動荷載作用下凍結黏土破壞特性試驗研究

栗曉林，王紅堅，鄒少軍，江聰，牛永紅

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動荷載作用下凍結黏土破壞特性試驗研究

栗曉林1, 2，王紅堅3，鄒少軍3，江聰4，牛永紅1

(1. 中國科學院西北生態環境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州，730000；2. 中國科學院大學，北京，100049；3. 中國人民解放軍63983部隊，江蘇 無錫，214035；4. 蘭州大學 西部災害與環境力學教育部重點實驗室，甘肅 蘭州，730000)

對凍結黏土進行單軸壓縮試驗和振動荷載試驗，研究靜?動荷載作用下凍結黏土的破壞強度、起始屈服強度、破壞應變、破壞時間、破壞應變比能，并進行對比分析。研究結果表明：凍結黏土破壞強度和起始屈服強度隨溫度降低而顯著增大，振動頻率的影響較小；凍結黏土破壞應變和破壞時間隨溫度降低呈現先增大后減小的趨勢，溫度的降低導致凍結黏土脆性增強；凍結黏土破壞應變比能是衡量凍結黏土抵御破壞能力的指標，隨溫度降低而增大，振動頻率的影響規律不明顯；在振動荷載作用下，破壞強度和起始屈服強度增大，破壞應變、破壞時間和破壞應變比能減小，振動荷載使得凍結黏土脆性增強，并且有利于破壞凍結黏土。

凍結黏土；破壞強度；破壞應變；破壞應變比能

在寒區工程如道路路基、橋梁樁基、油氣管道、礦產開發以及工業民用建筑物的建設過程中，由于凍土的特殊性使得工程設計、建設和維護難度加大，而且在許多工程中必須去除凍土地基來達到構筑物的穩定性，因此人們迫切需要了解凍土的破壞特性，如破壞應力、破壞應變、破壞時間以及破壞應變比能等。一直以來，凍土的破壞特性是凍土力學的重要研究內容，國內外研究者進行了許多試驗研究，并得到一些重要結論。HAYNES等[1?6]通過進行單軸壓縮試驗，研究了含水率、干密度、溫度、應變速率對凍土破壞強度和破壞應變的影響規律，并指出溫度、應變速率是主要的影響因素。CHAICHANAVONG等[7?13]開展了大量振動荷載試驗，得出溫度、圍壓、應變速率、動應力(幅值和頻率)等與凍土動強度和累積應變的變化關系。王麗霞等[14]利用低溫動、靜三軸試驗結果，進行凍土的動、靜強度對比分析，發現溫度、含水率對動?靜強度、黏聚力和內摩擦角影響規律相同。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，分析其物理機理，并通過應變能密度理論建立巖石破壞的能量判別準則。李夕兵等[20?21]研究了動靜荷載作用下，巖石變形破壞過程中能量的變化，通過滯回環面積反映積聚能量的大小，并使用應變能密度定義巖石的破壞準則。此外，研究者們通過研究凍土的應力?應變關系，建立了能夠反映凍土力學特性的本構模型。雖然前人對凍土的破壞特性進行了大量研究，但對于破壞應變比能的研究較少，而且這些研究基本都從力和變形的角度進行分析，并局限于破壞應力或破壞應變，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凍結黏土破壞特性進行研究，并根據凍結黏土的靜?動荷載試驗結果，對凍結黏土破壞參數的進行對比分析。

1 試驗

1.1 試驗儀器

試驗采用MTS?810型低溫單軸材料試驗機，并通過控制時間、力、位移進行加載試驗。該儀器的主要技術指標如下：最大軸向負荷為50 kN，最大軸向位移為±85 mm，振動頻率范圍為0~50 Hz，溫度范圍為?30~25 ℃(室溫)。

