人工冻土力学特性研究现状

岩土工程特殊施工课堂作业人工冻土力学特性研究现状摘要：冻土的力学性质是影响冻土稳定性的关键因素，正确认识冻土的性质是冻土工程建设和发展的重要保证。本文首先论述了研究冻土力学特性在工程中意义，然后综合目前我国在冻土静力学和动力学两个方面的研究现状。最后介绍了目前冻土动力学研究的常用方法。关键词：人工冻土，力学特性，意义，现状，研究方法冻土力学分为冻土静力学和冻土动力学两个方面[1]。冻土的动态力学特性研究是冻土静力学研究的发展和分析冻土体动力失稳等特征的重要基础。1冻土力学特性研究意义冻土的力学特性参数是冻土壁设计的主要依据，深部土人工冻土的力学特性研究是深部岩土工程冻结施工的前提。随着地层冻结法在我国的广泛应用，在工程实施过程中也遇到了不少问题和风险。比如一些工程技术人员对人工冻土物理力学性质、冻结过程冻土发展规律及范围控制、冻胀和融沉机制及控制技术、冻土结构的受力体系及冻土墙设计、冻土结构和永久结构相互作用、注浆补偿控制工后沉降等认知不十分清楚。往往导致设计不合理或者容易出现纰漏而导致重大事故;或者设计缺乏全面考量而出现错误;或者没有完整经验照搬以往设计而缺乏针对性;或者不清楚冻土结构受力体系而出现错误的设计和施工组织设计;或者缺乏对冻胀和融沉处理缺乏针对性等。冻土动态力学性能的研究是煤矿冻结法施工及人工冻结工程建设中安全有效快速施工的重要基础研究，具有重要的理论意义和工程应用前景。在冻土工程中，各种机械在冻土中的开挖过程，实质上是冻土在各种动荷载作用下快速变形，致使冻土中的各种孔隙、裂纹不断快速发展、扩张，最终使冻土破碎。从载荷特性看，它属于冲击动力学范围。冻土的力学性质是影响冻土稳定性的关键因素，正确认识冻土的性质是冻土工程建设和发展的重要保证。2研究现状2.1冻土静力学研究现状贺俊等[2]以苏州地铁典型土层为研究对象，通过室内试验系统的获得了苏州地铁典型土层冻土无侧限抗压强度、弹性模量、泊松比的定量值及其随温度、含水率变化的规律，且得到典型土层大都属于塑性破坏和抗压强度随冻结温度降低而线性增长。肖海斌[3]以粉质粘土为研究对象，在不同的温度和含水率条件下进行试验，结果表明：在含水率一定的情况下，冻结粉质粘土单轴抗压强度随着温度的降低是逐渐增加的，而随着含水率的增加，只有满足一定条件才会产生明显的强度降低。王衍森等[4]提出了以深部土的高压K0固结—K0固结土样的有载冻结—冻土试件的三轴试验为基本思路开展深部人工冻土力学特性的试验研究的想法。叶荣华等[6]研究了冻土的抗剪强度指标和极限抗压强度值，发现冻结后土的内摩擦角和粘聚力有了明显的增大，冻土的单轴抗压强度、弹性模量随温度降低呈线性增大。陈湘生[6]对我国冻结法凿井中33个矿井20多类人工冻土力学性能的试验研究，提出了我国人工冻结黏土的蠕变模型。袁文华[7]通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究，获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性，当应力水平较低时，人工冻土发生黏弹性蠕变变性；当应力水平较高时，人工冻土发生黏塑性蠕变变性。从而其以西原模型为基础，增加一个黏弹性元件和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项，构建了高应力下抛物线型粘弹塑性蠕变本构模型。李栋伟等[8]通过冻土高围压下的三轴蠕变和三轴剪切试验研究，获得了当偏应力水平高于某一临界值时，蠕变等时应力-应变曲线和蠕变强度包络线均有一拐点，拐点对应的应力状态可以认为是材料的屈服点。当到屈服应力后，人工冻土等时应力-应变关系岩土工程特殊施工课堂作业和典型蠕变包络线呈抛物线分布。提出了抛物线人工冻土黏弹性蠕变本构模型。2.2冻土动力学研究现状冻土动力学是冻土力学的重要分支，也是冻土力学和动力学的交叉学科，它主要研究动荷载作用下冻土的变形和强度特征及稳定性。