凍土原位旁壓蠕變?cè)囼?yàn)粘彈性模型分析

張虎 張建明 蘇凱 劉世偉

摘要：研究高溫高含冰量?jī)鐾恋娜渥兲匦裕捎肕enard旁壓儀在青藏高原多年凍土區(qū)開(kāi)展了大量的旁壓蠕變?cè)囼?yàn)，利用Merchant粘彈性模型對(duì)蠕變曲線進(jìn)行回歸分析并得到模型參數(shù)。結(jié)果表明，溫度對(duì)高溫凍土力學(xué)性質(zhì)的影響要大于含水量。隨著壓力的增加，每級(jí)壓力下凍土的瞬時(shí)應(yīng)變?cè)诳倯?yīng)變中所占的比例逐漸減小?；貧w分析發(fā)現(xiàn)，瞬時(shí)剪切模量與負(fù)溫的絕對(duì)值呈線性關(guān)系，而延遲剪切模量和粘滯系數(shù)與負(fù)溫的絕對(duì)值之間為冪函數(shù)關(guān)系；當(dāng)凍土的含水量達(dá)到46%時(shí)，各參數(shù)均出現(xiàn)峰值，而后緩慢減小，此結(jié)果與低溫凍土有所差別。

關(guān)鍵詞：青藏高原；高溫高含冰量?jī)鐾?；旁壓儀；粘彈性

中圖分類號(hào)：TU413.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2013）06002206

高溫凍土由于含有大量的未凍水，所以物理力學(xué)性質(zhì)非常的不穩(wěn)定，具有強(qiáng)度小，壓縮性大，對(duì)溫度非常敏感的特性[12]。在青藏高原，高溫凍土的分布是非常廣泛的[3]，同時(shí)近年來(lái)高溫凍土區(qū)的工程活動(dòng)也在不斷增加。為了保證該地區(qū)工程建筑的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)高溫凍土尤其是高溫高含冰量?jī)鐾廖锢砹W(xué)性質(zhì)的深入研究也變得越來(lái)越重要。

旁壓儀作為一種方便操作的原位試驗(yàn)裝置在凍土力學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用[47]。利用旁壓儀不僅可以得到凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線[89]，還能得到凍土的一些蠕變參數(shù)[1011]。Ladanyi[12]在凍土區(qū)開(kāi)展了大量的旁壓蠕變?cè)囼?yàn)后提出了一種冪函數(shù)模型來(lái)描述旁壓試驗(yàn)的衰減蠕變。Murat等[13]采用這種冪函數(shù)模型分析了海冰中旁壓蠕變的試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)此模型進(jìn)行了改進(jìn)。馬小杰等[14]在青藏高原凍土區(qū)開(kāi)展了短期旁壓蠕變?cè)囼?yàn)，采用此模型進(jìn)行了參數(shù)反演，分析了模型參數(shù)與溫度、含水量之間的關(guān)系。

上述蠕變模型為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其參?shù)并沒(méi)有明確的物理含義。為了更方便地進(jìn)行高溫凍土的變形計(jì)算，從實(shí)際工程角度出發(fā)，選擇一種表述簡(jiǎn)單、參數(shù)意義明確的模型成為亟待解決的問(wèn)題。Merchant模型是一種能夠反映一般線性粘彈性材料全部特性的模型，該模型參數(shù)較少，使用簡(jiǎn)便，在土力學(xué)中得到非常廣泛的應(yīng)用[15]。本研究利用旁壓儀在青藏高原凍土地區(qū)進(jìn)行了原位旁壓蠕變?cè)囼?yàn)，并利用Merchant模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出各試驗(yàn)的模型參數(shù)，并得到了參數(shù)與影響因素的關(guān)系。張虎，等：凍土原位旁壓蠕變?cè)囼?yàn)粘彈性模型分析1試驗(yàn)場(chǎng)地

