凍結黃土三軸蠕變特性

蔣煉 侯豐 劉恩龍 劉友能 劉星炎

摘要：通過不同溫度作用下凍結黃土的蠕變試驗，得到了軸向應變、體應變隨時間的變化關系。結果表明：當應力水平較低時，凍結黃土發生衰減型蠕變，軸向應變速率隨時間延長逐漸降低，體積表現為體縮，體應變與時間大致呈線性關系，徑向應變速率在零附近波動，最終趨于零;當應力水平較高時，凍結黃土發生非衰減型蠕變，軸向應變速率隨時間延長呈U形曲線變化。各個蠕變階段軸向應變速率的大小和所占時間的長短與應力水平相關，體積表現為體脹，在蠕變非穩定和穩定階段，體積隨時間延長呈線性膨脹，進入加速階段后，體積隨時間延長加速膨脹，體應變隨軸向應變線性增大;徑向應變速率在蠕變前兩個階段數值較小，數值在負值處動態波動，進入加速蠕變階段后，徑向應變速率加速增大，試樣鼓曲破壞。最后，從蠕變速率的角度提出用蠕變速率法確定長期強度。

關鍵詞：蠕變試驗：體應變;蠕變速率法;長期強度;凍結黃土

中圖分類號：TU411.3;P642.13+1;TV16

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.032

凍土是溫度在0℃或0℃以下并含有冰的土類和巖石，是由礦物顆粒、水、未凍水和氣體組成的對溫度十分敏感的多相體系，具有明顯的流動性。當對凍土施加穩定荷載后，應變會不斷發展，土體失去穩定性甚至發生破壞，這是凍土的蠕變特性[1-2]。隨著我國對高緯度和高海拔凍土地區的開發和建設，凍土問題備受關注，其中諸多問題與凍土蠕變特眭有密切關系[3-5]。

最早以維亞洛夫為首的國外學者做了很多凍土蠕變特性方面的研究工作[6-8].Fisli[9]提出了凍土的熱力學應力一應變關系。國內學者馬小杰等[10]們研究了高溫一高含冰量凍土的蠕變特性，得到了高溫一高含冰量凍結黏土單軸壓縮蠕變方程、應力一應變關系和長期強度方程的參數。朱元林等[11-12對凍結粉土在不同圍壓下進行了振動蠕變試驗，發現蠕變破壞時間及最小蠕變率隨圍壓的變化具有極值，據此提出了最大強度臨界圍壓的概念。趙淑萍等[13-14]通過動、靜荷載作用下凍結粉土的蠕變試驗，對凍結粉土的動靜蠕變特征進行比較，并研究了長期動荷載作用下凍結粉土的變形和強度特征;同時，通過分析不同試驗條件下的蠕變過程曲線，探討了凍結砂土在動荷載下的蠕變模型，分析了最大加載應力、溫度及加載頻率對凍土蠕變破壞應變、破壞時間和最小蠕變速率的影響。董連成等[15]通過不同溫度、不同加載應力作用下凍結蘭州黃土、黏土、砂質黏土的蠕變試驗，分析了蠕變曲線、初始應變、流變起始應變與流變起始時間、破壞應變與破壞時間及相對蠕變指標。

前人對于凍結黃土三軸蠕變特性只是研究軸向變形隨時間的變化規律，沒有給出體應變的演化規律。然而，體應變作為巖土工程的一個重要評價指標，對其流變性質研究具有十分重要的理論和實際意義。為此，筆者對凍結黃土進行蠕變試驗研究，研究凍結黃土軸向應變、體應變隨時間的變化規律，并從蠕變速率角度分析其長期強度。

1 試驗條件與方法

1.1 試樣制備

試驗土樣取蘭州黃土，物理參數見表1。將野外取回的土樣風干、碾碎、過篩，選取直徑小于2 mm的土粒組進行初始含水率測定，加定量蒸餾水攪拌均勻，配置易于成型的濕土，限制蒸發保持24 h使其均勻。根據所需試驗干密度和體積稱取一定質量的濕土，夯實裝入直徑61.8 mm的模具里，利用壓樣機按照一定的下壓速率將土體壓制成直徑為61.8 mm、高125 mm的試樣。隨后將試樣取出裝進三瓣模里抽氣3h，靜置飽水12 h。飽水完成后，為防止水分流失以及性質變化，將試樣兩端透水石換成不透水石，迅速將試樣放在-30℃的恒溫箱進行速凍。經過48 h的速凍之后，脫模，套橡膠套并在試樣兩端裝上壓頭，放人恒溫箱，恒溫箱按照試驗要求設定溫度，恒溫24 h后進行試驗。