1.2 試樣制備

試驗土樣為吉林延吉黏土，其黏聚體粒徑分布如表1。參照試驗標準[22]制備重塑土樣，步驟如下：1) 將野外取回的土樣自然風干、碾壓、過篩，并測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，限制蒸發保濕24 h，使得土樣中各點處水分均勻；3) 將制備好的土樣用壓樣機壓成直徑為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48 h；4) 脫模，細加工，套橡膠膜，放入恒溫箱，按照設定溫度恒溫24 h，保持土樣溫度整體一致，然后進行試驗。

表1 試樣黏聚體粒徑分布

1.3 試驗方法

本試驗主要進行低應變速率條件下凍土破壞特性研究，故單軸壓縮試驗采用恒加載速率加載方式，加載速率為20 mm/min，振動荷載試驗采用基于凍土靜強度的凍土動強度研究方法，即以恒應變速率增長的等幅動應變加載方式，振動荷載如圖1所示，圖1中斜線表示試驗中施加的加載速率，加載曲線是以斜線為均值的正弦曲線，試驗條件如下：試驗溫度為?3，?10和?20 ℃，加載速率為20 mm/min，振動頻率為1，3，5，8，10，13，15，18和20 Hz。具體試驗過程如下：將試樣放入試驗所要求溫度條件下恒溫24 h，然后在設有恒溫箱的單軸壓縮試驗機上進行恒加載速率和不同振動頻率條件下的單軸壓縮試驗和振動荷載試驗，所有試驗均在凍土工程國家重點實驗室凍土材料試驗機上完成。

圖1 振動荷載加載示意圖

2 試驗結果

在各振動頻率下，凍結黏土應力?應變關系曲線形態變化相似，故選用?10 ℃，20 mm/min和?10 ℃，10 Hz的應力?應變關系曲線來表示靜?動荷載作用下凍結黏土的相應變化(見圖2)，凍結黏土應力?應變關系曲線都經歷了壓密閉合階段、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黏土應力?應變關系曲線存在很大差異。在振動荷載作用下，線彈性階段較靜荷載持續較長，應力峰值較大，而且峰后軟化階段應力減小速率較快，說明振動荷載使得凍結黏土彈性性能增強，抵抗變形能力增大，脆性增強。

1—動載；2—靜載。

3 討論

為了探索靜?動荷載作用下凍結黏土破壞特性的差異，進行了一系列單軸壓縮試驗和振動荷載試驗，并通過改變溫度、振動頻率來研究振動荷載作用下凍結黏土的破壞特性。

3.1 強度特性分析

3.1.1 破壞強度特性

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

溫度/℃：1—?3；2—?10；3—?20。

受到振動荷載作用時，凍結黏土的破壞強度與恒加載速率作用下的破壞強度不同。為了將振動荷載試驗結果和單軸壓縮試驗結果建立聯系，選取不同溫度條件下，加載速率為20 mm/min的靜荷載破壞強度和振動荷載破壞強度的平均值進行比較，見圖4。由圖４可知：在振動荷載作用下，凍結黏土破壞強度均大于相應加載速率下的破壞強度，振動荷載作用下凍結黏土破壞強度分別為相應恒加載速率下的1.205，1.318和1.115倍。在２種不同加載方式作用下，凍結黏土破壞強度均隨溫度降低而增大，但是振動荷載作用下，將引起常規試驗測量意義上凍結黏土破壞強度的增大，振動荷載對凍結黏土的作用結果是得到以更高速率的恒應變速率荷載作用的效果，因此可以認為在振動荷載情形下，凍結黏土破壞強度的提高是由振動荷載的速率效應引起的。

