溫度梯度凍結(jié)黏土破壞形態(tài)及抗壓強(qiáng)度分析_圖文

1、第 32卷 第 12期 巖 土 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.32 No.12 2010年 12月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Dec. 2010 溫度梯度凍結(jié)黏土破壞形態(tài)及抗壓強(qiáng)度分析趙曉東 1,2,周國(guó)慶 1,2,陳國(guó)舟 1,2(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221008;2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221008摘 要 :采用先凍結(jié)后固結(jié)(GFC 的凍土試驗(yàn)方法進(jìn)行 3種溫度梯度凍結(jié)黏土的三軸壓縮試驗(yàn),研究不同溫度梯度 凍土破壞形態(tài)以及溫度梯度、圍壓對(duì)凍土強(qiáng)度的弱化效應(yīng)。結(jié)果表

2、明: 溫度梯度對(duì)凍土破壞形態(tài)有明顯影響,而圍 壓的影響與溫度梯度相比則可以忽略。不同溫度梯度凍土破壞形態(tài)呈下端“脹開”型,均勻溫度凍土破壞形態(tài)呈“腰 鼓”型;不同溫度梯度凍土破壞后的徑向膨脹量和垂向壓縮量沿不同試樣高度的非均勻分布是溫度梯度誘導(dǎo)的“非均 質(zhì)”效應(yīng)的重要體現(xiàn),且這種“非均質(zhì)”程度隨溫度梯度增加而加強(qiáng); 溫度梯度對(duì)凍土破壞體積變形具有和溫度相 同的影響效應(yīng),即隨溫度梯度增加(或溫度的增加,不同圍壓凍土破壞后的體積變形由體縮逐漸過渡到體脹。 相 同圍壓凍土強(qiáng)度隨溫度梯度增加而衰減,不同溫度梯度凍土強(qiáng)度隨圍壓增加而變化的規(guī)律與均勻溫度場(chǎng)相同,均可理 解為受微裂隙發(fā)育和孔隙冰壓融影響而先

3、增加后降低,但圍壓的弱化程度與溫度梯度密切相關(guān)。 不同溫度梯度凍土 的三軸壓縮強(qiáng)度可通過建立在主應(yīng)力空間中分段線性屈服準(zhǔn)則修正后予以描述。關(guān)鍵詞 :凍結(jié)黏土;溫度梯度;破壞形態(tài);抗壓強(qiáng)度;弱化效應(yīng);非均質(zhì)效應(yīng)中圖分類號(hào):TU445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000 4548(201012 1854 07作者簡(jiǎn)介 :趙曉東 (1981 , 男,博士,講師,主要從事深土力學(xué)、凍土力學(xué)與工程方面的研究。 E-mail: zxdcumt。Failure modes and compression strength of frozen clay underthermal gradientZHAO Xi

4、ao-dong1, 2, ZHOU Guo-qing1, 2, CHEN Guo-zhou1, 2(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, CUMT, Xuzhou 221008, China; 2. School of Mechanicsand Civil Engineering, CUMT, Xuzhou 221008, ChinaAbstract :The triaxial compression tests are performed on the frozen clay un

5、der three thermal gradients by use of the GFC (freezing with thermal gradient, istropically consolidationmethod. The failure modes under different thermal gradients and the weakening effects of thermal gradients and the confining pressure on the strength are investigated. The results indicate that:

6、(1 The thermal gradients have significant influences on the failure modes of the frozen soil. However, the effects of the confining pressure can be ignored compared with the thermal gradients. The failure modes under different thermal gradients present bottom bursting characteristics, but show middl

7、e bursting characteristics in the homogenous thermal field. The non-uniform distribution laws for the radial expanding amplitude and the vertical compression amplitude are the main forms of the “inhomogenous effects”, which are enhanced as the thermal gradients increase. (2 The failure volumetric st

8、rain change to expansion from shrinking gradually accords with the increase of the thermal gradients (or the thermal increase under different confining pressures. (3 The strength decreases as the thermal gradients increase at the same confining pressure , and that increases firstly then decreases as

9、 the confining pressure increases under different thermal gradients, the reason for which can be attributed to the ice thawing and the fissure extension. (4 The compression strength under different thermal gradients can be described by the modified linear yielding criteria set up in the homogenous t