1.2 試驗方法

試驗設備為改造的MTS - 810材料試驗機（見圖1），該試驗設備能夠同時控制圍壓和軸向力的施加，其原理見文獻[16]。試驗溫度取- 1.5℃和-10℃兩個溫度，試驗過程中溫度的誤差控制在0.1℃以內。試驗圍壓為0.3 MPa，軸向荷載范圍為土體強度的20%～ 80%.加載方式為60 s加載到所需要的荷載，然后保持恒定，試驗過程中軸向力的誤差控制在10 kPa以內。

2 試驗結果和分析

2.1 軸向應變

通過試驗數據換算得到試樣軸向應變（ε1）及體應變（ε）隨時間的變化曲線（見圖2），q為剪應力值，應變取壓縮為正。從圖2（a）、（b）可以看出，在-10℃和-1，5℃兩個溫度下，試樣表現出相同的規律：低應力情況下表現為衰減蠕變，只有一個階段，即非穩定蠕變階段：高應力情況下表現為非衰減蠕變，包括非穩定蠕變、穩定蠕變和加速蠕變三個階段。另外，從蠕變曲線可以發現，不同條件下蠕變曲線各階段所占的時間以及穩定蠕變階段的應變速率有很大區別，當應力較大時，非衰減蠕變曲線中的穩定蠕變階段迅速轉變為加速蠕變階段，穩定蠕變階段不明顯。

2.2 體應變

從圖2可以看出：①低應力水平時體積變化表現為體縮，高應力水平時表現為體脹，隨著應力水平的提高，體積變形由體縮逐漸轉為體脹。②衰減型蠕變時，在-10℃和-1.5℃兩個溫度下，總體表現為體縮，體應變隨著時間大致呈線性變化，但在開始階段溫度為-1.5 cC時表現為體脹，之后再逐漸變為體縮，而-10℃則一直為體縮。原因是在- 1.5℃時，試樣中未凍水的含量較高，土顆粒容易發生相對移動而沿徑向外移：在-10℃時，試樣中未凍水含量很低，土顆粒難以沿徑向外移。③非衰減型蠕變時，在-10℃和- 1.5℃兩個溫度下，在非穩定和穩定蠕變階段，體積隨時間線性膨脹;進入加速蠕變階段時，體積隨時間加速膨脹。④根據試驗數據得出軸向應變與體應變的關系（見圖3，以-10℃為例）。低應力水平情況下，開始軸向應變增大較快，而體應變變化很小。隨著蠕變速率降低，軸向應變增大變慢，體應變隨軸向應變增大而加速增大。也就是說衰減蠕變情況下，隨著時間的延長和試樣顆粒之間相對移動，試樣的密實度在提高。⑤高應力水平下，在非穩定蠕變階段，隨著軸向應變的增大，體積以較小膨脹速率隨軸向應變線性增大：在穩定蠕變階段，體積膨脹速率隨著軸向應變增大而加速減小：進入加速蠕變階段后，體積以較大膨脹速率隨軸向應變線性增大。

2.3 應變速率

由圖2（a）、（b）可以得出軸向應變速率隨時間的變化曲線（見圖4，由圖2（a）所得）。由圖4可知，當應力水平較低時，軸向蠕變速率逐漸減小（圖4中④、⑤曲線），蠕變開始階段蠕變量占蠕變總量的80%以上：當應力水平較高時，軸向蠕變速率在非穩定階段和加速蠕變階段很大，試樣發生非衰減型蠕變，整個曲線呈U形（圖中③曲線），在0～1.0 h為衰減蠕變、1.0～17.5 h為穩定蠕變、17.5 h以后進入加速蠕變階段。隨著應力水平的提高，中間穩定蠕變的時間逐漸縮短，圖中③→②→①曲線可以體現出來。非衰減型蠕變進入加速蠕變時的軸向蠕變速率隨著應力水平的提高而增大，各個蠕變階段軸向應變速率與應力水平直接相關。

以-10℃為例，根據軸向應變和體應變的變化規律，可以得出徑向應變速率隨時間變化的規律，見圖5。

由圖5可見：①當試樣發生衰減型蠕變時，徑向應變速率在零附近波動，最終趨向零，如圖5（a）、（b）所示，試驗完成后試樣的形狀如圖6（b）。②當發生非衰減型蠕變時，徑向應變速率如圖5（c）①、②、③曲線所示。在非穩定蠕變階段和穩定蠕變階段，徑向應變速率隨時間波動，均為負值，數值較小;當蠕變進入加速階段時，徑向應變速率加速增大，最終試樣發生破壞，試樣徑向向外鼓曲變形，如圖6（c）。

