第41卷增刊人民長(zhǎng)江Vol. 41, Supplement200年11月Yangtze RiverNov.,2010文章編號(hào):1001-479(2010)s1-0109-04凍土動(dòng)力學(xué)特性分析王守,鞏立亮,烏晨曦,常顴彬,王越(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有隈公司,河南鄭州475003;2.河南黃河河務(wù)局信息中心,河南鄭州4500033.河南孟州黃河河務(wù)局,河南焦作472300;4.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南開封475003)犢要:在我因廣泛分布的特殊土一凍土具有獨(dú)特、復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和較高的致災(zāi)性,與之相關(guān)的動(dòng)力學(xué)問題巳成為工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。為了滿足在振動(dòng)荷載作用下凍土地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的需要,近幾年來(lái)進(jìn)行了大量?jī)鐾羷?dòng)力學(xué)性能研究,包括凍土的動(dòng)蠕變和動(dòng)強(qiáng)度。從一些瘳數(shù)和動(dòng)強(qiáng)度角度介紹了凍土動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀概迷了研究和試驗(yàn)的過(guò)程以及從中得出的結(jié)論,并就今后的研究方向和研究重點(diǎn)提出了的建議。關(guān)锽詞:凍土;動(dòng)蠕變;動(dòng)強(qiáng)度;動(dòng)力學(xué)棗數(shù);動(dòng)力學(xué)特性中圖法分類號(hào):P642.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A凍土的動(dòng)力學(xué)特性是寒區(qū)地球物理勘探、爆破開(即強(qiáng)度試驗(yàn))兩種。恒應(yīng)力幅值動(dòng)荷載試驗(yàn)是施加挖工程、抗震及有振動(dòng)機(jī)械的建筑設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之正弦變化的軸向循環(huán)周期荷載,但應(yīng)力幅值保持恒定。我國(guó)大部分季節(jié)性凍土區(qū)都屬于地震活動(dòng)區(qū),開即展凍土區(qū)地震反應(yīng)研究,對(duì)凍土區(qū)工程建設(shè)有著十分(1)重要的意義。另外,隨著寒區(qū)工程建設(shè)的迅速發(fā)展,現(xiàn)Constant有的一些理論和方法已經(jīng)滿足不了工程建設(shè)的需求(1+因而要求人們必須對(duì)凍土的動(dòng)力特性進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究。本文將主要從動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)參數(shù)方面來(lái)介恒應(yīng)變速率等幅動(dòng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)是控制應(yīng)變變幅的紹凍土動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀。上、下界隨時(shí)間以同一速率等速增長(zhǎng),且應(yīng)變變幅保持不變。1凍土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)及測(cè)試方法1.1.2共振柱法凍土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要有動(dòng)彈性模量E4、動(dòng)剪切共振柱法適用于小應(yīng)變(103~103)、高頻率模量G4和動(dòng)阻尼比η及泊松比μ。(幾赫茲到幾百赫茲)范圍測(cè)試,是無(wú)損檢測(cè)。根據(jù)共1.1參數(shù)測(cè)試方法振原理,在一個(gè)圓形試樣上施加縱向激振力或扭轉(zhuǎn)激目前用于凍土動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試的主要手段有動(dòng)振力改變振動(dòng)頻率使其產(chǎn)生共振,由共振頻率、試樣三(單)軸試驗(yàn)法、共振柱法和波速法。