10、hermal field.Key words:frozen clay; thermal gradient; failure mode; compression strength; weakening; inhomogenous effect0 引 言自 Tsytovich 1開 展 凍 土 強(qiáng) 度 試 驗(yàn) 研 究 以 來 , Chamberlain 等 2、 Parameswaran 等 3、 Ting 等 4、 Gregory 5、 馬巍等 6-7系統(tǒng)地研究了凍土宏觀強(qiáng)度和變 形特征。沈忠言等 8、馬巍等 9、劉增利等 10采用掃基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50534040 ; 國(guó)

11、家自然科學(xué)基 金面上項(xiàng)目(50974117收稿日期:2009 06 28第 12期 趙曉東,等 . 溫度梯度凍結(jié)黏土破壞形態(tài)及抗壓強(qiáng)度分析 1855描電鏡和 CT 技術(shù)研究了凍土受力過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。 Miao 等 11、 He 等 12,孫星亮等 13還分析了凍土微結(jié)構(gòu)損傷, 拓展了損傷力學(xué)在凍土研究中的應(yīng)用。崔廣心 14提出了深土凍土力學(xué)的研究框架,王大雁則15進(jìn)行了深部?jī)鐾亮W(xué)的系統(tǒng)研究。以上研究都是基于恒荷載和恒溫試驗(yàn)條件。Tsytovich 16最早考慮了凍土在變荷載過程中的蠕變。Ladanyi 17、 盛煜等 18則進(jìn)行了梯級(jí)變荷載凍土蠕變的研究,得出變荷載下凍土的蠕變可由恒荷

12、載下的蠕變規(guī)律迭加得到的結(jié)論。盛煜等 18還初步研究了正弦變溫過程中凍土蠕變特性,并提出正弦變溫過程中凍土的蠕變可用一恒定相當(dāng)溫度下的蠕變過程代替。隨著凍結(jié)鑿井深度的增加,對(duì)凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)管布置(圈數(shù)和數(shù)量提出了更高的要求,基于多圈管的深厚表土非均質(zhì)凍結(jié)壁力學(xué)性質(zhì)研究逐漸展開。袁文伯等 19、 劉英男 20、 尤春安 21基于厚壁筒理論研究了非均質(zhì)彈性凍結(jié)壁的強(qiáng)度。 Gao 22、 Tutuncu 23、You 等 24進(jìn)行了內(nèi)壓厚壁筒的彈塑性分析。沈沐 25研究了非均質(zhì)凍結(jié)壁的蠕變變形和應(yīng)力分布。王建州 26采用數(shù)值試驗(yàn)和模型試驗(yàn)研究了非均質(zhì)黏彈塑性凍結(jié)壁變形和應(yīng)力。但是針對(duì)不同溫度梯度凍

13、土試塊的破壞特征和抗壓強(qiáng)度研究偏少,而這對(duì)于充分認(rèn)識(shí)非均質(zhì)凍結(jié)壁的強(qiáng)度及發(fā)揮機(jī)理具有十分重要的意義。因此本文選擇3種具有不同溫度梯度的重塑凍結(jié)黏土,對(duì)其在 6種不同應(yīng)力水平下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)研究,并分析不同溫度梯度凍土破壞形態(tài)特征以及溫度梯度、圍壓對(duì)凍土強(qiáng)度的弱化效應(yīng)。1 試驗(yàn)方法(1試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)采用 TATW-500土與凍土動(dòng)靜態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng) 27。(2土樣選取與試樣制備試驗(yàn)土質(zhì)為褐色膨脹黏土,取自某在建煤礦立井深約 500 m處,其物理指標(biāo)見表 1,級(jí)配曲線如圖 1所示。試樣制備方法如下:首先向風(fēng)干土樣中加入蒸餾水使初始含水率達(dá)到 20%,待水分均勻分布于土中后將土樣放入直徑為 100 m

14、m, 高度為 200 mm的圓筒形制樣模具中,并擊實(shí)到所要求的干重度,接著在真空飽和系統(tǒng)中對(duì)土樣進(jìn)行抽氣飽和 48 h,最后在低溫恒溫箱中單向快速凍結(jié) 12 h以上。表 1 試驗(yàn)土樣參數(shù)Table 1 Parameters for test samples密度 /(g·cm-3干密度/(g·cm-3含水率 /%液限/%塑限 /%2.715 1.42 33.59 46.7 20.7圖 1 試驗(yàn)土樣顆粒級(jí)配曲線Fig. 1 The grain gradation curve for the testing samples (3溫度梯度設(shè)計(jì) 3種溫度梯度和 6種應(yīng)力水平,見表 2

