動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞特性試驗(yàn)研究

栗曉林，王紅堅(jiān)，鄒少軍，江聰，牛永紅

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動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞特性試驗(yàn)研究

栗曉林1, 2，王紅堅(jiān)3，鄒少軍3，江聰4，牛永紅1

(1. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州，730000；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049；3. 中國(guó)人民解放軍63983部隊(duì)，江蘇 無(wú)錫，214035；4. 蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州，730000)

對(duì)凍結(jié)黏土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和振動(dòng)荷載試驗(yàn)，研究靜?動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土的破壞強(qiáng)度、起始屈服強(qiáng)度、破壞應(yīng)變、破壞時(shí)間、破壞應(yīng)變比能，并進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度和起始屈服強(qiáng)度隨溫度降低而顯著增大，振動(dòng)頻率的影響較??；凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間隨溫度降低呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，溫度的降低導(dǎo)致凍結(jié)黏土脆性增強(qiáng)；凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能是衡量?jī)鼋Y(jié)黏土抵御破壞能力的指標(biāo)，隨溫度降低而增大，振動(dòng)頻率的影響規(guī)律不明顯；在振動(dòng)荷載作用下，破壞強(qiáng)度和起始屈服強(qiáng)度增大，破壞應(yīng)變、破壞時(shí)間和破壞應(yīng)變比能減小，振動(dòng)荷載使得凍結(jié)黏土脆性增強(qiáng)，并且有利于破壞凍結(jié)黏土。

凍結(jié)黏土；破壞強(qiáng)度；破壞應(yīng)變；破壞應(yīng)變比能

在寒區(qū)工程如道路路基、橋梁樁基、油氣管道、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)以及工業(yè)民用建筑物的建設(shè)過(guò)程中，由于凍土的特殊性使得工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)難度加大，而且在許多工程中必須去除凍土地基來(lái)達(dá)到構(gòu)筑物的穩(wěn)定性，因此人們迫切需要了解凍土的破壞特性，如破壞應(yīng)力、破壞應(yīng)變、破壞時(shí)間以及破壞應(yīng)變比能等。一直以來(lái)，凍土的破壞特性是凍土力學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了許多試驗(yàn)研究，并得到一些重要結(jié)論。HAYNES等[1?6]通過(guò)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究了含水率、干密度、溫度、應(yīng)變速率對(duì)凍土破壞強(qiáng)度和破壞應(yīng)變的影響規(guī)律，并指出溫度、應(yīng)變速率是主要的影響因素。CHAICHANAVONG等[7?13]開(kāi)展了大量振動(dòng)荷載試驗(yàn)，得出溫度、圍壓、應(yīng)變速率、動(dòng)應(yīng)力(幅值和頻率)等與凍土動(dòng)強(qiáng)度和累積應(yīng)變的變化關(guān)系。王麗霞等[14]利用低溫動(dòng)、靜三軸試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行凍土的動(dòng)、靜強(qiáng)度對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)溫度、含水率對(duì)動(dòng)?靜強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角影響規(guī)律相同。謝和平等[15?19]從能量耗散與釋放的角度研究巖石的變形破壞，分析其物理機(jī)理，并通過(guò)應(yīng)變能密度理論建立巖石破壞的能量判別準(zhǔn)則。李夕兵等[20?21]研究了動(dòng)靜荷載作用下，巖石變形破壞過(guò)程中能量的變化，通過(guò)滯回環(huán)面積反映積聚能量的大小，并使用應(yīng)變能密度定義巖石的破壞準(zhǔn)則。此外，研究者們通過(guò)研究?jī)鐾恋膽?yīng)力?應(yīng)變關(guān)系，建立了能夠反映凍土力學(xué)特性的本構(gòu)模型。雖然前人對(duì)凍土的破壞特性進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于破壞應(yīng)變比能的研究較少，而且這些研究基本都從力和變形的角度進(jìn)行分析，并局限于破壞應(yīng)力或破壞應(yīng)變，不能充分反映凍土的破壞特性，因此，本文作者從力、變形和能量的角度對(duì)凍結(jié)黏土破壞特性進(jìn)行研究，并根據(jù)凍結(jié)黏土的靜?動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)凍結(jié)黏土破壞參數(shù)的進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用MTS?810型低溫單軸材料試驗(yàn)機(jī)，并通過(guò)控制時(shí)間、力、位移進(jìn)行加載試驗(yàn)。該儀器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：最大軸向負(fù)荷為50 kN，最大軸向位移為±85 mm，振動(dòng)頻率范圍為0~50 Hz，溫度范圍為?30~25 ℃(室溫)。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)土樣為吉林延吉黏土，其黏聚體粒徑分布如表1。參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[22]制備重塑土樣，步驟如下：1) 將野外取回的土樣自然風(fēng)干、碾壓、過(guò)篩，并測(cè)定不同黏聚體粒徑的土樣的初始含水率；2) 分別取不同黏聚體粒徑的土樣，加入蒸餾水配置成含水率為30%的黏土，限制蒸發(fā)保濕24 h，使得土樣中各點(diǎn)處水分均勻；3) 將制備好的土樣用壓樣機(jī)壓成直徑為61.8 mm，高度為125 mm的圓柱試樣，并放入?30 ℃的冷凍箱里快速凍結(jié)48 h；4) 脫模，細(xì)加工，套橡膠膜，放入恒溫箱，按照設(shè)定溫度恒溫24 h，保持土樣溫度整體一致，然后進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 試樣黏聚體粒徑分布

