加载方向对层状构造冻结粉土抗压强度的影响.pdf

第3 6 卷第s 麓中国矿夔大学学报 v 0 1 ．3 s №．5 2 0 0 7 年9 月 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y S e p ．2 0 0 7 交耄绩鼍1 0 0 0 一1 9 6 毒 2 0 0 7 O S 0 5 7 3 一0 5 加载方向对层状构造 冻结粉土抗压强度的影响 李海鹏1 ’2 ，黄家会1 ，朱元林2 ，杨维好1 ，宋雷1 1 ．中国矿数大学建筑王凝学院，江苏徐髑2 2 1 0 0 8 l 2 ．中国科学院寒送翠区环境与王程研究秘，甘肃兰娜 7 3 0 0 0 0 摘要在不回温度和应变率每停下分别垂直和平行冰层j 时层状构遭冻结粉土进行了单轴抗压强 度试籍，分薪了2 种不霹加栽方向对嫠状构遭蒜结粉土力学槛质的影响。结幕表明垂燕豢层加 栽时层状构造冻结粉土的威力一应变荧系呈弹塑型，平行冰层加载时应力一应变关系呈黏弹塑型； 相同条停下垂蛊冰层加栽比平行冰屡加栽时的抗压强度和破坏应变失，二者抗压强度的差异程 度与滋度和痘雯誊无关，破坏应变的蔑异程度奄温度元荧，钽随着藏变率降低差异程度逐澎增 大；层状构造冻点的破坏主要受控于分凝冰，不同加栽方向下层状构造冻土的损伤演化过程存在 显著麓秀． 关键谲层状构造；冻结粉王；加载方向；抗艨强度 中图分类号T U4 4 5文献标识弼A I n f l u e n c e s i v eo fL o a d i n gD i r e c t i o n so n C o m p r e s s i v eS t r e n g t ho fF r o z e nS i l tw i t hL a y e r e dS t r u c t u r e s L IH a i p e n 9 1 ”，H U A N GJ i a h u i l ，Z H UY u a n - l i n 2 ，Y A N GW e i - h a 0 1 ，S O N GL e i l 1 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r e ＆C i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ， J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；2 。C o l da n dA r i dR e g i o n sE n v i r o n m e n t a la n dE n g i n e e r i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ， C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，L a n z h o u ，G a n s u7 3 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t sw e r ep e r f o r m e do nf r o z e ns i l tw i t hl a y e r e ds t r u c t u r e u n d e rl o a d i n gv e r t i c a la n dp a r a l l e lt oi c el a y e rw i t hv a r i o u st e m p e r a t u r e sa n ds t r a i nr a t e s 。T h e r e s u l t ss h o wt h a tt h er e l a t i o n s h i p so fs t r e s sa n ds t r a i na r ev i s c o e l a s t o p l a s t i cf o rl o a dv e r t i c a lt o i c el a y e r ，a n dt h o s ea r ee l a s t o p l a s t i cf o rl o a dp a r a l l e lt oi c el a y e r ．T h es t r e n g t ha n df a i l u r e s t r a i no ff r o z e ns o i lf o rt h el o a dv e r t i c a lt oi c el a y e ra r eh i g h e rt h a nt h a tf o rt h el o a dp a r a l l e lt o i c el a y e r ．T h ed i f f e r e n c ed e g r e eo fs t r e n g t h si si n d e p e n d e n to ft h et e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t e ， w h i l et h a to ff a i l u r es t r a i n si n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s i n go fs t r a i nr a t e s ．T h e ．