凍土動態(tài)力學(xué)特性研究分析

陳文峰

凍土是由土顆粒、未凍水、冰及氣體組成的,是典型的多相體材料,構(gòu)成成分的復(fù)雜導(dǎo)致了其具有比較復(fù)雜的力學(xué)特性。國外人們對凍土的力學(xué)特性研究已經(jīng)有了長足的發(fā)展。我國從20世紀(jì)70年代修建青藏公路建設(shè)項(xiàng)目開始進(jìn)行了凍土的力學(xué)特性研究。目前對凍土力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐應(yīng)用絕大部分集中在凍土的靜態(tài)力學(xué)方面。動態(tài)力學(xué)性能研究大多是在低頻或小幅值的振動加載條件下的實(shí)驗(yàn)研究。凍土的動態(tài)力學(xué)特性研究對于西部大開發(fā)和利用凍土地區(qū)國土資源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,尤其在政治、軍事、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)上都有著極其重大而深遠(yuǎn)的意義。

1 研究現(xiàn)狀及分析

1.1 動力學(xué)參數(shù)

徐學(xué)燕[1]等對凍土動力參數(shù)進(jìn)行了研究,通過在MTS振動系統(tǒng)上施加循環(huán)荷載,測定在循環(huán)動應(yīng)力作用下的動應(yīng)力—動應(yīng)變關(guān)系曲線,間接得到凍土的動彈性模量表達(dá)式。而且她還根據(jù)大量土樣在循環(huán)周期荷載作用下得到的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行計(jì)算機(jī)擬合,并提出雙曲線是一個適宜的函數(shù)關(guān)系。國外Vision[2]等提出凍土的動阻尼比隨溫度的降低或頻率增加而變小;隨含水量和圍壓的變化動阻尼比變化較分散,但總體上隨含水量增加或圍壓變大呈稍微變大的趨勢。

何平[3]等對不同溫度、不同頻率和不同荷載等因素作用下的飽和凍結(jié)粉土進(jìn)行了單軸抗壓振動試驗(yàn),討論了最大應(yīng)力、應(yīng)變及溫度對動彈模的影響。為了能快速、準(zhǔn)確地測量凍土的凍土力學(xué)參數(shù),趙淑萍[4]等也對凍土動彈模、動阻尼比進(jìn)行了一定的研究,她通過對兩種不同路基凍土的動三軸實(shí)驗(yàn)研究分析了測試及其影響因素,得出如下結(jié)論：1)動彈模和動阻尼比隨加載頻率、溫度、含水量的變化規(guī)律相同。2)凍土的動彈性模量隨頻率的增加而增加,其中低頻時變化大,高頻時變化小,隨含水量的增加先增加后減少,在飽和含水量附近達(dá)到最大值。3)動阻尼比隨頻率的增加而變小,低頻的變化率小于高頻,隨含水量的增加比較分散,呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。而國外Vision[5]等人通過共振柱試驗(yàn)和循環(huán)動三軸試驗(yàn)研究動彈模結(jié)果發(fā)現(xiàn),在動三軸試驗(yàn)中,頻率和應(yīng)變幅值對動彈模的影響大于共振柱試驗(yàn)。吳志堅(jiān)[6]等通過模擬地震作用下的動三軸實(shí)驗(yàn),研究了重塑凍結(jié)蘭州黃土的動力學(xué)參數(shù),通過研究得出：1)在隨機(jī)變化的地震波型簡化為等效的等幅正弦循環(huán)荷載的作用下,不同溫度下的重塑凍結(jié)蘭州黃土的動應(yīng)力—動應(yīng)變關(guān)系曲線均可近似地用Hardin-Drnevich雙曲線模型來描述。2)建立了動彈性模量表達(dá)式及其參數(shù)的參考值。3)動彈性模量隨溫度的降低而增大,隨動應(yīng)變的增大而減小。

1.2 動應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及動強(qiáng)度

姜忠宇[7]等進(jìn)行了凍土在往復(fù)荷載作用下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的研究,他通過實(shí)驗(yàn)得出：1)凍土試樣的力學(xué)性能受試樣類型、含水量、溫度以及加載方式等因素的影響;同種試樣加載方式不同,力學(xué)參數(shù)有一定的差異。2)不同的加載方式對試樣抗壓強(qiáng)度的比值有著大致相當(dāng)?shù)挠绊?而試樣含水量與溫度的變化對其比值影響甚微。往復(fù)載荷作用下試樣的抗壓強(qiáng)度比軸向荷載下的小。3)不同的加載方式使試樣破壞應(yīng)變的比值變化范圍較大,與試樣含水量及溫度密切相關(guān)。王偉[8]等對引入強(qiáng)度因子概念對兩種傳統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變模型的數(shù)學(xué)局限性進(jìn)行了分析,并發(fā)現(xiàn)了擬合誤差,以期建立合理的相對獨(dú)立的應(yīng)力—應(yīng)變模型的數(shù)學(xué)特征方程。劉增利[9]等進(jìn)行了原狀凍土動單軸壓縮動態(tài)實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明原位凍結(jié)黏土試樣在不同加載速率下的單軸壓縮試驗(yàn),在快速和慢速加載速率下,壓縮曲線及試樣破壞特征均呈現(xiàn)明顯脆性特征,原狀凍土單軸壓縮下的彈性極限應(yīng)力及極限抗壓強(qiáng)度均隨著加載速率的降低而有明顯降低,而對應(yīng)的線彈性變形范圍及最大載荷變形范圍則與加載速率無關(guān),這些特征與已有重塑凍結(jié)黏土的研究結(jié)果具有明顯的不同。