主要研究单位是中国科学院兰州冻土工程国家重点试验实、煤炭科学研究总院、中国矿业大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学、北京交通大学、西安科技大学和安徽理工大学[9]等。刘志杰等[10]将冻土看成胡克弹簧和Maxwell体的并联组合体，并引入Weibull分布损伤和Johnson-Cook模型的温度项，利用分离式霍普金森杆（SHPB）对冻土进行了冲击加载实验，实验表明冻土具有明显的温度效应和应变率效应。陈文峰[11]利用分离式霍布金森压杆，研究了重塑冻结粘土在不同冻结温度和不同应变率下单轴状态的变形和强度特征，结果表明，人工冻土在冲击荷载作用下呈脆性破坏，表现了较强的温度效应，但应变率效应不太明显。刘志强等[12]研究了冻结粘土在不同应变率、不同温度和不同含水率条件下其动态力学特性，其研究发现，冻土具有明显的温度效应和应变率效率，随着应变率的增加和温度的降低，冻土破坏过程从塑性破坏逐渐转变为脆性破坏，在冲击荷载作用下，冻土的动态应力—应变关系曲线随加载应变率的不同呈现不同的曲线，冻土的最大应变与且仅与应变率呈线性递增规律，在单一因素影响下，冻土的动强度、动弹性模量均随应变率的增大、温度的降低和未超过饱和状态的含水率的增大而增加。凌贤长等[13]考察了负温和含水率对超声波在冻土中传播速度及冻土冻弹性力学指标的影响。朱占元等[14]基于等幅值循环荷载作用下低温三轴振动试验资料，研究了冻结青藏铁路北麓河黏土在长期往返加载情况下的变形特征、根据不同温度、动应力幅值、频率、围压等因素下冻土的应变与振次关系曲线，得到随着振动次数、动应力幅值、围压的增加残余应变增大；随着温度的降低残余应变减小。张淑娟等[15]通过一系列恒应力幅循环动荷载试验，发现冻土动强度的变化不仅跟破坏振次的大小有关，而且与围压、循环荷载作用下土体吸收的有效能量之间也存在一定关系。3冻土力学特性研究方法按应变率的大小，动载荷可分为3类，见表1表1动荷载分类类型应变率/（s-1）荷载作用方式低应变率10-8～10-3油压式试验机中应变率10-3～100落锤冲击、气体活塞冲击、水中冲击压驱动的活塞冲击、大容量油压活塞冲击高应变率10～103高速冲击装置（SHPB）根据受冲击载荷作用材料的质点速度(v)和特征强度(σy)将冲击载荷分为低速、中速和高速3种，受冲击载荷作用的材料特性也相应地分为3种:2/y为310～210（为材料的密度）是低速冲击荷载，介质变形量不大，以时效现象为主，可用等温近似方法处理；2/y约为10～210是中速冲击荷载，介质发生有限弹塑性变形，时效、热与机械功的耦合都比较明显，体积可压缩性也需要考虑，相应地有各种描述变形过程的本构关系；2/y约为210～310是高速冲击荷载，与材料强度有关的诸效应退居次要地位，而以体积压缩变形和热的耦合为主要特征。最初的冲击试验大多是在冲击摆或落锤装置上进行，然而，由于波动效应的影响和这类试验装置和试件的惯性效应，无法准确地测定试件材料的动态应力-应变关系，也有在中应岩土工程特殊施工课堂作业变率试验机上进行的。材料的动力学效应包括惯性效应即应力波效应，进行波传播研究。另一种效应为材料的应变率，导致各种类型的应变率相关的本构关系和破坏准则的研究。分离式Hopkinson压杆装置是研究材料应变率在（210～410）1S下的动态力学性能的重要装置，用该装置研究了混凝土、钢纤维混凝土及岩石的动态力学特征。冻土的动应力-应变关系是表征冻土动力学特性的基本关系，也是分析土体动力失稳过程一系列特征的重要基础。由于冻土的流变性，使它的应力-应变关系十分复杂，既使在静荷载下，也不能用统一的本构关系方程式，如mA来描述。根据人工冻结工程施工实际需要，研究冻土的高应变率下的冻土动态力学特性是必要的。在分离式Hopkinson压杆上进行冻土的冲击压缩试验，重点研究在不同温度下围压冲击压缩试验，由于冻土试件的变形初期的应力不均匀性及透射波信号太小等问题，其关键是研究形成低温环境的低温配套设备，根据正交设计方法进行不同密度、不同负温、不同应变率条件下围压冻土压缩试验，根据测量应变的传感器测出入射应变、反射应变和输出杆的透射应变，计算出冻土的动态平均应力、应变和应变率，从而得到高应变率变形全过程的动态应力-应变曲线，并研究冲击波在冻土试件中传播规律。