尺寸邊界條件求得試樣的動(dòng)模量,計(jì)算公式為:1.1.1動(dòng)三(單)軸試驗(yàn)法2PfH、E4=Q((4)B動(dòng)三(單)軸試驗(yàn)法適用于大應(yīng)變(10~10-)2Pf,H低頻率(零點(diǎn)幾赫茲到十幾赫茲)范圍測(cè)試,可以模擬(5地震動(dòng)荷載作用是目前使用最多的一種方法。圍壓式中,為共振頻率阻尼比通過(guò)自振法得到,即給試R1=0時(shí)為動(dòng)單軸試驗(yàn)。加載方式分恒應(yīng)力幅值動(dòng)荷件施加一個(gè)初始角位移,之后突然釋放試樣就處于自載(即蠕變?cè)囼?yàn))和恒應(yīng)變速率等幅動(dòng)應(yīng)變振動(dòng)試驗(yàn)由振動(dòng)狀態(tài)。中國(guó)煤化工CNMHG收稿日期:2010-10-19作者簡(jiǎn)介:王寧,男,助理工程師,主要從事土工試驗(yàn)工作。E-mail:50372307@ qq. cont110人民長(zhǎng)江2010年A的方程來(lái)描述,即:E/G AlnH +B(10)式中,A為第N次的振幅,A為第N+m次的振幅。式中,H為負(fù)溫絕對(duì)值;A和B是與土質(zhì)和含水率有關(guān)1.1.3波速法的參數(shù)。而且,顆粒越粗,動(dòng)彈性模量和動(dòng)剪切模量就波速法也是無(wú)損檢測(cè),模擬地震波在土體中的傳越大。凍土的動(dòng)泊松比隨著溫度的降低而減小。播,利用聲波儀測(cè)得縱波及橫波波速,從而求得土的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量及動(dòng)泊松比,計(jì)算公式為:黃士{u=18.86%)3pv(vp-3v)36±(u=3100%)EV: -V(8)Vp-2vs圖1動(dòng)彈性模量與溫度關(guān)系V2-V2式中,V為縱波波速;V為橫波波速;p為密度。黃士(=18.8%)1.2凍土動(dòng)力學(xué)特性分析貼土(u=31.00%)1.2.1動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量和動(dòng)泊松比凍土的動(dòng)彈性模量E4和動(dòng)剪切模量G是凍土動(dòng)超度/C力學(xué)參數(shù)中的重要指標(biāo),影響它們的主要因素有土質(zhì)、圖2動(dòng)剪切模量與溫度關(guān)系含水量、溫度、圍壓頻率、應(yīng)變幅值和應(yīng)力等。目前已黏土(u=31.0%)得到普遍認(rèn)可并通過(guò)3種試驗(yàn)方法都得到的結(jié)論是:→篾土(u=18.86%(1)凍土的動(dòng)彈性模量E與動(dòng)剪切模量G4的變化規(guī)律相似;(2)土質(zhì)不同,E不同,凍土的E比未凍土的大土u=17,60兩個(gè)量級(jí)或更多粗顆粒土的E4大于細(xì)顆粒土的EA;(3)動(dòng)模量隨溫度降低而增大,隨頻率加快而變圖3動(dòng)泊松比與溫度關(guān)系大,隨應(yīng)變幅值的增大而減小。圖4-6為一定溫度下凍結(jié)粘土與凍結(jié)黃土的動(dòng)(4)隨著圍壓的增大,E總體上呈現(xiàn)出降低的趨彈性模量、動(dòng)剪切模量及動(dòng)泊松比隨含水率的變化曲勢(shì),這種趨勢(shì)在粗粒土中的表現(xiàn)比細(xì)粒土的較為明顯,線。此外,可能還存在一個(gè)臨界圍壓,當(dāng)圍壓變大時(shí),E4先莫士(=-10°c)變大后變小,而在臨界圍壓處達(dá)到最大。當(dāng)前,很多有關(guān)凍土動(dòng)力學(xué)特性的研究工作都是5050針對(duì)某一種土質(zhì)和某一種方法進(jìn)行的。下述試驗(yàn)是王t(=-5·c)大雁、朱元林等人運(yùn)用UVM-2型聲速測(cè)定儀,測(cè)定的不同含水率的凍結(jié)砂土、凍結(jié)黃土和凍結(jié)粘土在不同溫度下的超聲波波速(縱波波速和橫波波速),試驗(yàn)圖4動(dòng)彈性模量與含水率的關(guān)系土質(zhì)為哈爾濱粘土、蘭州黃土(粉土)及北京細(xì)砂。根由圖4~6可見:在低含水率范圍內(nèi)的凍結(jié)黃土,據(jù)彈性理論利用所測(cè)得的超聲波波速計(jì)算了被測(cè)凍其動(dòng)彈性模量和動(dòng)剪切模量隨含水率的增加而增加土試樣的動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)(動(dòng)彈性模量E、動(dòng)剪切模在高含水率范圍內(nèi)的凍結(jié)粘土則是隨含水率的增加量G和泊松比μ)。