15、。其 中冷端溫度指凍土上表面溫度,暖端溫度則指凍土下 表 面 溫 度 , 平 均 溫 度 均 為 -20 。 溫 度 測(cè) 試 采 用 MF5E-2.202F 型熱敏電阻并配備 Data Taker800數(shù)據(jù)采 集儀 27。表 2 溫度梯度設(shè)計(jì)Table 2 Design of thermal gradients試樣編號(hào)溫度梯度/(·cm -1圍壓/MPa冷端溫度 /暖端溫 度 / #1 0.50 0 -25.0 -15.0 #2 0.50 2 -25.0 -15.0 #3 0.50 4 -25.0 -15.0 #4 0.50 8 -25.0 -15.0 #5 0.50 10 -25.

16、0 -15.0 #6 0.50 12 -25.0 -15.0 #7 0.25 0 -22.5 -17.5 #8 0.25 2 -22.5 -17.5 #9 0.25 4 -22.5 -17.5 #10 0.25 8 -22.5 -17.5 #11 0.25 10 -22.5 -17.5 #12 0.25 12 -22.5 -17.5 #13 0.00 0 -20.0 -20.0 #14 0.00 2 -20.0 -20.0 #15 0.00 4 -20.0 -20.0 #16 0.00 8 -20.0 -20.0 #17 0.00 10 -20.0 -20.0 #18 0.00 12 -20.

17、0 -20.0 (4加載過程試驗(yàn)分 4個(gè)步驟進(jìn)行: 凍結(jié) 將制備好的凍結(jié) 飽和黏土試樣置于 TATW-500壓力室底座上,密封壓 力室,啟動(dòng)制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)試樣溫度至試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度梯 度并保持穩(wěn)定; 固結(jié) 以 0.05 MPa·min -1的速率逐 級(jí)施加圍壓至預(yù)設(shè)值; 剪切 維持上述溫度場(chǎng)和壓 力,控制軸向活塞以 0.2 mm·min -1的速率逐級(jí)施加軸1856 巖 土 工 程 學(xué) 報(bào) 2010年向壓力,直至試樣軸向壓縮量達(dá)到 20%以上; 測(cè)量 試驗(yàn)結(jié)束后,量測(cè)凍土試樣不同高度處的徑向膨脹量 和垂向壓縮量。 圖 2 試樣安裝Fig. 2 Installation of fr

18、ozen clay samples2 不同溫度梯度凍土破壞形態(tài)特征 2.1 不同溫度梯度凍土破壞形態(tài)圖 3為不同溫度梯度凍結(jié)黏土破壞后不同試樣高 度處的直徑相對(duì)改變量。圖 4(a (f 為不同溫 度梯度凍結(jié)黏土破壞后相鄰直徑測(cè)點(diǎn)之間的垂向相對(duì) 距離變化量。其中,D 為凍土初始直徑; D 為凍土破壞后的直徑;H 為凍土初始相鄰直徑測(cè)點(diǎn)之間的垂 向距離, H 為凍土破壞后相鄰直徑測(cè)點(diǎn)之間的垂向距 離, (1,2,3,4,5,6ih i =為垂向不同壓縮段,距離凍土 上表面的距離按順序分別為 02 cm; 26 cm; 6 10 cm; 1014 cm; 1418 cm; 1820 cm。從圖 3,

19、 4中可以看出:理想狀態(tài)下, 均勻溫度 場(chǎng)凍結(jié)黏土壓縮破壞后的徑向變形應(yīng)為均勻分布,但 是受到端部摩擦效應(yīng)影響而呈“腰鼓”型,即,中間 大,兩端略小,相鄰直徑測(cè)點(diǎn)之間的垂向壓縮量受端 部效應(yīng)影響較直徑小,垂向壓縮量基本呈均勻分布, 因此,凍土試塊內(nèi)各段體積改變接近相同,由于體積 非均勻膨脹(或壓縮導(dǎo)致的凍土“非均質(zhì)”效應(yīng)不 明顯。不同溫度梯度凍結(jié)黏土壓縮破壞形態(tài)呈“下 端脹開”型,即試樣底端膨脹量遠(yuǎn)大于試樣頂端膨脹 量。不同高度處的徑向膨脹量和相鄰測(cè)點(diǎn)之間的垂向 壓縮量沿溫度梯度方向呈非均勻分布。由此造成凍土 各部分體積改變不同, 由于體積非均勻膨脹導(dǎo)致的 “非 均質(zhì)”效應(yīng)較均勻溫度場(chǎng)明顯。相

