高含冰量凍土的力學特性試驗研究

1凍土強度及含冰量冷凍土壤是由固體礦物、冰繃帶體、液相水（未凍水和強結合水）和氣繃帶體（蒸餾水和空氣）組成的復合介質。冷凍土和混合土的性質區(qū)別在于冷土中的冰。土凍結后強度將提高很多倍,其中主要依賴于凍土黏聚力的大幅度提高,而凍土的黏聚力主要受冰的控制。溫度和含水率的波動,都會對凍土的內(nèi)部結構產(chǎn)生巨大的影響,從而導致凍土的力學性質產(chǎn)生明顯的變化。由于凍土成分的復雜性和對溫度、水分等的敏感性,其力學性質要比融土更為復雜。地基中土層的承載力,堤壩、基坑和天然土坡等的邊坡穩(wěn)定性等都是由凍土強度控制的,因此研究寒區(qū)凍土的力學性質有重要的意義。Tsytovich等在大量凍土單軸抗壓強度試驗的基礎上,發(fā)現(xiàn)凍土單軸抗壓強度隨溫度的降低而增加。Sayles則指出二者之間存在冪函數(shù)關系,這種關系在抗壓、抗拉、直剪及扭轉試驗中均得到了證實。張麗敏等通過室內(nèi)試驗研究了各種溫度、應變率條件下冰的強度規(guī)律。賴遠明等通過凍結砂土的三軸試驗指出了在圍壓較低、溫度較高時有應變軟化現(xiàn)象,并且當超過圍壓一定值后,其抗剪強度隨圍壓的增加而減少,這也就是圍壓對凍土強度的弱化作用。隨后,LaiYuanming等用試驗的方法,提出了能夠反映圍壓強化作用和弱化作用的凍土屈服函數(shù),并指出溫度和含水量對凍土屈服函數(shù)有很大的影響。吳紫汪等分別通過一系列室內(nèi)外試驗發(fā)現(xiàn)可用線性關系預報溫度對凍土強度的影響。Sayles和Carbee則發(fā)現(xiàn)飽和粉土的初始破壞強度隨體積含冰量的增加而增大。吳紫汪等的研究結果也表明凍結蘭州黃土的單軸強度隨含水量的增加而增大,當含水量接近飽和狀態(tài)時其抗壓強度達到最大值,其后隨含水量的進一步增加而減小。李學軍等通過水熱耦合方法研究了凍融條件下土體水分運移規(guī)律。李瑞平等進一步考慮鹽分對水熱的影響,研究表明水熱鹽三者存在緊密的聯(lián)系。上述研究表明,凍土的強度主要由溫度和含水率(含冰量)控制,而這兩個因素是互相影響的。凍土強度與溫度有很大關系,而溫度對強度的影響,又是通過含水率(含冰量)表現(xiàn)的。高溫高含冰量凍土是指溫度在-1.5~0℃,體積含冰量大于25%的凍土。維亞洛夫指出,溫度和含水率的波動會導致高溫高含冰量凍土強度和變形的實質性變化。目前凍土力學研究方面,研究者對凍土強度和本構都作了不少的研究,但由于受到試驗條件的限制,加之問題本身的復雜性,這些研究更多的都集中在低溫、低含水率重塑土的特性上,對高溫、高含冰量凍土的研究甚少,僅有朱元林等對青藏高原風火山亞黏土及蘭州中砂在凍結(-0.7~-0.3℃)狀態(tài)下的壓縮性進行了試驗研究。吳紫汪等通過大量的試驗研究發(fā)現(xiàn),水分對凍土的流變性具有重要影響。凍土蠕變一般有衰減型和非衰減型兩種,除應力大小的影響外,水分是一個重要的因素。當凍土中含水(冰)量超過一定數(shù)量時,即使在較小荷載下亦屬非衰減型蠕變,多年凍土地區(qū)地下冰在不同荷載下均發(fā)生非衰減型蠕變。馬小杰等進行了一系列高溫高含冰量凍土的單軸蠕變試驗,分析了高含水量對凍土長期強度的影響。賴遠明等從高溫凍土內(nèi)部裂隙、空洞等缺陷的隨機分布出發(fā),基于連續(xù)損傷理論和數(shù)理統(tǒng)計理論,提出了高溫凍土的單軸隨機損傷模型。本文對青藏高原高含冰量凍結黏土在不同溫度、不同含水率條件下進行一系列三軸壓縮試驗,分析其應力應變規(guī)律和強度特征,研究力學性質與初始含水率和溫度的關系,給出隨溫度、含水率變化時高含冰量凍土的Mises準則的表達式,并采用塑性功作為硬化參數(shù),得到高含冰量凍土的彈塑性本構模型。2圍壓對高含冰量凍結土的破壞本文試驗選用的土樣為青藏高原北麓河地區(qū)黏土,取樣深度為天然地表下2~3m,其塑限WP為18.8%,液限WL為36.5%,顆粒成分如表1。土樣是以粉質土和黏質土為主的低液限黏土。試驗時將黏土擊實到一定干重度,制備成直徑為61.8mm、高度125mm的試樣,抽氣飽和后置于低溫環(huán)境下凍結48h,然后將土樣取出,裝到MTS低溫試驗機,在特定溫度下恒溫24h后,施加軸向荷載。試樣的平均干容重為18.1kN/m3。