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要進(jìn)行低應(yīng)變速率條件下凍土破壞特性研究，故單軸壓縮試驗(yàn)采用恒加載速率加載方式，加載速率為20 mm/min，振動(dòng)荷載試驗(yàn)采用基于凍土靜強(qiáng)度的凍土動(dòng)強(qiáng)度研究方法，即以恒應(yīng)變速率增長(zhǎng)的等幅動(dòng)應(yīng)變加載方式，振動(dòng)荷載如圖1所示，圖1中斜線表示試驗(yàn)中施加的加載速率，加載曲線是以斜線為均值的正弦曲線，試驗(yàn)條件如下：試驗(yàn)溫度為?3，?10和?20 ℃，加載速率為20 mm/min，振動(dòng)頻率為1，3，5，8，10，13，15，18和20 Hz。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：將試樣放入試驗(yàn)所要求溫度條件下恒溫24 h，然后在設(shè)有恒溫箱的單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行恒加載速率和不同振動(dòng)頻率條件下的單軸壓縮試驗(yàn)和振動(dòng)荷載試驗(yàn)，所有試驗(yàn)均在凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室凍土材料試驗(yàn)機(jī)上完成。

圖1 振動(dòng)荷載加載示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

在各振動(dòng)頻率下，凍結(jié)黏土應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)變化相似，故選用?10 ℃，20 mm/min和?10 ℃，10 Hz的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線來(lái)表示靜?動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土的相應(yīng)變化(見(jiàn)圖2)，凍結(jié)黏土應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線都經(jīng)歷了壓密閉合階段、線彈性階段、峰前塑性變形階段和峰后軟化階段，但２種不同加載方式作用下凍結(jié)黏土應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線存在很大差異。在振動(dòng)荷載作用下，線彈性階段較靜荷載持續(xù)較長(zhǎng)，應(yīng)力峰值較大，而且峰后軟化階段應(yīng)力減小速率較快，說(shuō)明振動(dòng)荷載使得凍結(jié)黏土彈性性能增強(qiáng)，抵抗變形能力增大，脆性增強(qiáng)。

1—?jiǎng)虞d；2—靜載。

3 討論

為了探索靜?動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞特性的差異，進(jìn)行了一系列單軸壓縮試驗(yàn)和振動(dòng)荷載試驗(yàn)，并通過(guò)改變溫度、振動(dòng)頻率來(lái)研究振動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土的破壞特性。

