第41卷增刊人民長江Vol. 41, Supplement200年11月Yangtze RiverNov.,2010文章編號:1001-479(2010)s1-0109-04凍土動力學特性分析王守,鞏立亮,烏晨曦,常顴彬,王越(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有隈公司,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特、復雜的動力學性質(zhì)和較高的致災性,與之相關(guān)的動力學問題巳成為工程界關(guān)注的焦點。為了滿足在振動荷載作用下凍土地基基礎(chǔ)設(shè)計的需要,近幾年來進行了大量凍土動力學性能研究,包括凍土的動蠕變和動強度。從一些瘳數(shù)和動強度角度介紹了凍土動力學的研究現(xiàn)狀概迷了研究和試驗的過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提出了的建議。關(guān)锽詞:凍土;動蠕變;動強度;動力學棗數(shù);動力學特性中圖法分類號:P642.14文獻標志碼:A凍土的動力學特性是寒區(qū)地球物理勘探、爆破開(即強度試驗)兩種。恒應力幅值動荷載試驗是施加挖工程、抗震及有振動機械的建筑設(shè)計的重要依據(jù)之正弦變化的軸向循環(huán)周期荷載,但應力幅值保持恒定。我國大部分季節(jié)性凍土區(qū)都屬于地震活動區(qū),開即展凍土區(qū)地震反應研究,對凍土區(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凍土的動力特性進行系統(tǒng)而深入的研究。本文將主要從動強度和動力學參數(shù)方面來介恒應變速率等幅動應變試驗是控制應變變幅的紹凍土動力學的研究現(xiàn)狀。上、下界隨時間以同一速率等速增長,且應變變幅保持不變。1凍土的動力學參數(shù)及測試方法1.1.2共振柱法凍土的動力學參數(shù)主要有動彈性模量E4、動剪切共振柱法適用于小應變(103~103)、高頻率模量G4和動阻尼比η及泊松比μ。(幾赫茲到幾百赫茲)范圍測試,是無損檢測。根據(jù)共1.1參數(shù)測試方法振原理,在一個圓形試樣上施加縱向激振力或扭轉(zhuǎn)激目前用于凍土動力學參數(shù)測試的主要手段有動振力改變振動頻率使其產(chǎn)生共振,由共振頻率、試樣三(單)軸試驗法、共振柱法和波速法。尺寸邊界條件求得試樣的動模量,計算公式為:1.1.1動三(單)軸試驗法2PfH、E4=Q((4)B動三(單)軸試驗法適用于大應變(10~10-)2Pf,H低頻率(零點幾赫茲到十幾赫茲)范圍測試,可以模擬(5地震動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自振法得到,即給試R1=0時為動單軸試驗。加載方式分恒應力幅值動荷件施加一個初始角位移,之后突然釋放試樣就處于自載(即蠕變試驗)和恒應變速率等幅動應變振動試驗由振動狀態(tài)。中國煤化工CNMHG收稿日期:2010-10-19作者簡介:王寧,男,助理工程師,主要從事土工試驗工作。E-mail:50372307@ qq. cont110人民長江2010年A的方程來描述,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為負溫絕對值;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,動彈性模量和動剪切模量就波速法也是無損檢測,模擬地震波在土體中的傳越大。凍土的動泊松比隨著溫度的降低而減小。播,利用聲波儀測得縱波及橫波波速,從而求得土的動彈性模量、動剪切模量及動泊松比,計算公式為:黃士{u=18.86%)3pv(vp-3v)36±(u=3100%)EV: -V(8)Vp-2vs圖1動彈性模量與溫度關(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凍土動力學特性分析貼土(u=31.00%)1.2.1動彈性模量、動剪切模量和動泊松比凍土的動彈性模量E4和動剪切模量G是凍土動超度/C力學參數(shù)中的重要指標,影響它們的主要因素有土質(zhì)、圖2動剪切模量與溫度關(guān)系含水量、溫度、圍壓頻率、應變幅值和應力等。目前已黏土(u=31.0%)得到普遍認可并通過3種試驗方法都得到的結(jié)論是:→篾土(u=18.86%(1)凍土的動彈性模量E與動剪切模量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=17,60兩個量級或更多粗顆粒土的E4大于細顆粒土的EA;(3)動模量隨溫度降低而增大,隨頻率加快而變圖3動泊松比與溫度關(guān)系大,隨應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(4)隨著圍壓的增大,E總體上呈現(xiàn)出降低的趨彈性模量、動剪切模量及動泊松比隨含水率的變化曲勢,這種趨勢在粗粒土中的表現(xiàn)比細粒土的較為明顯,線。