分級循環(huán)荷載作用下凍結(jié)粉質(zhì)黏土的軸向變形特征

分級循環(huán)荷載作用下凍結(jié)粉質(zhì)黏土的軸向變形特征

0凍土動力殘余變形影響機(jī)理目前，很少有關(guān)于冷凍土壤肥力變化的研究，也沒有關(guān)于冷凍土壤肥力穩(wěn)定性的文獻(xiàn)。然而,列車往返行駛的動載對凍土場地路基變形的影響已有事例,如中國青藏鐵路通車不到兩個月便出現(xiàn)部分凍土區(qū)段路基下沉與開裂現(xiàn)象,從而引起鐵路部門高度重視。鑒于此,本文直接針對中國青藏鐵路列車往返行駛的振動對凍土路基產(chǎn)生的相當(dāng)于長期動荷載作用下的疲勞破壞效應(yīng),考慮凍土動力殘余變形受負(fù)溫、頻率、振幅、含水率、振動持時等多種因素影響,基于低溫動三軸試驗,研究凍土動應(yīng)變速率及其主要影響因素,并合理解釋凍土特有的振融沉陷的成因機(jī)理。有利于合理預(yù)測凍土區(qū)鐵路工程在交通荷載作用下由凍土動力殘余變形而產(chǎn)生的沉降量,并對于進(jìn)一步研究凍土路基列車行駛振陷問題具有重要意義,且為建立凍土疲勞模型積累基礎(chǔ)試驗成果。1試驗計劃1.1驗儀器與試驗材料本試驗是在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室進(jìn)行,試驗儀器為美國MTS公司生產(chǎn)的MTS-810型振動三軸材料試驗機(jī),配有自動數(shù)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),圍壓范圍0~20MPa,負(fù)溫范圍為常溫~-30℃,頻率范圍為0~50Hz,最大軸向負(fù)荷為250kN,最大軸向位移為50mm。1.2土、基動力特性試驗采用的土樣為青藏鐵路北麓河黏土,其物性指標(biāo)如表1所示。試驗檢測分別依據(jù)土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB50123/T—99)、地基動力特性測試規(guī)范(GB50269/T—97)制備人工凍結(jié)法重塑土試件。為確保試驗結(jié)果的可比性,采用標(biāo)準(zhǔn)方法批量制備試件,制成試件直徑61.8mm、高度120mm,置于-30℃下快速凍結(jié)48h后脫模,在試驗負(fù)溫下恒溫24h,放進(jìn)三軸低溫壓力腔中等壓固結(jié)2h。1.3試驗加載制度軸向動荷載為壓–壓型正弦波,由最大應(yīng)力、最小應(yīng)力及頻率決定。為了更好地模擬交通荷載對應(yīng)變速率的影響,將最大應(yīng)力作為變量,采用分級循環(huán)加載;每級循環(huán)加載振次控制為10次左右為宜,本試驗振次取12次。加荷級數(shù)為12級,同一圍壓下各試件的動荷載相同以資對比研究(見表2)。試驗控制條件見表3,共考慮五種不同溫度、頻率、圍壓和含水率下的變形特性試驗。2應(yīng)力作用前試樣初始高度之比殘余應(yīng)變是動應(yīng)力作用停止后土體殘留的應(yīng)變值,而在動三軸振陷試驗中則為動應(yīng)力作用前后試樣的高度差與動應(yīng)力作用前試樣初始高度之比。通常取σd=0時的應(yīng)變?yōu)闅堄鄳?yīng)變,即K點應(yīng)變?yōu)槎x的殘余應(yīng)變εpd(見圖1)。根據(jù)每次循環(huán)動力荷載作用下的殘余應(yīng)變可繪制εpd-t關(guān)系曲線,取每級荷載作用結(jié)束時的切線斜率定義為本級荷載作用下的軸向動應(yīng)變速率εpd(見圖2),也是每級循環(huán)加載最后一振次的軸向動應(yīng)變速率。3弱化作用表現(xiàn)出穩(wěn)定性給凍土施加荷載后,凍土中將同時發(fā)生強(qiáng)化作用和弱化作用。初始應(yīng)變階段,強(qiáng)化作用占優(yōu)勢;隨后,弱化作用表現(xiàn)出來,與強(qiáng)化作用相平衡;最后,弱化作用占優(yōu)勢,土體中開始出現(xiàn)破壞。因此,循環(huán)動力荷載作用下凍土變形關(guān)系復(fù)雜,且受溫度、圍壓、頻率、動應(yīng)力幅值和應(yīng)力歷史等多種因素影響,基于本試驗資料對動應(yīng)變速率影響因素分析如下。