分級循環荷載作用下凍結粉質黏土的軸向變形特征

0凍土動力殘余變形影響機理目前，很少有關于冷凍土壤肥力變化的研究，也沒有關于冷凍土壤肥力穩定性的文獻。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部分凍土區段路基下沉與開裂現象,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生的相當于長期動荷載作用下的疲勞破壞效應,考慮凍土動力殘余變形受負溫、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理。有利于合理預測凍土區鐵路工程在交通荷載作用下由凍土動力殘余變形而產生的沉降量,并對于進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院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室進行,試驗儀器為美國MTS公司生產的MTS-810型振動三軸材料試驗機,配有自動數控與數據采集系統,圍壓范圍0~20MPa,負溫范圍為常溫~-30℃,頻率范圍為0~50Hz,最大軸向負荷為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,其物性指標如表1所示。試驗檢測分別依據土工試驗方法標準(GB50123/T—99)、地基動力特性測試規范(GB50269/T—97)制備人工凍結法重塑土試件。為確保試驗結果的可比性,采用標準方法批量制備試件,制成試件直徑61.8mm、高度120mm,置于-30℃下快速凍結48h后脫模,在試驗負溫下恒溫24h,放進三軸低溫壓力腔中等壓固結2h。1.3試驗加載制度軸向動荷載為壓–壓型正弦波,由最大應力、最小應力及頻率決定。為了更好地模擬交通荷載對應變速率的影響,將最大應力作為變量,采用分級循環加載;每級循環加載振次控制為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應力作用前試樣初始高度之比殘余應變是動應力作用停止后土體殘留的應變值,而在動三軸振陷試驗中則為動應力作用前后試樣的高度差與動應力作用前試樣初始高度之比。通常取σd=0時的應變為殘余應變,即K點應變為定義的殘余應變εpd(見圖1)。根據每次循環動力荷載作用下的殘余應變可繪制εpd-t關系曲線,取每級荷載作用結束時的切線斜率定義為本級荷載作用下的軸向動應變速率εpd(見圖2),也是每級循環加載最后一振次的軸向動應變速率。3弱化作用表現出穩定性給凍土施加荷載后,凍土中將同時發生強化作用和弱化作用。初始應變階段,強化作用占優勢;隨后,弱化作用表現出來,與強化作用相平衡;最后,弱化作用占優勢,土體中開始出現破壞。因此,循環動力荷載作用下凍土變形關系復雜,且受溫度、圍壓、頻率、動應力幅值和應力歷史等多種因素影響,基于本試驗資料對動應變速率影響因素分析如下。3.1應力狀態分析動三軸試驗中試件的軸向應變主要由剪應變引起,并且軸向動應變速率受動應力幅值大小和動力作用前土柱所受靜應力水平的影響很大。故此,本文引入八面體應力比來反映動三軸試驗中土柱的應力狀態,對比分析后采用指數函數表達動應變速率與應力狀態之間的關系:式中為軸向殘余應變速率;ζ為應力比系數,ζ=τ8dτ8=σd(σ1-σ3);τ8為八面體靜剪應力;τ8d為循環動應力單獨作用下引起八面體上的動剪應力幅;σd為軸向動應力幅;A,B為與溫度、含水率、圍壓和持時等因素有關的擬合參數。利用MATLAB7.0進行回歸分析,得到各種試驗條件下所得的軸向應變速率與應力比ζ關系曲線見圖3,擬合參數見表3。從圖3中,總體上可以看出,試件軸向動應變速率均隨應力比的增大而增大。3.2溫度對抗動力荷載性能的影響負溫是凍土軸向動應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規律迅速衰減,當溫度低于某值時,值趨于穩定(圖4、5)。另外,從圖中也可以看出,高溫凍土的動應變速率比低溫凍土大很多,表現出高溫凍土動強度低,抗動力荷載性能差。低溫凍土強度高的主要原因是土體水分隨負溫值增大而不斷凍結,未凍水量減少,含冰量增加,土與冰的膠結能力增強。bpdε=aθ3.3含水率對凍土強度的影響在相同的f,σ3,θ和ζ條件下,低含水率(w≤0.15)時凍土大,當含水率w≥0.21時,含水率對影響不大(圖6,7)。其原因在于,當含水率較低時,凍土的含冰量低,土與冰的膠結能力弱,凍土強度低,變形就大;隨含水率的增加含冰量增加,土與冰的膠結能力增強,凍土強度增大,增大到一定數值后,隨著含水率繼續增大強度減小,最后趨于一穩定值。3.4殘余應變試驗在相同的w,σ3,θ條件下,應力比ζ較小時頻率對影響不明顯;隨著應力比ζ的增大,頻率對影響較大,低頻更容易使凍土發生殘余應變;隨著頻率的增加而減小,可用冪函數擬合(圖9,10)。頻率對軸向應變速率的影響反映了時間效應。凍土的強度隨時間會衰減,加荷速度就對凍土的強度有很大的影響。頻率越小,加載和卸載的速度都慢,凍土的各種強度也越小,剛性也差,就大;當加載頻率處于高頻范圍內時,加載和卸載的速度都比較大,上述時間效應都不明顯,所以的值變化不大。3.5不同應力比,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,隨圍壓的增加而增大,近似服從直線分布,且應力比越大,斜率越大(圖10,11)。圍壓影響凍土力學性質的原因在于礦物顆粒間接觸點和接觸區上的外壓力轉變成巨大的局部應力,從而導致冰的融化和流動以及水向低應力區遷移。冰的局部壓融和流塑性導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應力比系數及軸向應變速率本文基于不等幅值循環荷載作用下低溫動三軸試驗資料,研究了動應力幅、溫度、含水率、頻率和圍壓對軸向殘余應變增長速率的影響,在試驗條件范圍內,得到以下結論:(1)動應力幅對動應變速率影響大,應力比系數能反映軸向殘余變形產生的實質,動應變速率隨著應力比的增加而增加。(2)動應變速率隨溫度降低、頻率升高、含水率升高而衰