20、同圍壓下凍土試 樣下半部分不同高度處的徑向膨脹量和相鄰測(cè)點(diǎn)之間 的垂向壓縮量隨溫度梯度增加非線性增加,而上半部 分則剛好相反, 且上半部分的改變量遠(yuǎn)小于下半部分。 與溫度梯度相比,圍壓對(duì)凍結(jié)黏土破壞后不同高度處 徑向膨脹量和相鄰直徑測(cè)點(diǎn)之間的垂向壓縮量影響可 圖 3 凍結(jié)黏土破壞后的徑向膨脹量分布Fig. 3 Radial expanding amount of frozen clay after rupture 圖 4 凍結(jié)黏土破壞后的垂向壓縮量分布Fig. 4 Vertical compression amount of frozen clay after rupture第 12期 趙曉東

21、,等 . 溫度梯度凍結(jié)黏土破壞形態(tài)及抗壓強(qiáng)度分析 1857以忽略。2.2 溫度梯度誘導(dǎo)的 “ 非均質(zhì) ” 效應(yīng)設(shè)凍土試樣頂端 (0H = 的溫度為 0T ,平均溫度 為 T ,將不同試樣高度處凍土溫度 T 進(jìn)行無量綱化處 理得0( /T T T = 。 (1考慮到圍壓對(duì)凍土破壞形態(tài)的影響相對(duì)于溫度梯 度可以忽略(圖 3,圖 4 ,并記第一個(gè)測(cè)點(diǎn)處徑向膨 脹量平均值 0(或垂向壓縮量平均值 0 ,不同 測(cè)點(diǎn)處凍土徑向膨脹量平均值 i (或垂向壓縮量平 均值 i 做如下處理,即00/i i =, 。 (2則 (與 之間的關(guān)系符合下式,即(c =+ , (3 式中 c , k 為試驗(yàn)參數(shù)。式(3中的

22、 k 可以間接反映 凍結(jié)黏土 “ 非均質(zhì) ” 程度,其值見表 3。表 3 參數(shù) k Table 3 Parameters for k溫度梯度 /(·cm -1/%/%0.00 0.0126 0.03480.25 9.1438 10.769 0.50 17.13818.404對(duì)比圖 3, 4,并結(jié)合表 3可以看出,均勻溫度場(chǎng) 凍土“非均質(zhì)”程度接近零。但是隨溫度梯度增加, 凍土“非均質(zhì)”程度顯著增加,且這一規(guī)律具有明顯 的非線性特征。換言之,溫度梯度的較小改變亦會(huì)帶 來凍土“非均質(zhì)”效應(yīng)的劇烈變化。表 4為不同圍壓凍結(jié)黏土試樣中間高度處 (H =10 cm 的直徑變化平均值 中 以及中

23、間靠上 (距試樣中 點(diǎn) 4 cm ,中間靠下(距試樣中點(diǎn) 4 cm兩段內(nèi)的垂 向壓縮量之差平均值 中 。表 4 高度 10 cm處試樣徑向膨脹及相鄰段壓縮量之差 Table 4 Expanding amount and compression amplitude at heightof 10 cm 溫度梯度 /(·cm 中 /% 中 /% 0.00 14.98 0.200 0.25 12.88 3.880 0.50 10.60 9.500雖然試樣中間溫度均為-20 , 但受其溫度梯度誘 導(dǎo)的“非均質(zhì)”影響,非均勻溫度場(chǎng)凍土中間直徑改 變明顯小于均勻溫度場(chǎng)下的試驗(yàn)結(jié)果 (見表 4 ,