圖1~3為得到的動(dòng)彈性模量、動(dòng)而減少。因?yàn)楫?dāng)含水率較小時(shí)隨著含水率的增加,土剪切模量及動(dòng)泊松比與溫度的關(guān)系曲線。顆粒間的冰膠結(jié)面積明顯增加,因此凍土強(qiáng)度及模量由圖1~3可以看出凍土的動(dòng)彈性模量和動(dòng)剪切亦隨之增模量隨著溫度的降低而增加這是因?yàn)闇囟冉档蛢鏊实脑鲋分袊?guó)煤化x定程度后隨著含CNMH顆粒間的膠結(jié)力土內(nèi)的含冰率提高使土顆粒間的膠結(jié)能力增強(qiáng)從而逐漸減小,人此冰工強(qiáng)度反懊重隨之減小。在一定導(dǎo)致凍土本身強(qiáng)度提高。它們之間的規(guī)律可用一個(gè)統(tǒng)溫度下,凍結(jié)粘土與凍結(jié)黃土的動(dòng)泊松比在試驗(yàn)含水增王寧,等:凍土動(dòng)力學(xué)特性分析l11率范圍內(nèi)隨含水率的增加而增加。的變化率大于高頻時(shí);凍土在較高溫時(shí)的動(dòng)阻尼比大于低溫時(shí)的;含水量對(duì)凍土的動(dòng)阻尼比影響較小,隨含員士(6=-10·C)水量的增加,凍土的動(dòng)阻尼只是略微呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)凍結(jié)粉土的動(dòng)三軸試驗(yàn)可以得出:凍土動(dòng)阻尼黏土(=-5·c)比隨凍土動(dòng)剪應(yīng)變的增大而顯著增大;負(fù)溫對(duì)動(dòng)阻尼比的影響較大,特別是在較大動(dòng)應(yīng)變下高溫凍土阻尼比有增大趨勢(shì);動(dòng)阻尼比隨圍壓上升而增大;在循環(huán)動(dòng)圖5動(dòng)剪切模量與含水率的關(guān)系載荷作用下,動(dòng)阻尼比隨著溫度的降低而變小;此外,站土(6--5°C)動(dòng)阻尼比在小應(yīng)變下隨軸向動(dòng)荷載單級(jí)振次增加而變側(cè)土(--10°c)化較小,而在較大應(yīng)變下則隨之增大而增大;有圍壓循20.25環(huán)荷載作用下,隨荷載的振動(dòng)次數(shù)和土體含水量的增大,凍土的動(dòng)阻尼比變化不明顯。綜上所述,凍土的動(dòng)阻尼比隨著溫度的降低而變小;隨著頻率的加快而變小,且低頻時(shí)的變化率要大于圖6動(dòng)泊松比與含水率的關(guān)系高頻時(shí);應(yīng)變對(duì)凍土的動(dòng)阻尼比影響比較有局限性,在此外,通過(guò)對(duì)青藏鐵路粉土和細(xì)砂進(jìn)行的研究,得大應(yīng)變時(shí),動(dòng)阻尼比隨著應(yīng)變幅值的增加而增加,小應(yīng)到了如下結(jié)論:粉質(zhì)粘土和細(xì)砂的動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨加載變時(shí)動(dòng)阻尼變化則不明顯;含水量和圍壓對(duì)凍土動(dòng)阻頻率溫度、含水量的變化規(guī)律相同;相同條件下,細(xì)砂尼比影響不大。的動(dòng)彈性模量E4大于粉質(zhì)粘土;當(dāng)頻率增加時(shí),動(dòng)彈性模量E,增加,且在低頻時(shí)變化較大,在高頻時(shí)變化2凍士的動(dòng)強(qiáng)度較小。而國(guó)外 Vision等人比較共振柱試驗(yàn)和循環(huán)動(dòng)三動(dòng)強(qiáng)度是指在一定振動(dòng)循環(huán)次數(shù)下使試樣產(chǎn)生破軸試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),動(dòng)三軸試驗(yàn)中,頻率和應(yīng)變幅值對(duì)壞應(yīng)變時(shí)的振動(dòng)剪應(yīng)力。影響凍土動(dòng)強(qiáng)度的因素主要E4的影響比共振柱試驗(yàn)中明顯。有溫度、土質(zhì)、含水量、圍壓、振頻及應(yīng)變等。1.2.2凍土的動(dòng)阻尼比吳志堅(jiān)、馬巍等人為了研究在地震荷載作用下凍動(dòng)阻尼比是衡量土體吸收動(dòng)載荷能量能力的一個(gè)土的凍強(qiáng)度特性對(duì)重塑凍結(jié)蘭州黃土進(jìn)行了動(dòng)三軸尺度。動(dòng)阻尼比的計(jì)算公式為:試驗(yàn)。試驗(yàn)采用等幅正弦循環(huán)荷載模擬地震作用。圖△W7所示就是通過(guò)試驗(yàn)得到的3種不同溫度下的動(dòng)強(qiáng)度4丌W(11)曲線,即達(dá)到15%總應(yīng)變破壞準(zhǔn)則時(shí)振動(dòng)次數(shù)N與動(dòng)式中,△W為阻尼耗能;W為等效應(yīng)變能。