f a i l u r em o d eo f f r o z e ns i l tw i t hl a y e r e ds t r u c t u r e si sm a i n l yc o n t r o l l e db ys e g r e g a t i n gi c e ．A n dt h ed a m a g ee v o l u t i o ni sr e m a r k a b l yd i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n tl o a d i n gd i r e c t i o n s ． K e yw o r d s l a y e r e ds t r u c t u r e ；f r o z e ns i l t ；l o a d i n gd i r e c t i o n ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h 收稿日期2 0 0 7 一0 1 1 6 基金硬弱嚣家鸯然秘攀基金重纛壤爨 5 0 5 3 4 0 4 0 | 蓬家骞然辩孥基金瑗基 4 0 6 0 4 0 1 5 作者简介李海鹏 1 9 7 5 ，男，辽宁省桓仁县入，剐教授，理学簿士，从事冻土力学和人工冻结工程方磷研究。 E - m a i l l i h a i p e n g l 9 9 1 1 6 3 ．t o m T e l ；0 5 1 6 8 3 9 9 5 3 3 0 万方数据 5 7 4中国矿业大学学报第3 6 卷 土体冻结过程是一复杂的水热输运过程．由于 受水分及冻结条件等因素的影响，细粘土冻结过程 中未冻土区水分会向冻结峰面迁移，然后冻结，并 逐渐集聚，从而在冻土体中形成分凝冰．分凝冰的 存在使得冻土体存在显著的各向异性，因此当加载 方向不同时冻土的力学性质会存在明显差异．P e k a r c k a y a [ 1 3 等人最早发现分凝冰对冻土的抗压强度 有影响．V i a l o v [ 2 1 对原状冻土进行剪切试验时，发 现垂直冰镜体方向的剪切强度大于平行冰透镜体 方向的剪切强度．J u m i k i s [ 3 ] 研究了冻结壁内冰晶 体的受力状态和变形情况，指出冻结壁的力学性能 与冷生构造有关．R a d d 和w 0 1 f e [ 4 3 曾对大型液化 天然气贮存罐下的冻结粉土进行了现场和室内强 度试验，发现冻结粉土的强度与其内部冰透镜体的 结构、数量、大小及方向密切相关． 由于目前尚未查明有分凝冰冻土的力学性质， 无论是在寒区工程中，还是在人工冻结工程中，还 未考虑冻土体的各向异性，在进行工程设计时多采 用均匀整体状人工冻土的力学指标作为设计参数， 这就使其缺乏合理性．鉴于此，本文在多种温度条 件和应变条件下对层状构造冻结粉土分别进行了 平行和垂直冰层加载的单轴抗压强度试验，分析了 2 种不同加载方向下层状构造冻土强度与变形性 能的差异，以期为工程设计提供一定的科学依据， 并为今后开展深入的研究奠定基础． 1试验 1 ．1 试样制备 试验所用土样为粉土，其物性指标见表1 ． 表1 粉土的物理力学性质指标 T a b l e1 S u m m a r yo ft h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h et e s t e ds o i l 颗粒成分／％ 0 ．5I n m0 ．5 ～O ．0 5m m0 ．0 5 ～O ．0 0 5h i m 一5 ℃时的破坏应变．这主要是由于在 较高应变率和较低温度下，冻土的脆性效应显著． 当t 一5 ℃时，破坏应变随温度变化较小，比较2 种加载方向下在1 1 0 - 5 ～1 1 0 _ 4s - 1 范围内和1 1 0 _ 4 ～1 1 0 _ 3s - 1 范围内破坏应变的增长幅度 发现，前者应变增长幅度要明显大于后者．这表明 在较低应变率和较高负温条件下应变率对破坏应 变的影响较大． 3 ．4 试样的破坏过程 当应力一应变曲线出现峰值时，本文认为试样 达到破坏状态．图5 为荷载垂直和平行冰层时层状 构造冻结粉土试样的破坏过程 温度为一2 ℃，应 变率为1 1 0 _ 3s _ 。，试样编号T L 0 2 ．由图5 a 知， 应变达到2 ％时，试样已进入屈服状态，此时冰层 内萌生许多与加载方向平行的拉张型裂纹．随着变 形的进一步发展，裂纹逐渐扩展，冰层内并有新的 裂纹萌生．应变达到1 0 ％，冰层中的裂纹开始扩展 到土层中，因冰层和土层性质不同，扩展到土层中 的裂纹出现了偏离．同时在试样的边缘处土层开始 萌生裂纹．当应变为1 8 ％时试样达到了极限应力 值，裂纹相互连接，贯通，试样已达到破坏．应变为 2 5 ％时，试样完全破坏，试样表面存在一些与作用 力方向平行的裂纹，某些裂纹贯通为破裂面． 由图5 b 可见，当应变为2 ％时，试样在垂向上 被压缩，横向产生膨胀，土层与冰层的交界面出现 拉张裂缝．随着变形的发展，裂缝逐渐扩展，并在在 试样边缘处的土层内开始萌生剪切裂纹，土层和冰 层开始弯曲．当应变为1 0 ％时，在原有的裂缝、裂 纹继续扩展的同时，并伴有新的裂纹萌生．当应变 为1 6 ％时试样破坏，裂缝开始由上至下贯通，形成 破裂面，土层内的裂纹与裂缝连结．应变为2 5 ％ 时，交界面的裂缝已完全贯通，试样内的冰层形成 “褶皱”式弯曲，土层产生向外的“弓形”弯曲． 通过分析可见，层状构造冻土的破坏主要受控 于分凝冰．不同加载方向下其破坏过程有明显不 同．其根本原因在于冰、土的刚度和相互作用不同． 单轴压缩下因冻土刚度小于冰的刚度，土层的横向 变形大于冰层，则冰层会对土层向外变形产生约 束，可将该效应近似为对试样施加了横向围压．