24、說明 非均勻溫度場(chǎng)中中間高度處(H =10 cm對(duì)凍土整體 變形的貢獻(xiàn)要小于均勻溫度場(chǎng),換言之,非均勻溫度場(chǎng)試樣中間一點(diǎn)凍土強(qiáng)度發(fā)揮程度要小于均勻溫度 場(chǎng)。表 4中的垂向壓縮量之差 亦可說明此問題, 即,試樣中點(diǎn)隨溫度梯度增加從均勻溫度場(chǎng)中基本保 持穩(wěn)定逐漸隨溫度梯度增加向下移動(dòng)(相鄰兩段壓縮 量之差 受控于溫度梯度 。 凍結(jié)黏土試樣垂直方向 的對(duì)稱性受 “ 非均質(zhì) ” 影響將不復(fù)存在。事實(shí)上,凍土在承受壓縮荷載作用之前,由于內(nèi) 部微裂隙和微孔洞的存在就表現(xiàn)出一定的非均質(zhì)性 9,13,當(dāng)凍土試樣中形成溫度梯度后,將加快這種初始非均質(zhì)性的演化, 初始非均質(zhì)性與溫度梯度誘導(dǎo)的 “非 均質(zhì)”性相互耦

25、合,并伴隨加載過程逐漸累積,最終 導(dǎo)致圖 3, 4所示的破壞形態(tài)。深厚表土中凍結(jié)壁形成后,在井筒開挖和內(nèi)砌建 造過程中,荷載施加方向與凍結(jié)壁中溫度梯度方向相 同,而且工程實(shí)測(cè)和理論計(jì)算表明 25-26,凍結(jié)壁的實(shí) 際變形往往大于按傳統(tǒng)平均溫度計(jì)算所得結(jié)果,其中 一個(gè)重要原因就是沒有考慮溫度梯度誘導(dǎo)的材料 “ 非 均質(zhì) ” 性的影響而直接按照一點(diǎn)凍土強(qiáng)度進(jìn)行變形校 核。3 不同溫度梯度凍土破壞體變特征 不同溫度梯度凍結(jié)黏土破壞后的相對(duì)體積改變量 為 v 0/V V = , (4式中, v 為不同溫度梯度凍土壓縮過程中的體積相對(duì)變化, 0V 為凍土初始體積,其值為2000/4V D H = 。 (

26、5圖 5(a 為不同溫度梯度凍結(jié)黏土破壞后體積相 對(duì)變化的試驗(yàn)曲線。 圖 5(b 為文獻(xiàn) 6中-2 -15 凍結(jié)黏土破壞后的體積相對(duì)改變量。從圖 5中可以看 出:二者均根據(jù)壓力室進(jìn)、出油量間接獲取凍土體 積變化量。相同圍壓凍土隨溫度梯度增加其破壞后的 體積相對(duì)變形從體縮逐漸演化為體脹,這與相同圍壓 均勻溫度場(chǎng)凍土(圖 5(b 破壞后的體積變形隨溫 度升高而變化的規(guī)律相同。均勻溫度場(chǎng)中,圍壓的圖 5 凍結(jié)黏土破壞體變隨圍壓增加而變化的試驗(yàn)曲線Fig. 5 Variation of failure volume for frozen clay1858 巖 土 工 程 學(xué) 報(bào) 2010年增加可以抑制

27、凍土中微裂隙的發(fā)育,同時(shí)也容易誘導(dǎo) 體積膨脹(圖 5(b ,但是這種作用隨溫度降低而減 弱;而非均勻溫度場(chǎng)中(圖 5(a ,由于“非均質(zhì)” 效應(yīng)的影響,圍壓的增加明顯地加快凍土體脹趨勢(shì)發(fā) 展,換言之,高圍壓下隨溫度梯度不斷增加,溫度梯 度誘導(dǎo)的非均質(zhì)效應(yīng)成為影響凍土變形的主要因素。4 不同溫度梯度凍土抗壓強(qiáng)度4.1 不同溫度梯度凍土抗壓強(qiáng)度圖 6(a 為不同溫度梯度凍結(jié)黏土抗壓強(qiáng)度隨圍 壓增加而變化的試驗(yàn)曲線。 圖 6(b為文獻(xiàn) 7中 (1999 -2 -15 均勻溫度場(chǎng)凍結(jié)黏土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)曲線。 對(duì)比圖 6(a 中溫度梯度為零的試驗(yàn)曲線和圖 6(b 可以發(fā)現(xiàn),均勻溫度場(chǎng)凍土強(qiáng)度隨圍壓增加均呈