圖4 靜?動荷載作用下凍結黏土破壞強度對比

3.1.2 起始屈服強度

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

溫度/℃：1—?3；2—?10；3—?20。

起始屈服點反映出應力?應變關系曲線由線彈性階段向塑性變形階段的過渡，并且起始屈服強度表示試樣彈性變形所承受的最大強度，也是試樣開始發生塑性變形的最小強度。在振動荷載作用下，凍結黏土起始屈服強度與恒加載速率下的起始屈服強度存在差異，與凍結黏土破壞強度一樣，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度和振動荷載起始屈服強度的平均值進行比較，見圖6。由圖6可見：在振動荷載作用下，凍結黏土起始屈服強度均大于相應加載速率下的起始屈服強度，并且振動荷載作用下凍結黏土起始屈服強度分別為相應恒加載速率下的1.521，1.256和1.255倍。在2種不同加載方式作用下，凍結黏土起始屈服強度均隨溫度降低而增大，這是因為溫度降低使得凍結黏土中孔隙水轉化為孔隙冰，導致未凍水含量減小，相應孔隙冰含量及強度增大，從而使得凍結黏土內部結構及聯結作用增強，具體表現在其彈塑性變形能力的增強。在振動荷載作用下，凍結黏土起始屈服強度提高，可以認為是由于振動荷載的實際速率大于相應加載速率引起的。

圖6 靜?動荷載作用下凍結黏土起始屈服強度對比

3.2 破壞應變和破壞時間

破壞應變是指在荷載作用下，凍土達到破壞強度并發生破壞時對應的應變，相對應的時間稱為破壞時間。圖7和圖8所示分別為在不同溫度條件下，凍結黏土破壞應變和破壞時間隨振動頻率的變化關系。由圖8可以看出：在不同溫度條件下，凍結黏土的破壞應變和破壞時間隨振動頻率增大變化相同。在不同振動頻率條件下，凍結黏土破壞應變都隨溫度降低先增大后減小，當溫度從?3 ℃降低到?10 ℃時，凍結黏土破壞應變增加，這是由于凍結黏土中未凍水含量和含冰量受到溫度的影響，并且土中冰的膠結程度對其強度、變形及破壞特性起到決定性的作用，因此，隨著溫度的降低，凍結黏土中未凍水含量減少，相對含冰量增加，提高了凍結黏土抵抗變形的能力；當溫度從?10 ℃降低到?20 ℃時，凍結黏土破壞應變減小，但低溫下測得凍結黏土強度是逐漸增加，因此在?20 ℃情況下，凍結黏土破壞形式的變化是導致其破壞應變減小的主要原因。隨著溫度的降低，凍結黏土破壞形式由塑性破壞轉變為脆性破壞，在試驗溫度范圍內，可能存在一個臨界溫度，當試驗溫度高于臨界溫度時，凍結黏土表現為塑性變形，破壞形式為塑性破壞，當試驗溫度低于臨界溫度時，凍結黏土表現為脆性變形，破壞形式為脆性破壞。由于破壞時間可以從破壞位移和加載速率變化關系換算而來，因此，破壞時間的變化趨勢與破壞應變的變化趨勢相同，隨著溫度降低，破壞時間先增大后減小，當溫度高于?10 ℃時，凍結黏土破壞形式為塑性破壞，當溫度低于?10 ℃時，凍結黏土破壞形式為脆性破壞，但破壞時間相比破壞應變能夠更加直接反映出凍結黏土的破壞情況。

溫度/℃：1—?3；2—?10；3—?20。

溫度/℃：1—?3；2—?10；3—?20。

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

圖9 靜?動荷載作用下凍結黏土破壞應變對比

圖10 靜?動荷載作用下凍結黏土破壞時間對比

3.3 破壞應變比能

破壞應變比能是從能量的角度衡量凍結黏土抵御破壞能力的指標，即凍結黏土發生破壞所需消耗的能量。破壞應變比能是應力?應變關系曲線從試驗開始點到破壞點(應力最大值點)下的面積，它是破壞強度和破壞應變的綜合反映，并且能夠體現凍結黏土受力后的破壞特性，即破壞應變比能越大，其抵抗破壞變形的能力越強。