3.1應(yīng)力狀態(tài)分析動三軸試驗中試件的軸向應(yīng)變主要由剪應(yīng)變引起,并且軸向動應(yīng)變速率受動應(yīng)力幅值大小和動力作用前土柱所受靜應(yīng)力水平的影響很大。故此,本文引入八面體應(yīng)力比來反映動三軸試驗中土柱的應(yīng)力狀態(tài),對比分析后采用指數(shù)函數(shù)表達(dá)動應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系:式中為軸向殘余應(yīng)變速率;ζ為應(yīng)力比系數(shù),ζ=τ8dτ8=σd(σ1-σ3);τ8為八面體靜剪應(yīng)力;τ8d為循環(huán)動應(yīng)力單獨(dú)作用下引起八面體上的動剪應(yīng)力幅;σd為軸向動應(yīng)力幅;A,B為與溫度、含水率、圍壓和持時等因素有關(guān)的擬合參數(shù)。利用MATLAB7.0進(jìn)行回歸分析,得到各種試驗條件下所得的軸向應(yīng)變速率與應(yīng)力比ζ關(guān)系曲線見圖3,擬合參數(shù)見表3。從圖3中,總體上可以看出,試件軸向動應(yīng)變速率均隨應(yīng)力比的增大而增大。3.2溫度對抗動力荷載性能的影響負(fù)溫是凍土軸向動應(yīng)變速率影響因素中所特有的影響因子。在相同的f,σ3,w和ζ條件下,凍土溫度θ為-2℃時,最大;且隨溫度的降低按冪函數(shù)規(guī)律迅速衰減,當(dāng)溫度低于某值時,值趨于穩(wěn)定(圖4、5)。另外,從圖中也可以看出,高溫凍土的動應(yīng)變速率比低溫凍土大很多,表現(xiàn)出高溫凍土動強(qiáng)度低,抗動力荷載性能差。低溫凍土強(qiáng)度高的主要原因是土體水分隨負(fù)溫值增大而不斷凍結(jié),未凍水量減少,含冰量增加,土與冰的膠結(jié)能力增強(qiáng)。bpdε=aθ3.3含水率對凍土強(qiáng)度的影響在相同的f,σ3,θ和ζ條件下,低含水率(w≤0.15)時凍土大,當(dāng)含水率w≥0.21時,含水率對影響不大(圖6,7)。其原因在于,當(dāng)含水率較低時,凍土的含冰量低,土與冰的膠結(jié)能力弱,凍土強(qiáng)度低,變形就大;隨含水率的增加含冰量增加,土與冰的膠結(jié)能力增強(qiáng),凍土強(qiáng)度增大,增大到一定數(shù)值后,隨著含水率繼續(xù)增大強(qiáng)度減小,最后趨于一穩(wěn)定值。3.4殘余應(yīng)變試驗在相同的w,σ3,θ條件下,應(yīng)力比ζ較小時頻率對影響不明顯;隨著應(yīng)力比ζ的增大,頻率對影響較大,低頻更容易使凍土發(fā)生殘余應(yīng)變;隨著頻率的增加而減小,可用冪函數(shù)擬合(圖9,10)。頻率對軸向應(yīng)變速率的影響反映了時間效應(yīng)。凍土的強(qiáng)度隨時間會衰減,加荷速度就對凍土的強(qiáng)度有很大的影響。頻率越小,加載和卸載的速度都慢,凍土的各種強(qiáng)度也越小,剛性也差,就大;當(dāng)加載頻率處于高頻范圍內(nèi)時,加載和卸載的速度都比較大,上述時間效應(yīng)都不明顯,所以的值變化不大。3.5不同應(yīng)力比,不同斜率在相同的w,f,θ和ζ條件下,試驗圍壓0.5~1.5MPa范圍內(nèi),隨圍壓的增加而增大,近似服從直線分布,且應(yīng)力比越大,斜率越大(圖10,11)。圍壓影響凍土力學(xué)性質(zhì)的原因在于礦物顆粒間接觸點和接觸區(qū)上的外壓力轉(zhuǎn)變成巨大的局部應(yīng)力,從而導(dǎo)致冰的融化和流動以及水向低應(yīng)力區(qū)遷移。冰的局部壓融和流塑性導(dǎo)致冰重分布和冰晶重新定向,減低了冰的黏聚力,另外,未凍水遷移和重分布,其潤滑作用減小礦粒間摩擦,有利于礦粒位錯和定向排列。4應(yīng)力比系數(shù)及軸向應(yīng)變速率本文基于不等幅值循環(huán)荷載作用下低溫動三軸試驗資料,研究了動應(yīng)力幅、溫度、含水率、頻率和圍壓對軸向殘余應(yīng)變增長速率的影響,在試驗條件范圍內(nèi),得到以下結(jié)論:(1)動應(yīng)力幅對動應(yīng)變速率影響大,應(yīng)力比系數(shù)能反映軸向殘余變形產(chǎn)生的實質(zhì),動應(yīng)變速率隨著應(yīng)力比的增加而增加。(2)動應(yīng)變速率隨溫度降低、頻率升高、含水率升高而衰