冻土动力学特性分析

第41卷增刊人民长江Vol. 41, Supplement200年11月Yangtze RiverNov.,2010文章编号:1001-479(2010)s1-0109-04冻土动力学特性分析王守,巩立亮,乌晨曦,常颧彬,王越(1.黄河勘测规划设计有隈公司,河南郑州475003;2.河南黄河河务局信息中心,河南郑州4500033.河南孟州黄河河务局,河南焦作472300;4.黄河水利职业技术学院,河南开封475003)犢要:在我因广泛分布的特殊土一冻土具有独特、复杂的动力学性质和较高的致灾性,与之相关的动力学问题巳成为工程界关注的焦点。为了满足在振动荷载作用下冻土地基基础设计的需要,近几年来进行了大量冻土动力学性能研究,包括冻土的动蠕变和动强度。从一些瘳数和动强度角度介紹了冻土动力学的研究现状概迷了研究和试验的过程以及从中得出的结论,并就今后的研究方向和研究重点提出了的建议。关锽词:冻土;动蠕变;动强度;动力学枣数;动力学特性中图法分类号:P642.14文献标志码:A冻土的动力学特性是寒区地球物理勘探、爆破开(即强度试验)两种。恒应力幅值动荷载试验是施加挖工程、抗震及有振动机械的建筑设计的重要依据之正弦变化的轴向循环周期荷载,但应力幅值保持恒定。我国大部分季节性冻土区都属于地震活动区,开即展冻土区地震反应研究,对冻土区工程建设有着十分(1)重要的意义。另外,随着寒区工程建设的迅速发展,现Constant有的一些理论和方法已经满足不了工程建设的需求(1+因而要求人们必须对冻土的动力特性进行系统而深入的研究。本文将主要从动强度和动力学参数方面来介恒应变速率等幅动应变试验是控制应变变幅的绍冻土动力学的研究现状。上、下界随时间以同一速率等速增长,且应变变幅保持不变。1冻土的动力学参数及测试方法1.1.2共振柱法冻土的动力学参数主要有动弹性模量E4、动剪切共振柱法适用于小应变(103~103)、高频率模量G4和动阻尼比η及泊松比μ。(几赫兹到几百赫兹)范围测试,是无损检测。根据共1.1参数测试方法振原理,在一个圆形试样上施加纵向激振力或扭转激目前用于冻土动力学参数测试的主要手段有动振力改变振动频率使其产生共振,由共振频率、试样三(单)轴试验法、共振柱法和波速法。尺寸边界条件求得试样的动模量,计算公式为:1.1.1动三(单)轴试验法2PfH、E4=Q((4)B动三(单)轴试验法适用于大应变(10~10-)2Pf,H低频率(零点几赫兹到十几赫兹)范围测试,可以模拟(5地震动荷载作用是目前使用最多的一种方法。围压式中,为共振频率阻尼比通过自振法得到,即给试R1=0时为动单轴试验。加载方式分恒应力幅值动荷件施加一个初始角位移,之后突然释放试样就处于自载(即蠕变试验)和恒应变速率等幅动应变振动试验由振动状态。中国煤化工CNMHG收稿日期:2010-10-19作者简介:王宁,男,助理工程师,主要从事土工试验工作。E-mail:50372307@ qq. cont110人民长江2010年A的方程来描述,即:E/G AlnH +B(10)式中,A为第N次的振幅,A为第N+m次的振幅。式中,H为负温绝对值;A和B是与土质和含水率有关1.1.3波速法的参数。而且,颗粒越粗,动弹性模量和动剪切模量就波速法也是无损检测,模拟地震波在土体中的传越大。冻土的动泊松比随着温度的降低而减小。播,利用声波仪测得纵波及横波波速,从而求得土的动弹性模量、动剪切模量及动泊松比,计算公式为:黄士{u=18.86%)3pv(vp-3v)36±(u=3100%)EV: -V(8)Vp-2vs图1动弹性模量与温度关系V2-V2式中,V为纵波波速;V为横波波速;p为密度。黄士(=18.8%)1.2冻土动力学特性分析贴土(u=31.00%)1.2.1动弹性模量、动剪切模量和动泊松比冻土的动弹性模量E4和动剪切模量G是冻土动超度/C力学参数中的重要指标,影响它们的主要因素有土质、图2动剪切模量与温度关系含水量、温度、围压频率、应变幅值和应力等。目前已黏土(u=31.0%)得到普遍认可并通过3种试验方法都得到的结论是:→篾土(u=18.86%(1)冻土的动弹性模量E与动剪切模量G4的变化规律相似;(2)土质不同,E不同,冻土的E比未冻土的大土u=17,60两个量级或更多粗颗粒土的E4大于细颗粒土的EA;(3)动模量随温度降低而增大,随频率加快而变图3动泊松比与温度关系大,随应变幅值的增大而减小。