1.1場(chǎng)地介紹

試驗(yàn)場(chǎng)地位于青藏高原腹地風(fēng)火山北坡北麓河盆地，見(jiàn)圖1。此地平均海拔4 618 m，寒冷干旱，年平均氣溫為-3.8℃，極端最高氣溫23.2℃，極端最低氣溫-37.7℃[16]。該地區(qū)地表平坦、植被稀疏，表面多粉砂，附近多熱融湖塘。據(jù)試驗(yàn)前鉆探資料顯示，該場(chǎng)地多年凍土厚度大于15.0 m，天然上限深度一般為2.5～3.0 m，上限以下3.0～3.5 m范圍內(nèi)地下冰比較發(fā)育，凍土年平均地溫為-0.3～-1.2℃，屬高溫不穩(wěn)定多年凍土區(qū)。

1.2試驗(yàn)點(diǎn)凍土條件

由于凍土地溫觀測(cè)的需要，此場(chǎng)地內(nèi)安裝有很多的測(cè)溫電纜，為了得到旁壓試驗(yàn)處凍土的真實(shí)溫度，我們盡量將試驗(yàn)孔位靠近測(cè)溫電纜。除了溫度外，含水量也是影響凍土力學(xué)性質(zhì)的主要因素之一。因此，為了得到凍土的含水量，我們?cè)阢@孔時(shí)將試驗(yàn)深度處的凍土取樣、烘干，測(cè)量含水量。所有試驗(yàn)點(diǎn)的深度、土質(zhì)、溫度和含水量見(jiàn)表1。由表中可以看出，所有試驗(yàn)的土質(zhì)均為粘土；試驗(yàn)深度范圍為2.6～6.4 m，平均深度為4.2 m；試驗(yàn)點(diǎn)溫度范圍為-0.23～-1.26℃，平均值為-0.59℃；含水量范圍為15.9～94.2%，平均值為34.8%。從凍土條件來(lái)看，旁壓試驗(yàn)結(jié)果能夠反映高溫-高含冰量?jī)鐾恋奶卣鳌?試驗(yàn)儀器與操作

2.1試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用的旁壓儀為Menard預(yù)鉆式旁壓儀，試驗(yàn)時(shí)首先在土中鉆一豎向鉆孔，再將旁壓探頭下放到孔內(nèi)預(yù)定的試驗(yàn)深度進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。旁壓儀由3部分組成： G型旁壓探頭、壓力控制系統(tǒng)，壓力源，如圖2。本儀器的工作原理是由外部壓力源提供壓力，然后利用壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)由液體介質(zhì)傳遞到旁壓探頭的壓力值，從而使得孔壁在壓力下水平擴(kuò)張。為了防止儀器中的液體在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生凍結(jié)，傳壓介質(zhì)采用的是稀釋了一半的防凍液。

2.2鉆孔與試驗(yàn)操作

旁壓探頭外徑為74 mm，高度為40 cm。在鉆孔時(shí)，選取的鉆頭外徑為76 mm，那么鉆取的孔徑略大于旁壓探頭外徑而使得探頭很方便放入孔中。鉆孔深度一般比預(yù)定試驗(yàn)深度略深30 cm左右，以保證旁壓探頭上下兩端能夠同步受壓膨脹。本次共開(kāi)展了17個(gè)旁壓蠕變?cè)囼?yàn)：分為第3組和第4組（如表1中試驗(yàn)號(hào)所示）。試驗(yàn)均采用等壓力加載形式，第3組加載等級(jí)為0.15 MPa，每次加載后持續(xù)約60 min。第4組加載等級(jí)為0.3 MPa，加載后持續(xù)時(shí)間各不相同，最長(zhǎng)為420 min，最短為120 min。加載期間每隔1～10 min記錄一次壓力和體積讀數(shù)。當(dāng)旁壓儀體積讀數(shù)達(dá)到750 cm3時(shí)停止試驗(yàn)。 3試驗(yàn)結(jié)果