28、現(xiàn)出 先緩慢增加后接近線性降低規(guī)律,這再次證明本文試 驗(yàn)結(jié)果的可靠性。雖然二者的試驗(yàn)方法(FC 先凍結(jié) 后固結(jié)和控制方式相同,但是由于二者的加荷應(yīng)變 速率相異,后者為 1.1×10-3 s-1遠(yuǎn)大于本文加荷應(yīng)變速率(1.67×10-5 s -1 ,相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度偏高。 圖 6 凍土強(qiáng)度隨圍壓增加而變化的試驗(yàn)曲線Fig. 6 Variation of compression strength with increase of confining pressure圖 6(a 中溫度梯度不為零(即溫度梯度分別為0.25, 0.50 ·cm -1的強(qiáng)度隨圍壓增加而變化的規(guī)

29、律與均勻溫度場(chǎng) (溫度梯度為 0.00 ·cm -1 試驗(yàn)結(jié)果相 同。雖然溫度梯度沒有改變凍土強(qiáng)度變化規(guī)律,但是 相同圍壓下隨溫度梯度增加,凍土抗壓強(qiáng)度減小,溫 度梯度對(duì)凍土強(qiáng)度起到了弱化作用。均勻溫度場(chǎng)凍結(jié)黏土強(qiáng)度弱化的機(jī)理認(rèn)為是孔隙 冰的壓融和微裂隙的發(fā)育 9。按照這一結(jié)論,可以推 測(cè),溫度梯度的存在使得不同溫度梯度凍土內(nèi)部初始 微裂隙的發(fā)展、新裂隙產(chǎn)生和孔隙冰的壓融程度沿溫 度梯度方向呈非均勻分布,這種分布及演變與加載過 程密切相關(guān),并最終影響凍土強(qiáng)度受圍壓增加而弱化 的程度(圖 6(a 。保持平均溫度恒定,如果不斷加大凍結(jié)黏土的初 始溫度梯度, 使得凍土兩端溫度絕對(duì)值相差逐漸

30、變大,當(dāng)凍土中暖端溫度達(dá)到正溫后,凍土強(qiáng)度完全取決于飽和融土強(qiáng)度,凍土中冰的強(qiáng)度以及土冰骨架的膠 結(jié)程度對(duì)凍土整體強(qiáng)度影響將被強(qiáng)烈弱化,此時(shí)凍土 的整體變形亦將取決于暖端融土。 4.2 不同溫度梯度凍土抗壓強(qiáng)度方程均 勻 溫 度 場(chǎng) 凍 土 中 的 平 均 法 向 應(yīng) 力 為 p = (132/3+,廣義剪應(yīng)力為 13q =, 式中 1和 3為三軸壓縮過程中凍土大小主應(yīng)力。在主應(yīng)力空間中,本次均勻溫度場(chǎng)凍結(jié)黏土的 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果亦符合分段線性方程,即11m 2m 0m q c b p p p q q b p p p =+=>, , (6式中 1c 為八面體平面上的黏聚阻力,等于 3.761

31、6 MPa , 1b 為 0.1431, 2b 為 0.0191; m q 為 4.2469 MPa, m p =3.3915 MPa為剪應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)的平均法向應(yīng) 力。當(dāng) m p 時(shí),上式就變?yōu)槌Ｓ玫?Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則。不同溫度梯度凍土抗壓強(qiáng)度 n q 可近似表述為相 同條件均勻溫度場(chǎng)凍土強(qiáng)度與溫度梯度弱化系數(shù) i A 之積,即11m 2m (, 0(, n i n i m q A c b p p p q Aqb p p p =+=> (7式中 i A 是反映溫度梯度弱化程度的參數(shù),見表 5,預(yù)測(cè)結(jié)果見圖 7。表 5 凍土抗壓強(qiáng)度弱化系數(shù)Table 5 Weake

