水率对影响不大(图6,7)。其原因在于,当含水率较低时,冻土的含冰量低,土与冰的胶结能力弱,冻土强度低,变形就大;随含水率的增加含冰量增加,土与冰的胶结能力增强,冻土强度增大,增大到一定数值后,随着含水率继续增大强度减小,最后趋于一稳定值。3.4残余应变试验在相同的w,σ3,θ条件下,应力比ζ较小时频率对影响不明显;随着应力比ζ的增大,频率对影响较大,低频更容易使冻土发生残余应变;随着频率的增加而减小,可用幂函数拟合(图9,10)。频率对轴向应变速率的影响反映了时间效应。冻土的强度随时间会衰减,加荷速度就对冻土的强度有很大的影响。频率越小,加载和卸载的速度都慢,冻土的各种强度也越小,刚性也差,就大;当加载频率处于高频范围内时,加载和卸载的速度都比较大,上述时间效应都不明显,所以的值变化不大。3.5不同应力比,不同斜率在相同的w,f,θ和ζ条件下,试验围压0.5~1.5MPa范围内,随围压的增加而增大,近似服从直线分布,且应力比越大,斜率越大(图10,11)。围压影响冻土力学性质的原因在于矿物颗粒间接触点和接触区上的外压力转变成巨大的局部应力,从而导致冰的融化和流动以及水向低应力区迁移。冰的局部压融和流塑性导致冰重分布和冰晶重新定向,减低了冰的黏聚力,另外,未冻水迁移和重分布,其润滑作用减小矿粒间摩擦,有利于矿粒位错和定向排列。4应力比系数及轴向应变速率本文基于不等幅值循环荷载作用下低温动三轴试验资料,研究了动应力幅、温度、含水率、频率和围压对轴向残余应变增长速率的影响,在试验条件范围内,得到以下结论:(1)动应力幅对动应变速率影响大,应力比系数能反映轴向残余变形产生的实质,动应变速率随着应力比的增加而增加。(2)动应变速率随温度降低、频率升高、含水率升高而衰