在旁壓蠕變?cè)囼?yàn)中，蠕變應(yīng)變?cè)诿考?jí)壓力下的變化特征如圖3所示 （圖中旁壓蠕變應(yīng)變?chǔ)攀侵缚锥吹陌霃阶兓颗c孔洞初始半徑之比）。從曲線整體趨勢(shì)來(lái)看，凍土的應(yīng)變隨壓力增大不斷增加，而且其應(yīng)變速率也逐漸增大；而在每級(jí)壓力下，凍土首先發(fā)生瞬時(shí)變形，然后發(fā)生蠕變，蠕變曲線均呈現(xiàn)衰減型。觀察發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)開(kāi)始后在前1或2級(jí)壓力下的瞬時(shí)應(yīng)變較后面幾級(jí)壓力下的瞬時(shí)應(yīng)變要大得多，這說(shuō)明鉆孔過(guò)程中孔壁周圍的原始地應(yīng)力得到釋放而使凍土的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的改變；當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到凍土的原始地應(yīng)力水平時(shí)，凍土的結(jié)構(gòu)才基本恢復(fù)。所以在分析試驗(yàn)結(jié)果時(shí)一般要將受到擾動(dòng)下的數(shù)據(jù)點(diǎn)排除掉。

3.1不同溫度、含水量下蠕變曲線對(duì)比

以0.9 MPa壓力下的蠕變?cè)囼?yàn)為例，圖4表示不考慮凍土瞬時(shí)變形時(shí)，在溫度或含水量相近的情況下凍土的蠕變曲線對(duì)比。試驗(yàn)41與試驗(yàn)49的含水量相近而溫度相差較大，分別為-1.13、-031℃。明顯可見(jiàn)，在某一相同時(shí)刻前者的應(yīng)變速率及應(yīng)變量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者，這說(shuō)明溫度對(duì)凍土的流變性影響很大，溫度越高流變性越強(qiáng)。試驗(yàn)48與試驗(yàn)49的溫度相近，而含水量分別為621%和28.8%。可以看出，前者的應(yīng)變速率與應(yīng)變量要大于后者，不過(guò)相差幅度卻并不大，說(shuō)明含水量對(duì)凍土流變性有一定的影響，但是影響程度不如溫度顯著。故可得出結(jié)論：與凍土含水量相比較，溫度是影響凍土變形性質(zhì)的主要因素。

3.2瞬時(shí)應(yīng)變與總應(yīng)變分析

從圖5中可以看出，將受到擾動(dòng)下的數(shù)據(jù)點(diǎn)排除后，在較低壓力時(shí)凍土的瞬時(shí)變形較小，而且每級(jí)壓力下的數(shù)值基本保持不變；而當(dāng)壓力增加到一定數(shù)值時(shí)瞬時(shí)應(yīng)變迅速增加。造成這種變化特征的原因是在壓力較小時(shí)，凍土的結(jié)構(gòu)雖然發(fā)生改變，但是仍在承受范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)生破壞；當(dāng)壓力達(dá)到一定值后其結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生破壞，導(dǎo)致變形急劇增加。然而，每級(jí)壓力下的總應(yīng)變隨壓力的增加一直呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且增加速率不斷加大。與瞬時(shí)應(yīng)變趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，總應(yīng)變也出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前總應(yīng)變的增加速率較小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后總應(yīng)變的增加速率明顯增大而且?guī)缀醣３趾愣ā?/p>

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)高溫高含冰量?jī)鐾灵_(kāi)展原位旁壓試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）含水量相近時(shí)溫度越高凍土的流變性越大；溫度相近時(shí)含水量越高凍土的流變性越大，然而其對(duì)凍土流變性的影響不如溫度顯著。

2）當(dāng)壓力較小時(shí)，凍土大體表現(xiàn)為彈性變形，其應(yīng)變隨壓力按比例增加；當(dāng)壓力超過(guò)一定值后，其結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生破壞，導(dǎo)致變形加速增長(zhǎng)。在每級(jí)壓力下凍土的瞬時(shí)應(yīng)變?cè)诳倯?yīng)變中所占的比例平均為4%，此比例隨著壓力持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。

3）利用Merchant粘彈性模型對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行回歸分析得到了模型中的力學(xué)參數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，G1與負(fù)溫的絕對(duì)值呈線性關(guān)系，而G2和η與負(fù)溫的絕對(duì)值為冪函數(shù)關(guān)系；當(dāng)含水量增加到46%時(shí)，各參數(shù)均出現(xiàn)峰值，而后緩慢減小，此結(jié)果與低溫凍土有所差別。

4）本文是對(duì)原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的一個(gè)定性分析，將模型中各參數(shù)與影響因素之間的關(guān)系定量化是下一步工作的重點(diǎn)。

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