試樣的初始含水率w為30.0%、50.0%和80.0%,試驗溫度為:-0.5℃、-1℃、-2℃、-4℃和-6℃共5種不同溫度,溫度控制精度為±0.1℃。圍壓從0.3MPa一直加到18MPa,剪切速率為2.08×10-2mm/s。圖1為不同溫度、不同含水率時的應力-應變曲線,從圖中得出如下規(guī)律。(1)相同溫度條件下的應力-應變曲線形態(tài)基本相同。這和吳紫汪等得出的凍土的破壞形式:土溫低多呈脆性破壞,土溫高成塑性破壞的描述是一致的。同一含水率時(w=50.0%),當T=-2℃,破壞時峰值點所對應的應變大部分在10%左右;在T=-4℃,破壞時峰值點處的應變大部分在7%左右;在T=-6℃,破壞時峰值點處的應變大部分在5%左右。說明隨著負溫的升高,凍土的脆性增加,破壞形式由塑性破壞逐漸向脆性破壞過渡。這種現(xiàn)象,主要是由于高含冰量凍土中未凍水含量隨溫度的變化造成的。因為隨著溫度的升高,高含冰量凍土中的未凍水含量也隨之升高。而未凍水含量越高,凍土的黏性就會越強,越易于發(fā)生塑性破壞。同時,高含冰量凍土在高溫條件下,其中的冰膠結物的強度較小,塑性較大,也易于發(fā)生塑性破壞。(2)在相同溫度、相同含水率、不同圍壓條件下,應力應變曲線中峰值點的值相差不大。在T=-0.5℃時,峰值點值相差0.06MPa左右;在T=-1℃時,峰值點值相差0.08MPa左右;在T=-2℃時,峰值點值相差0.24MPa左右;在T=-4℃時,峰值點值相差0.36MPa左右。說明圍壓對高含冰量凍土強度的影響不是很大。圖2為凍結黏土的表面破壞形式。從圖2可見,與相同土質低含冰量凍結黏土的破壞形態(tài)對比發(fā)現(xiàn),高含冰量樣品破壞后外形變化不大,土樣表面沒有明顯的裂紋,而低含冰量樣品破壞后,土樣微鼓,表面出現(xiàn)較為明顯的斜裂紋,表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。主要原因還是由于高含冰量凍土中的未凍水含量較高,凍土的黏性較強,在加載后主要表現(xiàn)為塑性變形,所以破壞后無明顯的外形變化。3土體強度的選取大量的試驗證明,凍土三軸強度主要受三大因素影響:溫度、圍壓和加荷速率。本試驗采用了基本相同的加載速率,土體強度的選取原則為:在軸向應變ε1≤20%的范圍內(nèi)偏應力(σ1-σ3)有最大值時,選取最大值為破壞強度;沒有最大值時,選取ε1=20%對應的值作為其破壞強度。對于高含冰量凍土,本文主要從溫度、含水率和圍壓3個方面來討論其三軸強度特征。3.1圍壓對凍土強度的影響通過CT與電鏡掃描等手段,可以發(fā)現(xiàn)凍土內(nèi)部存在大量的微裂縫、微裂隙等結構缺陷,這些缺陷都會影響其強度。而圍壓的增大,能夠有效地閉合這些微裂紋、微裂隙,對凍土的強度有增大作用。但是一些學者發(fā)現(xiàn),黏土的結冰溫度隨圍壓的增加而降低,兩者呈線性關系,平均下降值為0.072~0.082℃/MPa,這就是凍土的壓融現(xiàn)象。圍壓使凍土的實際有效負溫有所減小,隨圍壓的增大,凍土中孔隙冰的壓融、冰晶體的塑性流動等,都會造成凍土強度的弱化。因此,一方面圍壓對凍土的強度有增大作用;另一方面,隨圍壓的增大,發(fā)生了壓融現(xiàn)象,又對凍土的強度產(chǎn)生了弱化作用。這兩方面因素的共同作用,影響了凍結黏土的強度變化。3.2強度對溫度的依賴性式中:T0為參考溫度,T0=-1℃;Pa為標準大氣壓,Pa=1.01325×105Pa;a、b為試驗系數(shù),其中a反應了強度對溫度的依賴性。通過試驗,得到各個含水率下的a、b值見表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn),隨著含水率的增大,a值逐漸減小,說明高含冰量凍土對溫度的敏感性小于低含冰量凍土。3.3初始含水率對未凍水含量的影響徐學祖等通過研究發(fā)現(xiàn),凍土中未凍水含量主要受初始含水率和干密度控制。凍土體中未凍水含量隨初始含水率的增加而增加;并且在同一初始含水率條件下,溫度高于某個值時,凍土中未凍水含量隨試樣干密度的增加而減小,這是因為在此溫度下,干密度小的土樣,其中的大孔隙多,其中多半含有薄膜水;而低于該值時,則表現(xiàn)出相反的規(guī)律,這是因為干密度大的土樣具有較大的土水勢,此時,土水勢在各個因素中占主導地位。