此外,可能還存在一個臨界圍壓,當圍壓變大時,E4先莫士(=-10°c)變大后變小,而在臨界圍壓處達到最大。當前,很多有關(guān)凍土動力學特性的研究工作都是5050針對某一種土質(zhì)和某一種方法進行的。下述試驗是王t(=-5·c)大雁、朱元林等人運用UVM-2型聲速測定儀,測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),試驗圖4動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)彈性理論利用所測得的超聲波波速計算了被測凍其動彈性模量和動剪切模量隨含水率的增加而增加土試樣的動彈性力學參數(shù)(動彈性模量E、動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為得到的動彈性模量、動而減少。因為當含水率較小時隨著含水率的增加,土剪切模量及動泊松比與溫度的關(guān)系曲線。顆粒間的冰膠結(jié)面積明顯增加,因此凍土強度及模量由圖1~3可以看出凍土的動彈性模量和動剪切亦隨之增模量隨著溫度的降低而增加這是因為溫度降低凍水率的增址中國煤化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)能力增強從而逐漸減小,人此冰工強度反懊重隨之減小。在一定導致凍土本身強度提高。它們之間的規(guī)律可用一個統(tǒng)溫度下,凍結(jié)粘土與凍結(jié)黃土的動泊松比在試驗含水增王寧,等:凍土動力學特性分析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;凍土在較高溫時的動阻尼比大于低溫時的;含水量對凍土的動阻尼比影響較小,隨含員士(6=-10·C)水量的增加,凍土的動阻尼只是略微呈現(xiàn)出增加趨勢。通過對凍結(jié)粉土的動三軸試驗可以得出:凍土動阻尼黏土(=-5·c)比隨凍土動剪應變的增大而顯著增大;負溫對動阻尼比的影響較大,特別是在較大動應變下高溫凍土阻尼比有增大趨勢;動阻尼比隨圍壓上升而增大;在循環(huán)動圖5動剪切模量與含水率的關(guān)系載荷作用下,動阻尼比隨著溫度的降低而變小;此外,站土(6--5°C)動阻尼比在小應變下隨軸向動荷載單級振次增加而變側(cè)土(--10°c)化較小,而在較大應變下則隨之增大而增大;有圍壓循20.25環(huán)荷載作用下,隨荷載的振動次數(shù)和土體含水量的增大,凍土的動阻尼比變化不明顯。綜上所述,凍土的動阻尼比隨著溫度的降低而變小;隨著頻率的加快而變小,且低頻時的變化率要大于圖6動泊松比與含水率的關(guān)系高頻時;應變對凍土的動阻尼比影響比較有局限性,在此外,通過對青藏鐵路粉土和細砂進行的研究,得大應變時,動阻尼比隨著應變幅值的增加而增加,小應到了如下結(jié)論:粉質(zhì)粘土和細砂的動力學參數(shù)隨加載變時動阻尼變化則不明顯;含水量和圍壓對凍土動阻頻率溫度、含水量的變化規(guī)律相同;相同條件下,細砂尼比影響不大。的動彈性模量E4大于粉質(zhì)粘土;當頻率增加時,動彈性模量E,增加,且在低頻時變化較大,在高頻時變化2凍士的動強度較小。而國外 Vision等人比較共振柱試驗和循環(huán)動三動強度是指在一定振動循環(huán)次數(shù)下使試樣產(chǎn)生破軸試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),動三軸試驗中,頻率和應變幅值對壞應變時的振動剪應力。影響凍土動強度的因素主要E4的影響比共振柱試驗中明顯。有溫度、土質(zhì)、含水量、圍壓、振頻及應變等。1.2.2凍土的動阻尼比吳志堅、馬巍等人為了研究在地震荷載作用下凍動阻尼比是衡量土體吸收動載荷能量能力的一個土的凍強度特性對重塑凍結(jié)蘭州黃土進行了動三軸尺度。動阻尼比的計算公式為:試驗。試驗采用等幅正弦循環(huán)荷載模擬地震作用。圖△W7所示就是通過試驗得到的3種不同溫度下的動強度4丌W(11)曲線,即達到15%總應變破壞準則時振動次數(shù)N與動式中,△W為阻尼耗能;W為等效應變能。剪應力的關(guān)系曲線。動阻尼比跟動模量有很大關(guān)系,二者通常呈線性關(guān)系。影響動模量的因素都會影響動阻尼特性,使動模量降低的因素常使動阻尼比提高,其中主要的影響因素有溫度、頻率、含水量、圍壓及應變等。19Vision等人提出隨著溫度降低或頻率加快,凍土6182的動阻尼比變小。因為溫度降低,未凍水含量減少,且冰的強度增加,故阻尼比減小。