剪應(yīng)力的關(guān)系曲線。動(dòng)阻尼比跟動(dòng)模量有很大關(guān)系,二者通常呈線性關(guān)系。影響動(dòng)模量的因素都會(huì)影響動(dòng)阻尼特性,使動(dòng)模量降低的因素常使動(dòng)阻尼比提高,其中主要的影響因素有溫度、頻率、含水量、圍壓及應(yīng)變等。19Vision等人提出隨著溫度降低或頻率加快,凍土6182的動(dòng)阻尼比變小。因?yàn)闇囟冉档?未凍水含量減少,且冰的強(qiáng)度增加,故阻尼比減小。在動(dòng)荷載作用下,冰與圖7不同溫度、不同圍壓下的凍強(qiáng)度-振動(dòng)關(guān)系曲線土顆粒間有相對(duì)滑移,頻率越大,這種滑移效果就越明由圖7可以得到如下結(jié)論:在同一溫度條件下,凍顯,因此阻尼比變小。隨含水量和圍壓的變化,動(dòng)阻尼土的動(dòng)抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大;在不同溫度條比的變化較分散,但總體上,是隨含水量增加或圍壓的件下,凍土的動(dòng)強(qiáng)度均隨振次的增加(動(dòng)應(yīng)力作用時(shí)變大而呈稍微變大的趨勢(shì);在10~10的應(yīng)變范圍間的延長(zhǎng))而降低;在不同圍壓下,凍土的動(dòng)強(qiáng)度都會(huì)內(nèi),對(duì)粉土和粘土來(lái)說(shuō),是隨應(yīng)變幅值的增加,阻尼比隨溫度的降低而明顯增大。變大;而對(duì)砂土來(lái)說(shuō),是隨應(yīng)變幅值的增加,阻尼比變圖8和動(dòng)作A田無(wú)度對(duì)兩個(gè)動(dòng)抗剪小。無(wú)論對(duì)哪種土,在應(yīng)變小于10時(shí),阻尼比變化強(qiáng)度參數(shù),動(dòng)U4的影響曲線。由圖8和CNMH都不明顯。通過(guò)對(duì)取自青藏鐵路的粉土和細(xì)砂進(jìn)行研度下,動(dòng)粘聚力C究可知:當(dāng)頻率增加時(shí),凍土的動(dòng)阻尼比變小,低頻時(shí)值隨振次的增加而減小而當(dāng)作用振次較少時(shí),動(dòng)摩擦112人民長(zhǎng)江2010年角φ值隨振次增加會(huì)有小幅增大;在相同振次下,C4、流塑性導(dǎo)致冰重分布和冰晶重新定向,減小了冰的粘φ4值隨溫度的降低而增大,在水-冰的劇烈相變區(qū)聚力。另外由于未凍水遷移和重分布,其潤(rùn)滑作用也(溫度大約為0~-5℃),C值變化較為顯劇,而當(dāng)溫減小了顆粒間的摩擦,有利于顆粒位錯(cuò)和定向排列度t<-5℃時(shí),其變化趨于平緩。這是減弱效應(yīng)。當(dāng)圍壓小于臨界圍壓時(shí),增強(qiáng)效應(yīng)占主體,動(dòng)強(qiáng)度隨圍壓的變大而變大;當(dāng)圍壓大于臨界圍壓時(shí),減弱效應(yīng)占主體,強(qiáng)度隨圍壓增大而減小。N=30(6)不同圍壓下動(dòng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變速率的影響關(guān)系可以用以下冪函數(shù)描述:o,= k,e,'+C式中,σ4為60下試驗(yàn)的峰值偏應(yīng)力(σ1-σ3),MPa;圖8粘聚力-溫度關(guān)系曲線k,n1,C,為對(duì)應(yīng)于不同的圍壓和振頻試驗(yàn)的擬合參7.5(7)得到了單軸動(dòng)強(qiáng)度模型:gd =k8+c(13)N=20(8)動(dòng)強(qiáng)度的破壞準(zhǔn)則,即拋物線準(zhǔn)則為:4圖9內(nèi)摩擦力一溫度關(guān)系曲線綜上所述,表明凍土的動(dòng)強(qiáng)度隨著溫度的降低而通過(guò)對(duì)凍結(jié)粉土的研究,得出了如下結(jié)論:增大,隨著圍壓的增大而增大,隨著應(yīng)變速率的變大而(1)比較動(dòng)三軸、動(dòng)單軸資料表明,凍土的三軸動(dòng)增大,隨著振頻的增加而降低。但是由于目前對(duì)凍土強(qiáng)度大于單軸動(dòng)強(qiáng)度。動(dòng)強(qiáng)度的研究只是針對(duì)于某幾種土進(jìn)行的,因此,應(yīng)繼(2)頻率對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響不太明顯,但隨著振頻續(xù)開展對(duì)其他各種土質(zhì)的動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn),以此來(lái)豐富凍的加大,疲勞效應(yīng)加強(qiáng),動(dòng)強(qiáng)度會(huì)有所下降,在低應(yīng)變土動(dòng)強(qiáng)度特性的理論研究。