3.1 強(qiáng)度特性分析

3.1.1 破壞強(qiáng)度特性

圖3所示為不同溫度條件下凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度隨振動(dòng)頻率變化關(guān)系。由圖３可見(jiàn)，隨溫度的降低，凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度變化很大，而振動(dòng)頻率對(duì)凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度的影響不明顯，因此在不同溫度和振動(dòng)頻率條件下凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度可取其平均值進(jìn)行研究。在?3，?10和?20 ℃試驗(yàn)溫度條件下，凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度的平均值分別為2.295，5.393和9.215 MPa。

溫度/℃：1—?3；2—?10；3—?20。

受到振動(dòng)荷載作用時(shí)，凍結(jié)黏土的破壞強(qiáng)度與恒加載速率作用下的破壞強(qiáng)度不同。為了將振動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果和單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果建立聯(lián)系，選取不同溫度條件下，加載速率為20 mm/min的靜荷載破壞強(qiáng)度和振動(dòng)荷載破壞強(qiáng)度的平均值進(jìn)行比較，見(jiàn)圖4。由圖４可知：在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度均大于相應(yīng)加載速率下的破壞強(qiáng)度，振動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度分別為相應(yīng)恒加載速率下的1.205，1.318和1.115倍。在２種不同加載方式作用下，凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度均隨溫度降低而增大，但是振動(dòng)荷載作用下，將引起常規(guī)試驗(yàn)測(cè)量意義上凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度的增大，振動(dòng)荷載對(duì)凍結(jié)黏土的作用結(jié)果是得到以更高速率的恒應(yīng)變速率荷載作用的效果，因此可以認(rèn)為在振動(dòng)荷載情形下，凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度的提高是由振動(dòng)荷載的速率效應(yīng)引起的。

圖4 靜?動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度對(duì)比

3.1.2 起始屈服強(qiáng)度

圖5所示為不同溫度條件下凍結(jié)黏土起始屈服強(qiáng)度隨振動(dòng)頻率變化關(guān)系。由圖5可見(jiàn)：在不同溫度和振動(dòng)頻率條件下，凍結(jié)黏土的起始屈服強(qiáng)度隨溫度降低而增加，振動(dòng)頻率對(duì)起始屈服強(qiáng)度的影響較小，但影響程度與溫度有關(guān)，隨溫度的降低而增大。在?3，?10和?20 ℃下，凍結(jié)黏土起始屈服強(qiáng)度平均值分別為1.206，2.673和4.620 MPa。

溫度/℃：1—?3；2—?10；3—?20。

起始屈服點(diǎn)反映出應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線由線彈性階段向塑性變形階段的過(guò)渡，并且起始屈服強(qiáng)度表示試樣彈性變形所承受的最大強(qiáng)度，也是試樣開(kāi)始發(fā)生塑性變形的最小強(qiáng)度。在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土起始屈服強(qiáng)度與恒加載速率下的起始屈服強(qiáng)度存在差異，與凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度一樣，選取不同溫度條件下，加載速率為20 mm/min的靜荷載起始屈服強(qiáng)度和振動(dòng)荷載起始屈服強(qiáng)度的平均值進(jìn)行比較，見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)：在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土起始屈服強(qiáng)度均大于相應(yīng)加載速率下的起始屈服強(qiáng)度，并且振動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土起始屈服強(qiáng)度分別為相應(yīng)恒加載速率下的1.521，1.256和1.255倍。在2種不同加載方式作用下，凍結(jié)黏土起始屈服強(qiáng)度均隨溫度降低而增大，這是因?yàn)闇囟冉档褪沟脙鼋Y(jié)黏土中孔隙水轉(zhuǎn)化為孔隙冰，導(dǎo)致未凍水含量減小，相應(yīng)孔隙冰含量及強(qiáng)度增大，從而使得凍結(jié)黏土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及聯(lián)結(jié)作用增強(qiáng)，具體表現(xiàn)在其彈塑性變形能力的增強(qiáng)。在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土起始屈服強(qiáng)度提高，可以認(rèn)為是由于振動(dòng)荷載的實(shí)際速率大于相應(yīng)加載速率引起的。