在動荷載作用下,冰與圖7不同溫度、不同圍壓下的凍強度-振動關(guān)系曲線土顆粒間有相對滑移,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,動阻尼土的動抗剪強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,凍土的動強度均隨振次的增加(動應力作用時變大而呈稍微變大的趨勢;在10~10的應變范圍間的延長)而降低;在不同圍壓下,凍土的動強度都會內(nèi),對粉土和粘土來說,是隨應變幅值的增加,阻尼比隨溫度的降低而明顯增大。變大;而對砂土來說,是隨應變幅值的增加,阻尼比變圖8和動作A田無度對兩個動抗剪小。無論對哪種土,在應變小于10時,阻尼比變化強度參數(shù),動U4的影響曲線。由圖8和CNMH都不明顯。通過對取自青藏鐵路的粉土和細砂進行研度下,動粘聚力C究可知:當頻率增加時,凍土的動阻尼比變小,低頻時值隨振次的增加而減小而當作用振次較少時,動摩擦112人民長江2010年角φ值隨振次增加會有小幅增大;在相同振次下,C4、流塑性導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,其潤滑作用也(溫度大約為0~-5℃),C值變化較為顯劇,而當溫減小了顆粒間的摩擦,有利于顆粒位錯和定向排列度t<-5℃時,其變化趨于平緩。這是減弱效應。當圍壓小于臨界圍壓時,增強效應占主體,動強度隨圍壓的變大而變大;當圍壓大于臨界圍壓時,減弱效應占主體,強度隨圍壓增大而減小。N=30(6)不同圍壓下動強度對應變速率的影響關(guān)系可以用以下冪函數(shù)描述:o,= k,e,'+C式中,σ4為60下試驗的峰值偏應力(σ1-σ3),MPa;圖8粘聚力-溫度關(guān)系曲線k,n1,C,為對應于不同的圍壓和振頻試驗的擬合參7.5(7)得到了單軸動強度模型:gd =k8+c(13)N=20(8)動強度的破壞準則,即拋物線準則為:4圖9內(nèi)摩擦力一溫度關(guān)系曲線綜上所述,表明凍土的動強度隨著溫度的降低而通過對凍結(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,隨著應變速率的變大而(1)比較動三軸、動單軸資料表明,凍土的三軸動增大,隨著振頻的增加而降低。但是由于目前對凍土強度大于單軸動強度。動強度的研究只是針對于某幾種土進行的,因此,應繼(2)頻率對動強度的影響不太明顯,但隨著振頻續(xù)開展對其他各種土質(zhì)的動強度試驗,以此來豐富凍的加大,疲勞效應加強,動強度會有所下降,在低應變土動強度特性的理論研究。速率下,高振頻反而使動強度略有提高。3結(jié)語(3)三軸和單軸試驗結(jié)果都表明,存在一臨界應變速率,約為1667×10-3~1.667×10-s,即在0.1%本文只是從凍土的凍強度、動力學參數(shù)方面研究1.0%/min應變速率附近。在此應變速率下,動靜了凍土動力學從現(xiàn)狀和進展可以看出,室內(nèi)測試技術(shù)試驗的強度相等,破壞應變接近頻率對動強度基本無日趨成熟,動力學參數(shù)、動強度方面的資料也較豐富。影響。當應變速率大于該臨界值時,即在高應變速率此外,我們還可以從凍土凍蠕變、動應力-應變關(guān)系、下,動強度大于靜強度,動破壞應變大于靜破壞應變,凍土場地地震反應特性等方面對凍土動力學進行全面動強度隨頻率加大稍有減小,動力作用中的速率效應系統(tǒng)的研究這對凍土區(qū)工程建設(shè)將有著十分重要的占主導;反之,在應變速率小于該臨界值時,即在低應意義。今后需在以下幾個方面開展進一步的深入研變速率下,動強度小于靜強度,動破壞應變小于靜破壞究應變,動強度隨頻率加大稍有增加,動力作用中的循環(huán)(1)由于凍土結(jié)構(gòu)及動荷載的復雜性,使凍土的效應占主導。動本構(gòu)關(guān)系難以確定,因此應該借鑒普通土動力學的(4)在一定圍壓下,一定的動強度對應一定的破研究成果認識動荷載作用下凍土結(jié)構(gòu)變化的物理本壞振次,它們的對應關(guān)系表明存在長期動強度的下極質(zhì),發(fā)展粘彈塑損傷斷裂本構(gòu)模型。限,即長期極限動強度。(2)大力開展現(xiàn)場原位測試,以使凍土動力學研(5)存在一臨界圍壓,當圍壓小于臨界圍壓時,動究成果能盡快應用于工程實踐。強度則隨圍壓的變大而變大;當圍壓大于臨界圍壓時(3)模型試驗具有聯(lián)系室內(nèi)試驗研究成果和工程強度則隨圍壓增大而減小。這是因為圍壓對動強度有實際應用的優(yōu)點因此亦應予以足夠重視?？傊?需進兩種作用:一方面圍壓使凍土的孔隙率變小微裂隙步將室內(nèi)試驗現(xiàn)場原位試驗模型試驗和實際工程閉合導致土體進一步固結(jié),凍土動強度增強,這是增檢測緊密中國煤化工凍土的動力學理強效應;另一方面,圍壓使土的凍結(jié)溫度下降,相對地論,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)