图4-6为一定温度下冻结粘土与冻结黄土的动(4)随着围压的增大,E总体上呈现出降低的趋弹性模量、动剪切模量及动泊松比随含水率的变化曲势,这种趋势在粗粒土中的表现比细粒土的较为明显,线。此外,可能还存在一个临界围压,当围压变大时,E4先莫士(=-10°c)变大后变小,而在临界围压处达到最大。当前,很多有关冻土动力学特性的研究工作都是5050针对某一种土质和某一种方法进行的。下述试验是王t(=-5·c)大雁、朱元林等人运用UVM-2型声速测定仪,测定的不同含水率的冻结砂土、冻结黄土和冻结粘土在不同温度下的超声波波速(纵波波速和横波波速),试验图4动弹性模量与含水率的关系土质为哈尔滨粘土、兰州黄土(粉土)及北京细砂。根由图4~6可见:在低含水率范围内的冻结黄土,据弹性理论利用所测得的超声波波速计算了被测冻其动弹性模量和动剪切模量随含水率的增加而增加土试样的动弹性力学参数(动弹性模量E、动剪切模在高含水率范围内的冻结粘土则是随含水率的增加量G和泊松比μ)。图1~3为得到的动弹性模量、动而减少。因为当含水率较小时随着含水率的增加,土剪切模量及动泊松比与温度的关系曲线。颗粒间的冰胶结面积明显增加,因此冻土强度及模量由图1~3可以看出冻土的动弹性模量和动剪切亦随之增模量随着温度的降低而增加这是因为温度降低冻水率的增址中国煤化x定程度后随着含CNMH颗粒间的胶结力土内的含冰率提高使土颗粒间的胶结能力增强从而逐渐减小,人此冰工强度反懊重随之减小。在一定导致冻土本身强度提高。它们之间的规律可用一个统温度下,冻结粘土与冻结黄土的动泊松比在试验含水增王宁,等:冻土动力学特性分析l11率范围内随含水率的增加而增加。的变化率大于高频时;冻土在较高温时的动阻尼比大于低温时的;含水量对冻土的动阻尼比影响较小,随含员士(6=-10·C)水量的增加,冻土的动阻尼只是略微呈现出增加趋势。通过对冻结粉土的动三轴试验可以得出:冻土动阻尼黏土(=-5·c)比随冻土动剪应变的增大而显著增大;负温对动阻尼比的影响较大,特别是在较大动应变下高温冻土阻尼比有增大趋势;动阻尼比随围压上升而增大;在循环动图5动剪切模量与含水率的关系载荷作用下,动阻尼比随着温度的降低而变小;此外,站土(6--5°C)动阻尼比在小应变下随轴向动荷载单级振次增加而变侧土(--10°c)化较小,而在较大应变下则随之增大而增大;有围压循20.25环荷载作用下,随荷载的振动次数和土体含水量的增大,冻土的动阻尼比变化不明显。综上所述,冻土的动阻尼比随着温度的降低而变小;随着频率的加快而变小,且低频时的变化率要大于图6动泊松比与含水率的关系高频时;应变对冻土的动阻尼比影响比较有局限性,在此外,通过对青藏铁路粉土和细砂进行的研究,得大应变时,动阻尼比随着应变幅值的增加而增加,小应到了如下结论:粉质粘土和细砂的动力学参数随加载变时动阻尼变化则不明显;含水量和围压对冻土动阻频率温度、含水量的变化规律相同;相同条件下,细砂尼比影响不大。的动弹性模量E4大于粉质粘土;当频率增加时,动弹性模量E,增加,且在低频时变化较大,在高频时变化2冻士的动强度较小。而国外 Vision等人比较共振柱试验和循环动三动强度是指在一定振动循环次数下使试样产生破轴试验结果发现,动三轴试验中,频率和应变幅值对坏应变时的振动剪应力。影响冻土动强度的因素主要E4的影响比共振柱试验中明显。有温度、土质、含水量、围压、振频及应变等。1.2.2冻土的动阻尼比吴志坚、马巍等人为了研究在地震荷载作用下冻动阻尼比是衡量土体吸收动载荷能量能力的一个土的冻强度特性对重塑冻结兰州黄土进行了动三轴尺度。动阻尼比的计算公式为:试验。试验采用等幅正弦循环荷载模拟地震作用。图△W7所示就是通过试验得到的3种不同温度下的动强度4丌W(11)曲线,即达到15%总应变破坏准则时振动次数N与动式中,△W为阻尼耗能;W为等效应变能。剪应力的关系曲线。动阻尼比跟动模量有很大关系,二者通常呈线性关系。影响动模量的因素都会影响动阻尼特性,使动模量降低的因素常使动阻尼比提高,其中主要的影响因素有温度、频率、含水量、围压及应变等。19Vision等人提出随着温度降低或频率加快,冻土6182的动阻尼比变小。因为温度降低,未冻水含量减少,且冰的强度增加,故阻尼比减小。在动荷载作用下,冰与图7不同温度、不同围压下的冻强度-振动关系曲线土颗粒间有相对滑移,频率越大,这种滑移效果就越明由图7可以得到如下结论:在同一温度条件下,冻显,因此阻尼比变小。