速率下,高振頻反而使動(dòng)強(qiáng)度略有提高。3結(jié)語(yǔ)(3)三軸和單軸試驗(yàn)結(jié)果都表明,存在一臨界應(yīng)變速率,約為1667×10-3~1.667×10-s,即在0.1%本文只是從凍土的凍強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)參數(shù)方面研究1.0%/min應(yīng)變速率附近。在此應(yīng)變速率下,動(dòng)靜了凍土動(dòng)力學(xué)從現(xiàn)狀和進(jìn)展可以看出,室內(nèi)測(cè)試技術(shù)試驗(yàn)的強(qiáng)度相等,破壞應(yīng)變接近頻率對(duì)動(dòng)強(qiáng)度基本無(wú)日趨成熟,動(dòng)力學(xué)參數(shù)、動(dòng)強(qiáng)度方面的資料也較豐富。影響。當(dāng)應(yīng)變速率大于該臨界值時(shí),即在高應(yīng)變速率此外,我們還可以從凍土凍蠕變、動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、下,動(dòng)強(qiáng)度大于靜強(qiáng)度,動(dòng)破壞應(yīng)變大于靜破壞應(yīng)變,凍土場(chǎng)地地震反應(yīng)特性等方面對(duì)凍土動(dòng)力學(xué)進(jìn)行全面動(dòng)強(qiáng)度隨頻率加大稍有減小,動(dòng)力作用中的速率效應(yīng)系統(tǒng)的研究這對(duì)凍土區(qū)工程建設(shè)將有著十分重要的占主導(dǎo);反之,在應(yīng)變速率小于該臨界值時(shí),即在低應(yīng)意義。今后需在以下幾個(gè)方面開展進(jìn)一步的深入研變速率下,動(dòng)強(qiáng)度小于靜強(qiáng)度,動(dòng)破壞應(yīng)變小于靜破壞究應(yīng)變,動(dòng)強(qiáng)度隨頻率加大稍有增加,動(dòng)力作用中的循環(huán)(1)由于凍土結(jié)構(gòu)及動(dòng)荷載的復(fù)雜性,使凍土的效應(yīng)占主導(dǎo)。動(dòng)本構(gòu)關(guān)系難以確定,因此應(yīng)該借鑒普通土動(dòng)力學(xué)的(4)在一定圍壓下,一定的動(dòng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)一定的破研究成果認(rèn)識(shí)動(dòng)荷載作用下凍土結(jié)構(gòu)變化的物理本壞振次,它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系表明存在長(zhǎng)期動(dòng)強(qiáng)度的下極質(zhì),發(fā)展粘彈塑損傷斷裂本構(gòu)模型。限,即長(zhǎng)期極限動(dòng)強(qiáng)度。(2)大力開展現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試,以使凍土動(dòng)力學(xué)研(5)存在一臨界圍壓,當(dāng)圍壓小于臨界圍壓時(shí),動(dòng)究成果能盡快應(yīng)用于工程實(shí)踐。強(qiáng)度則隨圍壓的變大而變大;當(dāng)圍壓大于臨界圍壓時(shí)(3)模型試驗(yàn)具有聯(lián)系室內(nèi)試驗(yàn)研究成果和工程強(qiáng)度則隨圍壓增大而減小。這是因?yàn)閲鷫簩?duì)動(dòng)強(qiáng)度有實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)因此亦應(yīng)予以足夠重視?？傊?需進(jìn)兩種作用:一方面圍壓使凍土的孔隙率變小微裂隙步將室內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)和實(shí)際工程閉合導(dǎo)致土體進(jìn)一步固結(jié),凍土動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng),這是增檢測(cè)緊密中國(guó)煤化工凍土的動(dòng)力學(xué)理強(qiáng)效應(yīng);另一方面,圍壓使土的凍結(jié)溫度下降,相對(duì)地論,并將其CNMHG提高了土溫削弱了凍土的內(nèi)部聯(lián)結(jié),冰的局部壓融和(編:趙秋云)