圖6 靜?動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土起始屈服強(qiáng)度對(duì)比

3.2 破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間

破壞應(yīng)變是指在荷載作用下，凍土達(dá)到破壞強(qiáng)度并發(fā)生破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，相對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為破壞時(shí)間。圖7和圖8所示分別為在不同溫度條件下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間隨振動(dòng)頻率的變化關(guān)系。由圖8可以看出：在不同溫度條件下，凍結(jié)黏土的破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間隨振動(dòng)頻率增大變化相同。在不同振動(dòng)頻率條件下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變都隨溫度降低先增大后減小，當(dāng)溫度從?3 ℃降低到?10 ℃時(shí)，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變?cè)黾?，這是由于凍結(jié)黏土中未凍水含量和含冰量受到溫度的影響，并且土中冰的膠結(jié)程度對(duì)其強(qiáng)度、變形及破壞特性起到?jīng)Q定性的作用，因此，隨著溫度的降低，凍結(jié)黏土中未凍水含量減少，相對(duì)含冰量增加，提高了凍結(jié)黏土抵抗變形的能力；當(dāng)溫度從?10 ℃降低到?20 ℃時(shí)，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變減小，但低溫下測(cè)得凍結(jié)黏土強(qiáng)度是逐漸增加，因此在?20 ℃情況下，凍結(jié)黏土破壞形式的變化是導(dǎo)致其破壞應(yīng)變減小的主要原因。隨著溫度的降低，凍結(jié)黏土破壞形式由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?，在試?yàn)溫度范圍內(nèi)，可能存在一個(gè)臨界溫度，當(dāng)試驗(yàn)溫度高于臨界溫度時(shí)，凍結(jié)黏土表現(xiàn)為塑性變形，破壞形式為塑性破壞，當(dāng)試驗(yàn)溫度低于臨界溫度時(shí)，凍結(jié)黏土表現(xiàn)為脆性變形，破壞形式為脆性破壞。由于破壞時(shí)間可以從破壞位移和加載速率變化關(guān)系換算而來(lái)，因此，破壞時(shí)間的變化趨勢(shì)與破壞應(yīng)變的變化趨勢(shì)相同，隨著溫度降低，破壞時(shí)間先增大后減小，當(dāng)溫度高于?10 ℃時(shí)，凍結(jié)黏土破壞形式為塑性破壞，當(dāng)溫度低于?10 ℃時(shí)，凍結(jié)黏土破壞形式為脆性破壞，但破壞時(shí)間相比破壞應(yīng)變能夠更加直接反映出凍結(jié)黏土的破壞情況。

溫度/℃：1—?3；2—?10；3—?20。

溫度/℃：1—?3；2—?10；3—?20。

在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間受到溫度和振動(dòng)頻率的影響較大。在?3，?10和?20 ℃下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變平均值分別為0.060，0.067和0.065，破壞時(shí)間平均值分別為22.817，25.014和24.678 s，充分反映出二者隨溫度變化規(guī)律。為了將振動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果和單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果建立聯(lián)系，選取不同溫度條件下，加載速率為20 mm/min的靜荷載破壞應(yīng)變、破壞時(shí)間和振動(dòng)荷載破壞應(yīng)變、破壞時(shí)間的平均值進(jìn)行比較，分別如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可見(jiàn)：在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間均小于靜荷載相應(yīng)加載速率下的破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間，并且在?3，?10和?20 ℃下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變分別為相應(yīng)恒加載速率下的0.722，0.768和0.816倍，凍結(jié)黏土破壞時(shí)間分別為相應(yīng)恒加載速率下的0.723，0.763和0.823倍。在2種不同加載方式作用下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間均隨溫度降低而呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，而且其破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間變化倍數(shù)基本相同。在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土強(qiáng)度明顯增大，而破壞應(yīng)變卻減小，因此可以認(rèn)為在振動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土脆性有所增強(qiáng)，而且隨著溫度降低，其破壞形式也發(fā)生變化。