對于本文的試驗,溫度高于-1℃時,兩方面的因素都使土體中未凍水含量隨初始含水率增加而增加,減小了土顆粒間的摩擦作用,導致凍土的強度主要由土體中的冰控制,所以隨含冰量的增加,凍土強度緩慢增加,變化不大;而當溫度低于-1℃時,土體中未凍水含量一方面隨初始含水率的增加而增加,另一方面隨干密度的減小而減小,其中干密度的影響占優(yōu)勢,而此時土體強度也主要由土顆粒控制。其結果是,隨初始含水率的增加,土體中土顆粒含量減小,凍土強度也逐漸降低。而當初始含水率增大到某個值后,土顆粒的影響已經(jīng)減小,因此,當初始含水率繼續(xù)增大時,凍土強度變化不大。可以判斷出,隨著初始含水率的繼續(xù)增加,凍土的強度也將逐漸接近于純冰的強度。也就是說,一定溫度條件下,凍土中未凍水含量的變化規(guī)律不同,造成了最不利含水率的存在。4高含冰量凍土應力應變的計算通過以上的試驗研究及分析可知,高含冰量凍結黏土的強度主要受溫度和含水率的影響,圍壓對其強度的影響不大,因此可以采用Mises準則作為其強度準則,可表示為:式中:J2為應力偏量第二不變量,考慮到溫度與含水率對強度的影響,通過多元回歸分析,得到k的變化規(guī)律:式中:w為含水率;x1、x2、x3、x4為回歸系數(shù),由圖4、圖5可以得到,x1=6.4165,x2=7.7996,x3=5.3016,x4=1.0147。以試驗值為橫坐標軸,計算值為縱坐標軸,做出計算值與試驗值的對比如圖6所示。由圖6中可以看出,所繪散點基本都在45°線附近,說明計算值與試驗值吻合較好,故式(2)、式(3)能夠較為準確地反映出高含冰量凍結黏土的三軸強度變化規(guī)律。根據(jù)經(jīng)典的彈塑性理論,總應變由彈性部分和塑性部分組成,其增量形式為:式中:dεeij為彈性應變增量,可以由廣義虎克定律得到;dεpij為塑性應變增量,采用塑性理論計算,這就需要得到材料的屈服函數(shù),流動法則以及硬化規(guī)律。屈服函數(shù)f選用Mises屈服條件,即:根據(jù)經(jīng)典彈塑性理論,可得:式中:[D]ep為彈塑性剛度矩陣;[D]為彈性剛度矩陣;F為塑性勢函數(shù);f為屈服函數(shù);A為硬化模量。根據(jù)Drucker塑性公設,選用相適應性的流動法則,即塑性勢函數(shù)與屈服函數(shù)相同,F=f,則由式(8)可以計算出每一步的彈塑性矩陣[D]ep,代入式(7)就可以得到高含冰量凍土應力-應變的全過程。利用語言編制了計算程序,得到了應力應變的計算值。圖7是彈塑性本構模型在不同溫度下、不同初始含水率、不同圍壓時的計算值與試驗值比較。由圖7可以看到,理論結果和試驗結果吻合良好,能比較準確的反映高含冰量凍土的應力應變規(guī)律。由于試驗曲線較多不能一一列出,故僅列出部分曲線。5高含冰量凍土的misen準則本文對青藏高原高含冰量凍土在不同溫度、不同含水率條件下的常規(guī)三軸試驗的結果進行了分析,得到以下結論:(1)高含冰量凍土的力學性質與初始含水率和溫度有密切的關系。凍土強度表現(xiàn)出明顯的溫度依賴性,即隨著負溫的增大而增大;并且通過試驗發(fā)現(xiàn),T<-1℃時存在最不利含水率,而當T≥-1℃時不存在這種現(xiàn)象;(2)相同負溫下抗剪強度隨圍壓的變化不是很明顯,故可以采用對靜水壓力不敏感的Mises準則作為其強度準則。本文給出了隨溫度、含水率變化時高含冰量凍土的Mises準則的表達式;(3)采用塑性功作為硬化參數(shù),得到了高含冰量凍土的彈塑性本構模型。與試驗值對比表明,該模型能夠比較準確地反映高含冰量凍土的應力應變規(guī)律。圖為不同溫度、不同含水率下的凍土抗剪強度隨圍壓的變化規(guī)律。從圖可以看出,隨圍壓的增大,強度基本不變;摩爾包絡線幾乎呈水平線,其三軸強度可取定值;內(nèi)摩擦角幾乎為0。這表明高含冰量凍結黏土的三軸應力大部分由其黏聚力承擔,內(nèi)摩擦力在強度中所起的作用較小。圖4為凍土三軸強度隨溫度的變化。從圖4可以看出,三軸抗剪強度表現(xiàn)出明顯的溫度依賴性,強度隨負溫的增加而提高,兩者表現(xiàn)為線性的關系。究其原因,是因為高含冰量凍土的黏聚力主要受冰的控制,冰的內(nèi)部聯(lián)結作用對負溫的變化極為敏感,隨溫度的降低,高含