随含水量和围压的变化,动阻尼土的动抗剪强度随围压的增大而增大;在不同温度条比的变化较分散,但总体上,是随含水量增加或围压的件下,冻土的动强度均随振次的增加(动应力作用时变大而呈稍微变大的趋势;在10~10的应变范围间的延长)而降低;在不同围压下,冻土的动强度都会内,对粉土和粘土来说,是随应变幅值的增加,阻尼比随温度的降低而明显增大。变大;而对砂土来说,是随应变幅值的增加,阻尼比变图8和动作A田无度对两个动抗剪小。无论对哪种土,在应变小于10时,阻尼比变化强度参数,动U4的影响曲线。由图8和CNMH都不明显。通过对取自青藏铁路的粉土和细砂进行研度下,动粘聚力C究可知:当频率增加时,冻土的动阻尼比变小,低频时值随振次的增加而减小而当作用振次较少时,动摩擦112人民长江2010年角φ值随振次增加会有小幅增大;在相同振次下,C4、流塑性导致冰重分布和冰晶重新定向,减小了冰的粘φ4值随温度的降低而增大,在水-冰的剧烈相变区聚力。另外由于未冻水迁移和重分布,其润滑作用也(温度大约为0~-5℃),C值变化较为显剧,而当温减小了颗粒间的摩擦,有利于颗粒位错和定向排列度t<-5℃时,其变化趋于平缓。这是减弱效应。当围压小于临界围压时,增强效应占主体,动强度随围压的变大而变大;当围压大于临界围压时,减弱效应占主体,强度随围压增大而减小。N=30(6)不同围压下动强度对应变速率的影响关系可以用以下幂函数描述:o,= k,e,'+C式中,σ4为60下试验的峰值偏应力(σ1-σ3),MPa;图8粘聚力-温度关系曲线k,n1,C,为对应于不同的围压和振频试验的拟合参7.5(7)得到了单轴动强度模型:gd =k8+c(13)N=20(8)动强度的破坏准则,即抛物线准则为:4图9内摩擦力一温度关系曲线综上所述,表明冻土的动强度随着温度的降低而通过对冻结粉土的研究,得出了如下结论:增大,随着围压的增大而增大,随着应变速率的变大而(1)比较动三轴、动单轴资料表明,冻土的三轴动增大,随着振频的增加而降低。但是由于目前对冻土强度大于单轴动强度。动强度的研究只是针对于某几种土进行的,因此,应继(2)频率对动强度的影响不太明显,但随着振频续开展对其他各种土质的动强度试验,以此来丰富冻的加大,疲劳效应加强,动强度会有所下降,在低应变土动强度特性的理论研究。速率下,高振频反而使动强度略有提高。3结语(3)三轴和单轴试验结果都表明,存在一临界应变速率,约为1667×10-3~1.667×10-s,即在0.1%本文只是从冻土的冻强度、动力学参数方面研究1.0%/min应变速率附近。在此应变速率下,动静了冻土动力学从现状和进展可以看出,室内测试技术试验的强度相等,破坏应变接近频率对动强度基本无日趋成熟,动力学参数、动强度方面的资料也较丰富。影响。当应变速率大于该临界值时,即在高应变速率此外,我们还可以从冻土冻蠕变、动应力-应变关系、下,动强度大于静强度,动破坏应变大于静破坏应变,冻土场地地震反应特性等方面对冻土动力学进行全面动强度随频率加大稍有减小,动力作用中的速率效应系统的研究这对冻土区工程建设将有着十分重要的占主导;反之,在应变速率小于该临界值时,即在低应意义。今后需在以下几个方面开展进一步的深入研变速率下,动强度小于静强度,动破坏应变小于静破坏究应变,动强度随频率加大稍有增加,动力作用中的循环(1)由于冻土结构及动荷载的复杂性,使冻土的效应占主导。动本构关系难以确定,因此应该借鉴普通土动力学的(4)在一定围压下,一定的动强度对应一定的破研究成果认识动荷载作用下冻土结构变化的物理本坏振次,它们的对应关系表明存在长期动强度的下极质,发展粘弹塑损伤断裂本构模型。限,即长期极限动强度。(2)大力开展现场原位测试,以使冻土动力学研(5)存在一临界围压,当围压小于临界围压时,动究成果能尽快应用于工程实践。强度则随围压的变大而变大;当围压大于临界围压时(3)模型试验具有联系室内试验研究成果和工程强度则随围压增大而减小。这是因为围压对动强度有实际应用的优点因此亦应予以足够重视。总之,需进两种作用:一方面围压使冻土的孔隙率变小微裂隙步将室内试验现场原位试验模型试验和实际工程闭合导致土体进一步固结,冻土动强度增强,这是增检测紧密中国煤化工冻土的动力学理强效应;另一方面,围压使土的冻结温度下降,相对地论,并将其CNMHG提高了土温削弱了冻土的内部联结,冰的局部压融和(编:赵秋云)