圖9 靜?動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變對(duì)比

圖10 靜?動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞時(shí)間對(duì)比

3.3 破壞應(yīng)變比能

破壞應(yīng)變比能是從能量的角度衡量?jī)鼋Y(jié)黏土抵御破壞能力的指標(biāo)，即凍結(jié)黏土發(fā)生破壞所需消耗的能量。破壞應(yīng)變比能是應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線從試驗(yàn)開(kāi)始點(diǎn)到破壞點(diǎn)(應(yīng)力最大值點(diǎn))下的面積，它是破壞強(qiáng)度和破壞應(yīng)變的綜合反映，并且能夠體現(xiàn)凍結(jié)黏土受力后的破壞特性，即破壞應(yīng)變比能越大，其抵抗破壞變形的能力越強(qiáng)。

圖11所示為不同溫度條件下振動(dòng)頻率對(duì)凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能的影響規(guī)律，由圖11可見(jiàn)：隨溫度的降低，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能變化顯著，在?3 ℃和?10 ℃下，振動(dòng)頻率的增大對(duì)破壞應(yīng)變比能影響較小，在?20 ℃下，隨振動(dòng)頻率的變化規(guī)律表現(xiàn)不明顯，似乎有先減小后增大的變化趨勢(shì)，但影響程度較弱，故可取各個(gè)溫度條件下凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能的平均值進(jìn)行研究，在?3，?10和?20 ℃下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能的平均值分別為115.7，292.8和488.9 kJ/m3。在一定程度上，溫度決定了凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能，即凍結(jié)黏土抵抗變形破壞的能力，隨著溫度的降低，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能顯著增大，這是由于溫度降低使得凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度增大，同時(shí)也提高了凍結(jié)黏土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中土?冰之間的聯(lián)結(jié)作用，從而導(dǎo)致凍結(jié)黏土發(fā)生破壞時(shí)所需消耗能量增大。振動(dòng)頻率對(duì)凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能的影響與溫度有關(guān)，在高溫下，溫度對(duì)破壞應(yīng)變比能和振動(dòng)頻率的影響關(guān)系不明顯，但隨著溫度的降低，影響程度逐漸增大，如?20 ℃溫度條件下，振動(dòng)頻率對(duì)破壞應(yīng)變比能的影響變化幅度較大。

溫度/℃：1—?3；2—?10；3—?20。

選取不同溫度條件下，加載速率為20 mm/min的靜荷載破壞應(yīng)變比能和振動(dòng)荷載破壞應(yīng)變比能的平均值進(jìn)行比較，如圖12所示。由圖12可知：在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能小于相應(yīng)加載速率情形下的破壞應(yīng)變比能，并且在?3，?10和?20 ℃下，振動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能分別為相應(yīng)恒加載速率下的0.861，0.967和0.919倍，由此可見(jiàn)，在靜荷載?振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能均隨溫度降低而增大，且破壞所損耗的能量不同，凍結(jié)黏土在振動(dòng)荷載作用下更容易發(fā)生破壞，說(shuō)明施加振動(dòng)荷載更有利于凍結(jié)黏土的破壞。根據(jù)上述靜荷載?振動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度和破壞應(yīng)變的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)荷載使得凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度增加、破壞應(yīng)變減小，說(shuō)明振動(dòng)荷載使得凍結(jié)黏土的脆性增強(qiáng)，而凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能為應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線從試驗(yàn)起始點(diǎn)到破壞點(diǎn)下的面積，由破壞強(qiáng)度和破壞應(yīng)變共同決定，因此，在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能較小可能是因?yàn)槠茐膽?yīng)變減小的幅度大于破壞強(qiáng)度所增加的幅度，而且溫度降低也導(dǎo)致凍結(jié)黏土脆性增強(qiáng)，且對(duì)破壞強(qiáng)度和破壞應(yīng)變具有顯著的影響。