動強(qiáng)度是指在恒應(yīng)變速率等幅動應(yīng)變?nèi)S、單軸試驗(yàn)中的動應(yīng)力峰值。其會影響動強(qiáng)度的因素有很多。沈忠言[10]等對凍土的動強(qiáng)度特性做了大量的研究工作,并提出了動強(qiáng)度的破壞準(zhǔn)則,即拋物線準(zhǔn)則。張淑娟[11]等也對凍土的凍強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,她通過單軸動荷載作用下試樣中的測溫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)有循環(huán)荷載作用時,隨著時間的變化,試樣中的溫度呈上升趨勢,上升值與加載頻率、動應(yīng)力幅及試樣的初始干密度、含水率等因素有關(guān),并在不同的條件下凍土動強(qiáng)度表現(xiàn)出了不同程度的損失,另外她還得出如下結(jié)論：1)在同一圍壓下,凍土動剪強(qiáng)度隨破壞振次的增加非線性減小;相同振次下,動強(qiáng)度隨圍壓的增大呈先增后減的非線性變化規(guī)律,而高圍壓下凍土的動強(qiáng)度比靜強(qiáng)度衰減得快。2)同一圍壓下,動強(qiáng)度隨損耗能的增多而逐漸減小,試樣中的溫度非線性升高。3)三軸動荷載作用下,額外的溫度抬升使試樣中的孔隙冰部分發(fā)生融化,未凍水含量增加,縮減了土顆粒間的膠結(jié)力和摩擦力,從而造成凍土動強(qiáng)度的衰減。上述兩人都對凍土的動強(qiáng)度作了研究,但他們實(shí)驗(yàn)采用的土質(zhì)是凍結(jié)粉土或凍結(jié)粉質(zhì)黏土,至于其他類型的土質(zhì)如黃土、砂土、粉土等的動強(qiáng)度如何有待研究。

1.3 動蠕變特性

朱元林[13]等通過對凍土動三軸蠕變實(shí)驗(yàn)研究用時間—溫度比擬法建立凍土在振動荷載作用下的動蠕變模型,并討論了該模型中各參數(shù)的物理意義及變化規(guī)律。李棟偉[14]等通過大量的凍土試驗(yàn)提出了基于損傷理論的蠕變本構(gòu)模型,該模型能較好的模擬凍土蠕變變形的全過程,并且與實(shí)測蠕變變形基本吻合。李海鵬[15]等通過三軸應(yīng)力狀態(tài)下蘭州黃土的動蠕變試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),破壞時間隨圍壓增大而增大,但隨著圍壓的進(jìn)一步增大而減小;相對應(yīng)的最小蠕變速率隨圍壓的增大而減小,但隨著圍壓的進(jìn)一步增大而增大。

1.4 其他學(xué)科和凍土力學(xué)結(jié)合起來的凍土動態(tài)力學(xué)特性研究

除了對凍土上述幾個方面的研究外,有些研究者將其他學(xué)科和凍土力學(xué)結(jié)合起來研究凍土的動態(tài)力學(xué)特性,來更深入研究凍土的破壞機(jī)理。如張樹光[16]將損傷力學(xué)與分形理論結(jié)合起來研究凍土在單軸壓縮應(yīng)力作用下?lián)p傷的動態(tài)演化規(guī)律。李洪升等將斷裂力學(xué)和凍土力學(xué)結(jié)合起來研究凍土的斷裂力學(xué)特性。馬芹永[17]將凍土力學(xué)和沖擊力學(xué)相結(jié)合研究了凍土在強(qiáng)沖擊荷載作用下的凍土動態(tài)力學(xué)特性,并重點(diǎn)進(jìn)行了凍土在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究,通過研究結(jié)果表明,同一應(yīng)變率下,凍土的動、靜態(tài)力學(xué)特性受溫度影響較大,其流動應(yīng)力隨溫度的降低而增加,同一溫度下,其流動應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加也將增加,然而對當(dāng)應(yīng)變率增加到某一值后,流動應(yīng)力隨應(yīng)變率的增加反而減小,說明凍土具有時溫等效性,另外凍土材料在破壞過程中由于受時溫等效性作用而表現(xiàn)出凍脆性和動脆性,他結(jié)合沖擊荷載作用下材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,擬合出凍土的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度的關(guān)系模型,該模型能夠反映凍土的溫度效應(yīng)。

2 展望

1)凍土的動力學(xué)參數(shù)是研究凍土動態(tài)力學(xué)參數(shù)的重要組成部分,通過研究發(fā)現(xiàn),目前對凍土動態(tài)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究大部分采用的是重塑土或原位融土,由于凍土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜性,以后采用原狀土、深厚凍土力學(xué)實(shí)驗(yàn)時可以模擬高圍壓狀態(tài)進(jìn)行凍土試樣的制作和動態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)來開展凍土動態(tài)力學(xué)參數(shù)的研究。2)原位測試應(yīng)能更準(zhǔn)確地了解凍土的實(shí)際內(nèi)部狀況。3)目前也初步確定了一些動本構(gòu)模型,由于凍土特殊的材料組成,受力的復(fù)雜性,動本構(gòu)模型的建立比較困難,以后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。4)很多凍土的動態(tài)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)都是采用某一土質(zhì)或某一方法進(jìn)行的,如果時間和條件等允許,以后可否考慮用不同的方法或土質(zhì)進(jìn)行動態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn),有待進(jìn)一步研究。

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