4结论目前对于人工冻土的主要研究主要分为静力学特性研究和动力学特性的研究。在静力学法方面温度的降低会增加土的粘聚力及内摩擦角，从而增加其抗剪强度。温度的降低冻土的抗压强度和弹性模量基本呈线性增长。动力学方面通过冲击加载实验，发现冻土具有明显的温度效应和应变率效应。参考文献[1]范菊红.动荷载作用下人工冻土力学特性及本构模型研究[D].安徽：安徽理工大学硕士论文，2012[2]贺俊，杨平，何文龙.苏州地铁典型土层冻土力学特性研究[J].水文地质工程地质，2010，37（5）[3]肖海斌.人工冻土单轴抗压强度与温度和含水率的关系[J].岩土工程界，2008,11（4）[4]王衍森，杨维好.深部土人工冻土力学特性的试验研究方法探讨[J].建井技术，2003,24（5）[5]叶荣华，刘干斌，叶俊能.宁波轨道交通人工冻土物理力学特性试验研究[J].工程勘察，2011,8YERong-hua,LIUGan-bin,YEJun-neng.ExperimentalstudyonphysicalandmechanicalpropertiesofartificialfrozensoilinNingborailtransit.GeotechnicalInvestigation&Surveying,2011,8[6]陈湘生.我国人工冻结黏土蠕变数学模型及应用[J].煤炭学报，1995,20(4)[7]袁文华.人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究[J].岩土力学，2013,34（11）YUANWen-hua,Backanalysisofviscoelasto-plasticconstitutiveparametersofartificialfrozensoil,RockandSoilMechanics,2013,34(11)[8]李栋伟，汪仁和，赵颜辉，等.抛物线型屈服面人工冻土蠕变本构模型研究[J].岩土力学，2007,28（9）LIDong-wei,WANGRen-he,ZHAOYan-hui,etal.Researchonparabolibyield-surfacecreepconstitutivemodelofartificialfrozensoil[J].RockandSoilMechanics,2006,28(9)[9]马芹永.人工冻土动态力学特性研究现状及意义.岩土力学，2009,30（增刊）MAQin-yong.Researchstatusofdynamicpropertiesofartificialfrozensoilanditssignificance.RockandSoilMechanics,2009,30[10]刘志杰，朱志武，谢东海，等.基于线性黏弹性模型的冻土动态本构关系.西南科技大学学报，2015，30（4）LIUZhi-jie,ZHUZhi-wu,XIEDong-hai,etal.DynamicConstitutiveRelationofFrozenSoilBasedonLinerviscoelasticModel,JournalofSouthwestUniversityofScienceandTechnology,2015,30(4)[11]陈文峰.人工冻土单轴冲压压缩力学性能实验研究.河南工程学院学报（自然科学版），2012,24（4）岩土工程特殊施工课堂作业[12]刘志强，柳家凯，王博，等.冻结黏土动态力学特性的SHPB试验研究.岩土工程学报，2014,36（3）LIUZhi-qiang,LIUJia-kai,WANGBo,etal.DynamiccharacteristicsoffrozenclaybyusingSHPBtests.ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2014,36(3)[13]凌贤长，徐学燕，徐春华，等.冻结哈尔滨粉质黏土超声波测定试