圖11所示為不同溫度條件下振動頻率對凍結黏土破壞應變比能的影響規律，由圖11可見：隨溫度的降低，凍結黏土破壞應變比能變化顯著，在?3 ℃和?10 ℃下，振動頻率的增大對破壞應變比能影響較小，在?20 ℃下，隨振動頻率的變化規律表現不明顯，似乎有先減小后增大的變化趨勢，但影響程度較弱，故可取各個溫度條件下凍結黏土破壞應變比能的平均值進行研究，在?3，?10和?20 ℃下，凍結黏土破壞應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，溫度決定了凍結黏土破壞應變比能，即凍結黏土抵抗變形破壞的能力，隨著溫度的降低，凍結黏土破壞應變比能顯著增大，這是由于溫度降低使得凍結黏土破壞強度增大，同時也提高了凍結黏土內部結構中土?冰之間的聯結作用，從而導致凍結黏土發生破壞時所需消耗能量增大。振動頻率對凍結黏土破壞應變比能的影響與溫度有關，在高溫下，溫度對破壞應變比能和振動頻率的影響關系不明顯，但隨著溫度的降低，影響程度逐漸增大，如?20 ℃溫度條件下，振動頻率對破壞應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的靜荷載破壞應變比能和振動荷載破壞應變比能的平均值進行比較，如圖12所示。由圖12可知：在振動荷載作用下，凍結黏土破壞應變比能小于相應加載速率情形下的破壞應變比能，并且在?3，?10和?20 ℃下，振動荷載作用下凍結黏土破壞應變比能分別為相應恒加載速率下的0.861，0.967和0.919倍，由此可見，在靜荷載?振動荷載作用下，凍結黏土破壞應變比能均隨溫度降低而增大，且破壞所損耗的能量不同，凍結黏土在振動荷載作用下更容易發生破壞，說明施加振動荷載更有利于凍結黏土的破壞。根據上述靜荷載?振動荷載作用下凍結黏土破壞強度和破壞應變的對比分析，發現振動荷載使得凍結黏土破壞強度增加、破壞應變減小，說明振動荷載使得凍結黏土的脆性增強，而凍結黏土破壞應變比能為應力?應變關系曲線從試驗起始點到破壞點下的面積，由破壞強度和破壞應變共同決定，因此，在振動荷載作用下，凍結黏土破壞應變比能較小可能是因為破壞應變減小的幅度大于破壞強度所增加的幅度，而且溫度降低也導致凍結黏土脆性增強，且對破壞強度和破壞應變具有顯著的影響。

圖12 靜?動荷載作用下凍結黏土破壞應變比能對比

4 結論

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

2) 在振動荷載作用下，凍結黏土的破壞應變和破壞時間基本都是隨溫度降低先增大后減小，且隨著溫度的降低，凍結黏土破壞形式由塑性破壞轉變為脆性破壞。通過靜?動荷載對比分析，發現在振動荷載作用下，凍結黏土破壞應變和破壞時間均小于相應恒加載速率情形下的破壞應變和破壞時間，并且在?3，?10和?20 ℃試驗溫度條件下，凍結黏土破壞應變分別為0.060，0.067和0.065，為相應恒加載速率下的0.722，0.768和0.816倍，凍結黏土破壞時間分別為22.817，25.014和24.678 s，為相應恒加載速率下的0.723，0.763和0.823倍。在振動荷載作用下，凍結黏土破壞強度明顯增大，而破壞應變和破壞時間減小，說明振動荷載使得凍結黏土的脆性有所增強。

3) 在振動荷載作用下，溫度對凍結黏土破壞應變比能具有決定性的作用，當凍土溫度較高時，振動頻率對破壞應變比能的影響較小，基本上是在平均值附近小幅波動，當凍土溫度處于較低溫時，振動頻率對破壞應變比能的影響增大。

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

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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

國家重點研發計劃(2017YFC0405103)；凍土工程國家重點實驗室自主立項課題(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，從事凍土力學與寒區工程研究；E-mail：yhniu@lzb.ac.cn

(編輯 趙俊)