圖12 靜?動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能對(duì)比

4 結(jié)論

1) 凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度和起始屈服強(qiáng)度均隨著溫度降低而增大，振動(dòng)頻率對(duì)破壞強(qiáng)度的影響不明顯，所以在不同溫度和振動(dòng)頻率條件下，凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度可取其平均值，在?3，?10和?20 ℃下，凍結(jié)黏土在振動(dòng)荷載下的破壞強(qiáng)度分別為2.295，5.393和9.215 MPa，為相應(yīng)恒加載速率下的1.205，1.318和1.115倍，凍結(jié)黏土在振動(dòng)荷載下的起始屈服強(qiáng)度分別為1.206，2.673和4.620 MPa，為相應(yīng)恒加載速率的1.521，1.256和1.255倍，認(rèn)為凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度的增加是由于振動(dòng)荷載的速率效應(yīng)造成的。

2) 在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土的破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間基本都是隨溫度降低先增大后減小，且隨著溫度的降低，凍結(jié)黏土破壞形式由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹Ｍㄟ^(guò)靜?動(dòng)荷載對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間均小于相應(yīng)恒加載速率情形下的破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間，并且在?3，?10和?20 ℃試驗(yàn)溫度條件下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變分別為0.060，0.067和0.065，為相應(yīng)恒加載速率下的0.722，0.768和0.816倍，凍結(jié)黏土破壞時(shí)間分別為22.817，25.014和24.678 s，為相應(yīng)恒加載速率下的0.723，0.763和0.823倍。在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土破壞強(qiáng)度明顯增大，而破壞應(yīng)變和破壞時(shí)間減小，說(shuō)明振動(dòng)荷載使得凍結(jié)黏土的脆性有所增強(qiáng)。

3) 在振動(dòng)荷載作用下，溫度對(duì)凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能具有決定性的作用，當(dāng)凍土溫度較高時(shí)，振動(dòng)頻率對(duì)破壞應(yīng)變比能的影響較小，基本上是在平均值附近小幅波動(dòng)，當(dāng)凍土溫度處于較低溫時(shí)，振動(dòng)頻率對(duì)破壞應(yīng)變比能的影響增大。

4) 在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能小于相應(yīng)加載速率情形下的破壞應(yīng)變比能，在?3，?10和?20 ℃試驗(yàn)溫度條件下，振動(dòng)荷載情況下凍結(jié)黏土破壞應(yīng)變比能分別為115.7，292.8和488.9 kJ/m3，為相應(yīng)恒加載速率情形下的0.861，0.967和0.919倍，由此可見(jiàn)，在振動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)黏土發(fā)生破壞時(shí)所需的能量比恒加載速率下所需的能量少，即振動(dòng)荷載有利于凍結(jié)黏土的破壞。

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Experimental study on failure properties of frozen clay under dynamic loading

LI Xiaolin1, 2, WANG Hongjian3, ZOU Shaojun3, JIANG Cong4, NIU Yonghong1

(1. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Unit 63983 of PLA, Wuxi 214035, China;4. Key Laboratory of the Western Disaster and Environmental Mechanics, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

The uniaxial compression tests and the vibrating load tests were carried out, and the failure strength, initial yield strength, failure strain, failure time, failure strain energy of frozen clay were studied and compared under static?dynamic loading. The results show that the failure strength and initial yield strength of frozen clay increase significantly with the decrease of temperature, and the influence of vibrational frequency is relatively small. The failure strain and time of frozen clay show a tendency to increase firstly and then decrease with the decrease of temperature, and the decrease of temperature enhances the fragility of frozen clay. The failure strain energy of the frozen clay is an indicator to measure the ability of frozen clay to resist damage, which increases with the decrease of the temperature and the influence of the vibrational frequency is not obvious. In the situation of vibrating load, the failure strength and the initial yield strength increase, but the failure strain, the failure time and the failure strain energy all decrease. The vibrating load enhances the fragility of frozen clay and is good for destroying the frozen clay.

frozen clay; failure strength; failure strain; failure strain energy

TU445

A

1672?7207(2019)03?0641?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.018

2018?04?23；

2018?07?02

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0405103)；凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主立項(xiàng)課題(SKLFSE-ZY-15) (Project (2017YFC0405103) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(SKLFSE-ZY-15) supported by the State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering)

牛永紅，博士，副研究員，從事凍土力學(xué)與寒區(qū)工程研究；E-mail：yhniu@lzb.ac.cn

(編輯 趙俊)