原狀凍土Ⅱ型非線性斷裂韌度實驗測試研究-

1、原狀凍土型非線性斷裂韌度實驗測試研究*論文導(dǎo)讀:：由于原狀凍土處于自然狀態(tài)下，其本構(gòu)關(guān)系及水分、溫度的分布符合實際狀態(tài)，而且其實際破壞形式往往是非線性的剪切破壞，所以本文采用了非線性凍土斷裂實驗?zāi)Ｐ?，對自然狀態(tài)下的原狀凍土進行了斷裂破壞實驗，著重對型斷裂當式式中 即為非線性能量釋放率的臨界值，也稱為非線性斷裂韌度。以型斷裂的四點彎曲試樣為例式中的是曲線中直線段的斜率，是裂紋長度的函數(shù)，有： ，是材料常數(shù)，和，同樣由實驗確定。由曲線可知，當位移到達時，應(yīng)變能將將當載荷到達臨界值時，那么由上式得到非線性斷裂韌度：22基于修正因子的非線性斷裂韌度測試方法用修正因子法確定非線性斷裂韌度可表達為：式中：

2、型斷裂非線性斷裂韌度；非線性修正因子；型斷裂的表觀斷裂韌度，即未考慮非線性影響的斷裂韌度。下面分別說明和確實定方法。1表觀斷裂韌度的測定由四點彎曲試樣可知見圖3，在裂紋面的剪切力，因此剪應(yīng)力可求：相應(yīng)的應(yīng)力強度因子為【5】：當?shù)竭_臨界值，也就是載荷到達最大值時，即為：其中：，裂紋長度由著色滲透法確定。那么定義修正因子為：3試驗設(shè)計31土質(zhì)及試樣制備 W 圖3人工切口、預(yù)制裂紋的四點彎曲試樣尺寸及其受力圖Fig.3 the dimension of four-pointbending specimen由于現(xiàn)場施工取原狀凍土難度極大，采用了多種方案，盡量將原狀土的內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)保持完整實驗研究，防

3、止對其原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，取土前先去掉30cm厚的表層土以免由于表層土因受到人為活動而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)被破壞,影響試驗結(jié)果，再在取土場人工開挖出長、寬、高分別為80cmx80cmx40 cm見方的較大土塊，然后用人工鑿取的方法將大土塊做成略大于試樣尺寸的土塊，如圖4所示。最后用震動較小的電鋸人工切割成滿足試驗要求的光滑試樣。將切好的試樣迅速用塑料薄膜包好、編號并測量試樣尺寸，放入保溫箱中以防止試樣溫度改變和水分的散失。將其在保溫箱中恒溫至少24h以上 圖4 現(xiàn)場取土照片 Fig.4 the photo of originalstate frozen soil at field3.2 試樣初始裂紋的制

4、作及測量試樣的初始裂紋制備是個難點，按照平面應(yīng)變條件裂紋尖端要求極尖，這對原狀凍土來說極其困難，以往方法是先在制備試樣時插入楔型木片涂潤滑油便于脫模，以制備初始缺口。在此根底上，再用鉬絲鋸加工尖裂紋，裂尖半徑可達。此方法的缺點是制作的初始裂紋尖端并非極尖，而且這樣的初始裂紋并不能準確的反映出試樣裂紋尖端擴展的本質(zhì)。為了改良初始裂紋制備方法，本試驗借鑒了巖石斷裂力學中所采用的制作方法，先從保溫箱中迅速取出一組試樣，隨后用鉬鋸鋸開初始裂紋，保證裂紋平直，而后將試樣放在試驗臺上先加載到最大力直到試樣破壞，可以得到它們的最大值，再根據(jù)所得到的計算出值。這樣我們就可以將每一個試樣預(yù)先加載到值，使其在原有

5、木鋸初始裂紋開口的根底上制造出裂紋尖端。這樣制作出來的裂紋尖端比傳統(tǒng)的方法制作出來的裂紋尖端不僅能夠滿足按平面應(yīng)變條件要求的裂紋尖端極尖，而且能夠準確的反映出試樣裂紋擴展區(qū)的實際情況，因此，使試驗更復(fù)合實際、更具有可靠性。 裂紋長度的測量也是個難點，從前的方法是將試樣壓斷后，在斷口平面等間距直接量出三個值后取平均值作為計算裂紋長度，這種做法由于裂紋尖端的模糊不清而存在著很大的誤差。為了克服由此產(chǎn)生的誤差，我們同樣參照巖石斷裂測試方法，利用在低溫下仍然有較好液性的柴油作為染料，在裂紋切口處均勻噴灑少量柴油，使其均勻沿裂縫下滲直達裂紋尖端，這樣一來當試樣被壓斷后實驗研究，在斷面處可以的看到由于柴油

