凍土動態力學特性研究分析

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,構成成分的復雜導致了其具有比較復雜的力學特性。國外人們對凍土的力學特性研究已經有了長足的發展。我國從20世紀70年代修建青藏公路建設項目開始進行了凍土的力學特性研究。目前對凍土力學性能的實驗研究及實踐應用絕大部分集中在凍土的靜態力學方面。動態力學性能研究大多是在低頻或小幅值的振動加載條件下的實驗研究。凍土的動態力學特性研究對于西部大開發和利用凍土地區國土資源、實現可持續發展,尤其在政治、軍事、經濟和科學技術上都有著極其重大而深遠的意義。

1 研究現狀及分析

1.1 動力學參數

徐學燕[1]等對凍土動力參數進行了研究,通過在MTS振動系統上施加循環荷載,測定在循環動應力作用下的動應力—動應變關系曲線,間接得到凍土的動彈性模量表達式。而且她還根據大量土樣在循環周期荷載作用下得到的應力—應變關系曲線實驗資料進行計算機擬合,并提出雙曲線是一個適宜的函數關系。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粉土進行了單軸抗壓振動試驗,討論了最大應力、應變及溫度對動彈模的影響。為了能快速、準確地測量凍土的凍土力學參數,趙淑萍[4]等也對凍土動彈模、動阻尼比進行了一定的研究,她通過對兩種不同路基凍土的動三軸實驗研究分析了測試及其影響因素,得出如下結論：1)動彈模和動阻尼比隨加載頻率、溫度、含水量的變化規律相同。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,呈現逐漸增加趨勢。而國外Vision[5]等人通過共振柱試驗和循環動三軸試驗研究動彈模結果發現,在動三軸試驗中,頻率和應變幅值對動彈模的影響大于共振柱試驗。吳志堅[6]等通過模擬地震作用下的動三軸實驗,研究了重塑凍結蘭州黃土的動力學參數,通過研究得出：1)在隨機變化的地震波型簡化為等效的等幅正弦循環荷載的作用下,不同溫度下的重塑凍結蘭州黃土的動應力—動應變關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式及其參數的參考值。3)動彈性模量隨溫度的降低而增大,隨動應變的增大而減小。

1.2 動應力應變關系及動強度

姜忠宇[7]等進行了凍土在往復荷載作用下應力應變關系的研究,他通過實驗得出：1)凍土試樣的力學性能受試樣類型、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,力學參數有一定的差異。2)不同的加載方式對試樣抗壓強度的比值有著大致相當的影響,而試樣含水量與溫度的變化對其比值影響甚微。往復載荷作用下試樣的抗壓強度比軸向荷載下的小。3)不同的加載方式使試樣破壞應變的比值變化范圍較大,與試樣含水量及溫度密切相關。王偉[8]等對引入強度因子概念對兩種傳統應力應變模型的數學局限性進行了分析,并發現了擬合誤差,以期建立合理的相對獨立的應力—應變模型的數學特征方程。劉增利[9]等進行了原狀凍土動單軸壓縮動態實驗研究,結果表明原位凍結黏土試樣在不同加載速率下的單軸壓縮試驗,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明顯脆性特征,原狀凍土單軸壓縮下的彈性極限應力及極限抗壓強度均隨著加載速率的降低而有明顯降低,而對應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,這些特征與已有重塑凍結黏土的研究結果具有明顯的不同。

動強度是指在恒應變速率等幅動應變三軸、單軸試驗中的動應力峰值。其會影響動強度的因素有很多。沈忠言[10]等對凍土的動強度特性做了大量的研究工作,并提出了動強度的破壞準則,即拋物線準則。張淑娟[11]等也對凍土的凍強度特性進行了試驗研究,她通過單軸動荷載作用下試樣中的測溫試驗發現：當有循環荷載作用時,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、動應力幅及試樣的初始干密度、含水率等因素有關,并在不同的條件下凍土動強度表現出了不同程度的損失,另外她還得出如下結論：1)在同一圍壓下,凍土動剪強度隨破壞振次的增加非線性減小;相同振次下,動強度隨圍壓的增大呈先增后減的非線性變化規律,而高圍壓下凍土的動強度比靜強度衰減得快。2)同一圍壓下,動強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生融化,未凍水含量增加,縮減了土顆粒間的膠結力和摩擦力,從而造成凍土動強度的衰減。上述兩人都對凍土的動強度作了研究,但他們實驗采用的土質是凍結粉土或凍結粉質黏土,至于其他類型的土質如黃土、砂土、粉土等的動強度如何有待研究。

1.3 動蠕變特性

朱元林[13]等通過對凍土動三軸蠕變實驗研究用時間—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的物理意義及變化規律。李棟偉[14]等通過大量的凍土試驗提出了基于損傷理論的蠕變本構模型,該模型能較好的模擬凍土蠕變變形的全過程,并且與實測蠕變變形基本吻合。李海鵬[15]等通過三軸應力狀態下蘭州黃土的動蠕變試驗發現,破壞時間隨圍壓增大而增大,但隨著圍壓的進一步增大而減小;相對應的最小蠕變速率隨圍壓的增大而減小,但隨著圍壓的進一步增大而增大。

1.4 其他學科和凍土力學結合起來的凍土動態力學特性研究

除了對凍土上述幾個方面的研究外,有些研究者將其他學科和凍土力學結合起來研究凍土的動態力學特性,來更深入研究凍土的破壞機理。如張樹光[16]將損傷力學與分形理論結合起來研究凍土在單軸壓縮應力作用下損傷的動態演化規律。李洪升等將斷裂力學和凍土力學結合起來研究凍土的斷裂力學特性。馬芹永[17]將凍土力學和沖擊力學相結合研究了凍土在強沖擊荷載作用下的凍土動態力學特性,并重點進行了凍土在高應變率下的動態力學特性的試驗研究,通過研究結果表明,同一應變率下,凍土的動、靜態力學特性受溫度影響較大,其流動應力隨溫度的降低而增加,同一溫度下,其流動應力隨著應變率的增加也將增加,然而對當應變率增加到某一值后,流動應力隨應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出凍脆性和動脆性,他結合沖擊荷載作用下材料應力應變關系模型,根據試驗結果,擬合出凍土的應力、應變、應變率、溫度的關系模型,該模型能夠反映凍土的溫度效應。

2 展望

1)凍土的動力學參數是研究凍土動態力學參數的重要組成部分,通過研究發現,目前對凍土動態力學特性實驗研究大部分采用的是重塑土或原位融土,由于凍土內部的結構組成的復雜性,以后采用原狀土、深厚凍土力學實驗時可以模擬高圍壓狀態進行凍土試樣的制作和動態力學實驗來開展凍土動態力學參數的研究。2)原位測試應能更準確地了解凍土的實際內部狀況。3)目前也初步確定了一些動本構模型,由于凍土特殊的材料組成,受力的復雜性,動本構模型的建立比較困難,以后應加強這方面的研究。4)很多凍土的動態力學特性實驗都是采用某一土質或某一方法進行的,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進行動態力學實驗,有待進一步研究。

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[7] 姜忠宇,孫建忠.往復荷載作用下凍土應力應變關系的研究[J].冰川凍土,2008,30(2)：301-305.

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[17] 馬芹永.沖擊荷載作用下凍土動態力學特性研究[D].博士論文,2008.