徑向應變速率與蠕變類型相關，原因是徑向變形是多方面綜合的體現。一方面，軸向應變的增大使得土顆粒沿徑向外移，徑向應變往徑向膨脹方向發展，應變速率即為負值;另一方面，圍壓使顆粒移動往密實方向發展，使得顆粒沿徑向內移，徑向變形減小，應變速率即為正值。當蠕變為衰減型蠕變時，軸向應變對徑向應變速率的影響和圍壓對軸向應變的影響差不多，兩者動態變化最終形成了圖5（a）、（b）所示的曲線;而在非衰減型蠕變的情況下，軸向應變增大較快，使得土顆粒沿徑向移動的因素占主導，最終徑向變形往膨脹（負值）發展。當蠕變進入加速階段時，軸向應變快速增大，土顆粒沿徑向外移，軸向應變對徑向變形的影響占主導，最終形成了圖5（b）中的曲線。

2.4 蠕變速率法確定長期強度

長期強度作為凍結黃土蠕變的一個重要指標，對工程穩定使用具有十分重要的意義。沈明榮等[17]總結了確定長期強度的過渡蠕變法、等時曲線法、蠕變曲線第一拐點法等3種方法。其中：過渡蠕變法是找到發生衰減型蠕變的最大偏應力，該方法需要進行大量試驗，費時且只能得到閾值所在的區間：等時曲線法和蠕變第一拐點法類似，均是選取非衰減型蠕變曲線上的點確定長期強度，但選點存在較大的人為誤差，影響試驗結果。

長期強度是發生衰減型蠕變和非衰減型蠕變偏應力的閾值，如果認為衰減型蠕變也屬于非衰減型蠕變的一種，只是衰減型蠕變的穩定階段的軸向蠕變速率為零，那么長期強度就是穩定蠕變階段的軸向蠕變速率為零對應的最大偏應力。結合試驗數據發現，穩定階段的軸向蠕變速率越大，越容易破壞，因此本文認為長期強度為穩定階段軸向蠕變速率的函數，提出蠕變速率法確定長期強度。由于軸向蠕變速率趨近零時剪應力比趨近1，當軸向蠕變速率趨近無窮大時剪應力比趨向無窮大，因此提出擬合長期強度的公式：

把圖2（a）、（b）得到的蠕變數據用式（1）進行擬合（見圖7），可知-10℃的長期強度為6.112 MPa、相關系數為0.996，- 1.5℃的長期強度為1.843 MPa、相關系數為0.879。

第一拐點法以第一拐點對應的時間為依據，而蠕變速率法把穩定蠕變階段的軸向蠕變速率作為擬合求解長期強度的依據，兩者對比可以發現本文方法需要算出速率，求解一段直線的斜率，不需要人為找出拐點，一定程度上避免了人為誤差，因此推薦該方法作為確定蠕變長期強度的主要方法。

3 結論

（1）應力水平較低時，試樣發生衰減型蠕變;應力水平較高時，試樣發生非衰減型蠕變，蠕變的各個階段所占時間與應力水平直接相關。

（2）當試樣發生衰減型蠕變時，體積表現為體縮，體應變與時間大致成線性關系：當試樣發生非衰減型蠕變時體積表現為體脹，在非穩定和穩定蠕變階段體積隨時間線性膨脹，進入加速蠕變階段時體積隨時間加速膨脹，體應變隨軸向應變線性增加;溫度、應力水平和蠕變類型是影響體應變由體縮到體脹的因素。

（3）衰減型蠕變，軸向應變速率隨時間逐漸減小，蠕變開始階段蠕變量占蠕變總量的80%以上：非衰減型蠕變，軸向應變速率隨時間呈U形曲線，各個蠕變階段軸向應變速率的大小和所占時間的長短與應力水平直接相關。

（4）徑向應變速率呈動態波動，衰減型蠕變時，徑向應變速率在零附近波動，最終趨向零：非衰減型蠕變時，徑向應變速率在蠕變前兩個階段數值較小，在負值處動態波動，進入加速蠕變階段后，徑向應變速率加速增大，試樣鼓曲破壞。

（5）蠕變速率法確定長期強度與第一拐點法理論類似，在操作上一定程度減少了人為誤差，因此該方法可作為確定蠕變長期強度的主要方法。

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