6、下滲到裂紋尖端而留下的清晰印記，以此為依據(jù)，便可以比擬準確的測量出裂紋的尺寸了3.3 試驗裝置本試驗對傳統(tǒng)的試驗裝置進行了改造，將三點彎曲試驗臺倒置懸掛于上端，在下端采用油壓千斤頂加力，這樣有利于對試樣應(yīng)用著色法測量裂紋尺寸。如圖5所示，這樣做的好處是使得采用著色法的液體染料能夠沿著裂紋擴展方向滲透，并留下清晰的印記，以便于裂紋尺寸的測量。而后利用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，繪出及曲線。圖5 試驗裝置照片F(xiàn)ig.5 the photos of experimentalequipment4.試驗結(jié)果1原狀凍土試驗除了要保持土的細觀結(jié)構(gòu)外，還考慮土的凍結(jié)歷史，可以測試在不同凍結(jié)歷史條件下的斷裂韌度，

7、為此，對當?shù)囟镜販丶皟雒浟侩S時間的變化規(guī)律進行了測量，進而使試驗?zāi)軌蚩刂圃谠撘?guī)律下進行。2試樣在相同的加載速率、相同的天然含水率為和相同的溫度變化規(guī)律與該種土質(zhì)在實際相同深度處的凍土溫度變化規(guī)律相同情況下，可以得到如圖8所示的曲線圖，從圖6中可以清楚的看出：荷載在到達破壞之前有明顯的塑性變形，說明此種凍土具有明顯的彈塑性屬性。 當載荷到達最大值時試樣斷裂，對于四點彎曲一般斷裂時會有一個開裂角，如圖7所示，開裂角的角度值列于表1中。 圖7試樣斷裂后的開裂角 Fig.7 the crack angle of the specimen 試樣尺寸 臨界荷載 等效剪切力 非線性斷裂韌度 開裂角 KT-

8、1 4.32 39.9 9.7 11.2 8.33 2.78 56.69 61 KT-2 4.17 42.4 10.4 9.8 6.11 2.04 24.61 64 KT-3 4.02 39.3 11.1 9.6 9.47 3.16 41.92 65 KT-4 4.69 41.3 10.4 10.8 8.27 2.76 57.71 78 KT-5 4.11 39.5 9.9 10.2 9.07 3.02 61.01 55 KT-6 4.26 41.0 10.2 10.5 8.07 2.69 53.37 58 KT-7 4.34 41.5 11.3 10.3 5.33 1.78 14.19 49

9、 KT-8 4.35 41.1 10.4 10.0 4.67 1.56 12.61 52 假定上述關(guān)系對非線性情況也同樣成立，假設(shè)取3時的400MPa，0.25，那么將換算為實驗研究，并與實測比擬，除兩個試樣誤差較大，其余的根本是一致的，其結(jié)果列在表3中。表3將換算為與實驗測得的相比照的結(jié)果Tab.3 the comparisonbetween the value of calculatedform andthe value of formthe experiment 試樣編號 換算的 實測的 誤差 KT-1 0.153 55.07 56.69 2.94% KT-2 0.103 24.84 2

10、4.61 0.94% KT-3 0.136 43.38 41.92 3.37% KT-4 0.16 60.23 57.71 4.19% KT-5 0.166 64.67 61.01 5.66% KT-6 0.135 42.91 53.37 24.39% KT-7 0.077 13.82 14.19 2.70% KT-8 0.085 16.96 12.61 25.66% 5.結(jié)論1本文的研究是針對沈陽地區(qū)的土質(zhì)所進行的原狀凍土斷裂力學試驗。由于凍土工程中經(jīng)常發(fā)生剪切的破壞形式，所以著重對型斷裂剪切破壞的四點彎曲直裂紋試樣進行了實驗研究。并用染色劑對裂紋尺寸采用著色法觀測。通過對當?shù)赝临|(zhì)進行分層凍

11、脹量的觀測，得出不同埋深處的凍脹量、凍融的關(guān)系，并以此來嚴格控制試樣制作、試驗時的溫度，對原狀凍土的型非線性應(yīng)變能量釋放率和非線性斷裂韌度進行測試研究，這是對原狀凍土非線性斷裂力學試驗的進一步的探索和嘗試，它為今后進一步的研究工作奠定了根底。2本文給出了關(guān)于凍土的兩種非線性斷裂韌度測試方法的結(jié)果，分別是基于能量平衡的測試方法和基于修正因子的測試方法，在實際工程應(yīng)用中，可以相互參照，靈活運用。3由于原狀凍土完全處于自然狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)及內(nèi)部缺陷隨機性較大，實驗過程中所采集的數(shù)據(jù)有一定的離散性，因此需要更多的試樣和大量的實驗數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析，使結(jié)果與實際情況相符。參考文獻【1】吳紫汪，馬巍.凍土

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