32、ning parameters for frozen clay溫度梯度 /(·cm -1 0.00 0.25 0.50弱化系數(shù) 1.00 0.92 0.85圖 7 p q 預(yù)測(cè)曲線 Fig. 7 The p q predictioncurves 上述確定不同溫度梯度凍土強(qiáng)度的方法與盛煜等 18研究正弦變溫中凍土蠕變變形時(shí)提出的思路吻合。 通過表 5和式 (7 就可以對(duì)不同溫度梯度和圍壓范圍 內(nèi)的凍土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。需要特別指出的是, 式 (7 是基于平均溫度-20 ,第 12 期 趙曉東，等. 溫度梯度凍結(jié)黏土破壞形態(tài)及抗壓強(qiáng)度分析 1 1859 溫度梯度在 00.50 ·

33、;cm 范圍的試驗(yàn)結(jié)果而得到。 Engineering, 1983, 109(10: 12861302. 5 GREGORY D R, GERMAINE J T, LADD C C. Triaxial testing of frozen sand: equipment and example results J.Journal of Cold Regions Engineering,2003,17(3:90-11 8. 6 馬 巍, 朱元林, 馬文婷, 等. 凍結(jié)黏性土的變形分析J. 即，不同溫度梯度凍土抗壓強(qiáng)度曲線具有相似性，但 是對(duì)于其它平均溫度以及更為寬泛溫度梯度甚至溫度 梯度模式下的強(qiáng)

34、度與均勻溫度場(chǎng)凍土強(qiáng)度之間的關(guān)系 還需進(jìn)一步研究。 5 結(jié) 論 冰川凍土, 2000, 22(1: 4347. (MA Wei, ZHU Yuan-lin, MA Wen-ting, et al. Analysis of deformation in frozen clayed soilsJ. Journal of Glaciology and Geocryology, 2000, 22(1: 4347. (in Chinese 7 馬 巍, 吳紫汪, 張立新, 等. 高圍壓下凍土強(qiáng)度弱化的機(jī) 理分析J. 冰川凍土, 1999, 21(1: 2731. (MA Wei, WU Zi-wang,

35、 ZHANG Li-xin, et al. Mechanisms of strength weakening of frozen soils under high confining pressureJ. Journal of Glaciology and Geocryology, 1999, 21(1: 2732. (in Chinese 8 沈忠言, 王家澄, 彭萬(wàn)巍, 等. 單軸受拉時(shí)凍土結(jié)構(gòu)變化及 其機(jī)理初析J. 冰川凍土, 1996, 18(3: 262268. (SHEN Zhong-yan, WANG Jia-cheng, PENG Wang-wei, et al. Change

36、 in structures and its mechanisms of frozen soil under uniaxial tensileJ. Journal of Glaciology and Geocryology, 1996, 18(3: 262268. (in Chinese 9 馬 巍, 吳紫汪, 蒲毅彬, 等. 凍土三軸蠕變過程中的結(jié)構(gòu) 變化的 CT 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)J. 冰川凍土, 1997, 19(1: 5257. (MA Wei, WU Zi-wang, PU Yi-shan, et al. Monitoring the change of structures in froze

37、n soil in triaxial creep process by CTJ. Journal of Glaciology and Geocryology, 1997, 19(1: 5257. (in Chinese 10 劉增利, 李洪升, 朱元林. 凍土單軸壓縮損傷特征與細(xì)觀 損傷測(cè)試J. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 42(2: 223227. (LIU Zeng-li, LI Hong-sheng, ZHU Yuan-lin. Damage characteristics and micro-crack damage measurement of frozen soilunder

38、uni-axial compreesionJ. Journal of Dalian University of Technology, 2002, 42(2: 223 227. (in Chinese 11 MIAO Tian-de, WEI Xue-xia, ZHANG Chang-qing. Creep of frozen soil by damage mechanicsJ. Science in China (Series B, 1995, 38(8: 9961002. 12 HE Ping, ZHU Yuan-lin, CHENG Guo-dong. Constitutive mode

39、l of frozen soilJ. Canadian Geotechnical Journal, 2000, 37(4: 811816. 13 孫星亮, 汪 稔, 胡明鑒. 三軸剪切條件下凍結(jié)粉質(zhì)黏土 變形特性的細(xì)觀機(jī)理分析J. 固體力學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 26(1: 62 66. (SUN Xing-liang, WANG Ren, HU Ming-jian. Meso-scopic mechanism analysis of deformation properties （1）溫度梯度對(duì)凍結(jié)黏土破壞形態(tài)具有明顯影 響，而圍壓對(duì)凍土破壞形態(tài)的影響與溫度梯度相比可 以忽略。不同溫度梯度凍土壓