垂 直冰层加载加冰、土界面的约束力为剪切力，轴向 荷载有利于剪切力的发挥；而平行冰层加哉时冰、 土界面的约束力为拉张力，轴向荷载对拉张力无增 强作用．因此垂直冰层加载时的“围压”要明显大于 平行冰层加载时的“围压”，且在很大的轴向变形范 围内存在，因此会出现垂直冰层加载的抗压强度和 破坏应变大于平行冰层加载的现象． 万方数据 第5 麓攀海鹅等加簸穷向对层获构造冻缓耪土抗匿强度的彩嚷5 7 7 烫5 麴载时试撵瓣璇棼过程 F i g ．5 F a i l u r ep r o c e s s e so fs a m p l e su n d e rl o a d 4 结论 参考文献 1 拥载方向对层状构造冻结粉主的应力一应 变关系有明显影响。垂宣冰层加载秀弹毅燮应力一 应变关系，平行冰层加载为黏弹塑型应力一应变关 系．在本试验温度和应变率范围内，2 种加载方向 的应力一应变关系均为应变软化型，可用如下数学 模登攒述 一等a 错。 L 十D ．￡2 。 2 相同条件下垂直冰层加载比平行冰层加载 时豹抗压强度大．不同搬载穷囊抗压强度鹣差异程 度与溢度秘应变率无关，在率试验条俘下垂壹加载 的抗压强度比平行加载大1 2 ％． 3 相同条件下垂直冰层加载大于平行冰层加 载时的破坏应变，破坏应变的差异程度隧着应变率 降低差舅翟疫逐渐增大，露与溢度无关．在本试验 温度和应变率范围内，层状构造冻结粉士的破坏应 变随着温度降低和应变率减小总体呈减小趋势． 4 层状构造冻土的破坏主要受控予分凝冰， 魏载方向对破坏过程有照藉影嚷。垂壹冰层嬲载时 损伤以裂纹形式在冰层内萌生，而平行冰朦加载时 损伤以裂缝形式在冰层与土层交界面萌毙． 致谢本义的研究工作得到了中国矿业大学青年科 研基金 O B 4 4 5 6 及引进入才基金项目的资助，特 此致谢。 E 1 3P E K A R S K A Y ANK ．S h e a rs t r e n g t ho ff r o z e ng r o - u n da n di t sd e p e n d e n c eo nt e x t u r e [ M ] 。M o s c o w I z d - V oA k a dN a u kP r e s s ，1 9 6 3 。 [ 2 ] V I A I 。O VSS ．R h e o l o g yo ff r o z e ns o i l [ c ] ／／V I A L O VSS ．I nE n g l i s hP r o c e e d i n go fF i r s tP e r m a f r o s t I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c e 。W a s h i n g t o n L a f a y e t t eI n d P u b l i c a t i o n ，1 9 6 3 6 0 - 7 7 。 [ 3 ]J U M I K I SAR ．C r y o g e n i ct e x t u r ea n ds t r e n g t ha s - p e c t so fa r t i f i c i a l l yf r o z e ns o i l s [ J ] ．E n g i n e e r i n gG e o l o g y ，1 9 7 9 ，1 3 1 2 5 1 3 5 。 [ 4 3R A D DFj ，W O I ，F ELH 。I c el e n ss t r u c t u r e s ，c o r n p r e s s i o ns t r e n g t ha n dc r e e pb e h a b i o ro fs o m es y n t h e t ～ i cf r o z e ns i l t ys o i l s [ J ] ．E n g i n e e r i n gG e o l o g y ，1 9 7 9 ， 1 3 1 6 9 - 1 8 3 ． [ 5 3G B ／T5 0 1 2 3 1 9 9 9 ．土工试验方法标准[ s ] ． [ 6 3 寒元爨，张家懿。冻豹攀鞠簇缝本稳关系叠] ．溶 川冻土，1 9 9 2 ，1 4 3 2 1 0 2 1 7 ． Z H UY u a n - l i n 。Z H A N GJ i a - y i ．C o n s t i t u t i v er e l a - t i o n so ff r o z e ns o i l i nu n i a x i a lc o m p r e s s i o n [ J ] ．J o u r h a lo fG l a c i o l o g ya n dG e o c r y o t o g y ，1 9 9 2 ，1 4 3 2 1 0 - 2 1 7 。 [ 7 ] P R E V O S TJ } 差，H O E GK ．E f f e c t i v es t r e s s - s t r a i n - s t r e n g t hm o d e lf o rs o i l s [ J ] ．J o u r n a lo ft h eG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n gD i v i s i o n ，1 9 7 5 ，1 0 1 3 2 5 9 2 7 8 ． 责任编辑王继缴 万方数据