40、縮破壞形態(tài)呈下端“脹 開”型，相同條件下均勻溫度凍土破壞形態(tài)呈“腰鼓” 型。 （2） 不同溫度梯度凍土破壞后的徑向膨脹量和垂 向壓縮量沿不同試樣高度的非均勻分布是溫度梯度誘 導(dǎo)的“非均質(zhì)”效應(yīng)的重要體現(xiàn)，且這種“非均質(zhì)” 程度隨溫度梯度增加而加強(qiáng)。 （3） 溫度梯度對(duì)不同圍壓凍土破壞后的體積變形 與溫度對(duì)均勻溫度場(chǎng)不同圍壓凍土破壞體積變形具有 相同的影響規(guī)律， 隨溫度梯度增加 即： （或溫度升高） ， 凍土體積變形從體縮逐漸演化為體脹。 （4） 溫度梯度對(duì)凍土強(qiáng)度具有弱化效應(yīng)， 而不同 溫度梯度凍結(jié)黏土三軸壓縮強(qiáng)度隨圍壓增加而變化的 規(guī)律則與均勻溫度場(chǎng)相同，即先增加后降低，但圍壓 對(duì)凍土強(qiáng)度弱

41、化的程度與“非均質(zhì)”效應(yīng)密切相關(guān)； 不同溫度梯度凍土強(qiáng)度可通過對(duì)均勻溫度場(chǎng)凍土線性 屈服準(zhǔn)則修正后予以描述。 （5） 凍土內(nèi)的水分及分布將直接影響凍土的變形 和強(qiáng)度， 0DCF 方法下的凍土抗壓強(qiáng)度以及不同溫度 K 梯度凍土在單軸（三軸）壓縮過程中的微、細(xì)觀結(jié)構(gòu) 演化量化研究正在開展。 參考文獻(xiàn)： 1 崔托維奇 H A. 凍土力學(xué)M. 張長(zhǎng)慶, 朱元林, 譯. 北京: 科學(xué)出版社, 1985. (TSYTOVICH H A. Mechanics of frozen soil M. ZHANG Chang-qing, ZHU Yuan-lin, translators. Beijing: Sci

42、ence Press, 1985. (in Chinese 2 CHAMBERLAIN E, GROVES C, PERHAM R. The mechanical behavior of frozen earth materials under high pressure triaxial conditionsJ. Geotechnique, 1972, 22(3: 469483. 3 PARAMESWARAN V R, JONES S J. Triaxial testing of frozen sandJ. Journal of Glaciology, 1981, 27(95: 147 15

43、5. 4 TING J M, MARTIN R T, LADD C C. Mechanisms of strength for frozen sandJ. Journal of Geotechnical 1860 巖 土 工 程 學(xué) 報(bào) 2010 年 of frozen silty clay under triaxial shearJ. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2005, 26(1: 6266. (in Chinese 14 崔廣心. 深土凍土力學(xué)凍土力學(xué)發(fā)展的新領(lǐng)域J. 冰川 凍土, 1998, 20(2: 97100. (CUI Guang-

44、xin. Mechanics of frozen soil for deep alluviuma new field of frozen soil mechanicsJ. Journal of Glaciology and Geocryology, 1998, 20(2: 97100. (in Chinese 15 王大雁. 深部人工凍土力學(xué)性質(zhì)研究D. 蘭州: 中國(guó)科 學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 室 , 2006. (WANG Da-yan. Mechanical properties of artificially frozen soil indeepalluvium

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47、 The Fifth National Conference on Frozen Glacier. Lanzhou: Gansu Cultrual Press, 1996: 729732. (in Chinese 19 袁文伯, 馬英明, 陳寬德. 非均質(zhì)彈性凍結(jié)壁應(yīng)力分析J. 煤 炭 學(xué) 報(bào) , 1983(2: 44 50. (YUAN Wen-bai, MA Ying-ming, CHEN Kuan-de. Analysis of stresses of the nonhonogeneous elastic frozen wallJ. Journal of China Coal Society, 1983(2: 4450. (in Chinese 20 劉英男. 非均質(zhì)內(nèi)壓圓筒的彈塑性與極限狀態(tài)解J. 固體 力 學(xué) 學(xué) 報(bào) , 1984(2: 192 204. (LIU Ying-nan. An