陈文峰

冻土是由土颗粒、未冻水、冰及气体组成的,是典型的多相体材料,构成成分的复杂导致了其具有比较复杂的力学特性。国外人们对冻土的力学特性研究已经有了长足的发展。我国从20世纪70年代修建青藏公路建设项目开始进行了冻土的力学特性研究。目前对冻土力学性能的实验研究及实践应用绝大部分集中在冻土的静态力学方面。动态力学性能研究大多是在低频或小幅值的振动加载条件下的实验研究。冻土的动态力学特性研究对于西部大开发和利用冻土地区国土资源、实现可持续发展,尤其在政治、军事、经济和科学技术上都有着极其重大而深远的意义。

1 研究现状及分析

1.1 动力学参数

徐学燕[1]等对冻土动力参数进行了研究,通过在MTS振动系统上施加循环荷载,测定在循环动应力作用下的动应力—动应变关系曲线,间接得到冻土的动弹性模量表达式。而且她还根据大量土样在循环周期荷载作用下得到的应力—应变关系曲线实验资料进行计算机拟合,并提出双曲线是一个适宜的函数关系。国外Vision[2]等提出冻土的动阻尼比随温度的降低或频率增加而变小;随含水量和围压的变化动阻尼比变化较分散,但总体上随含水量增加或围压变大呈稍微变大的趋势。

何平[3]等对不同温度、不同频率和不同荷载等因素作用下的饱和冻结粉土进行了单轴抗压振动试验,讨论了最大应力、应变及温度对动弹模的影响。为了能快速、准确地测量冻土的冻土力学参数,赵淑萍[4]等也对冻土动弹模、动阻尼比进行了一定的研究,她通过对两种不同路基冻土的动三轴实验研究分析了测试及其影响因素,得出如下结论：1)动弹模和动阻尼比随加载频率、温度、含水量的变化规律相同。2)冻土的动弹性模量随频率的增加而增加,其中低频时变化大,高频时变化小,随含水量的增加先增加后减少,在饱和含水量附近达到最大值。3)动阻尼比随频率的增加而变小,低频的变化率小于高频,随含水量的增加比较分散,呈现逐渐增加趋势。而国外Vision[5]等人通过共振柱试验和循环动三轴试验研究动弹模结果发现,在动三轴试验中,频率和应变幅值对动弹模的影响大于共振柱试验。吴志坚[6]等通过模拟地震作用下的动三轴实验,研究了重塑冻结兰州黄土的动力学参数,通过研究得出：1)在随机变化的地震波型简化为等效的等幅正弦循环荷载的作用下,不同温度下的重塑冻结兰州黄土的动应力—动应变关系曲线均可近似地用Hardin-Drnevich双曲线模型来描述。2)建立了动弹性模量表达式及其参数的参考值。3)动弹性模量随温度的降低而增大,随动应变的增大而减小。

1.2 动应力应变关系及动强度

姜忠宇[7]等进行了冻土在往复荷载作用下应力应变关系的研究,他通过实验得出：1)冻土试样的力学性能受试样类型、含水量、温度以及加载方式等因素的影响;同种试样加载方式不同,力学参数有一定的差异。2)不同的加载方式对试样抗压强度的比值有着大致相当的影响,而试样含水量与温度的变化对其比值影响甚微。往复载荷作用下试样的抗压强度比轴向荷载下的小。3)不同的加载方式使试样破坏应变的比值变化范围较大,与试样含水量及温度密切相关。王伟[8]等对引入强度因子概念对两种传统应力应变模型的数学局限性进行了分析,并发现了拟合误差,以期建立合理的相对独立的应力—应变模型的数学特征方程。刘增利[9]等进行了原状冻土动单轴压缩动态实验研究,结果表明原位冻结黏土试样在不同加载速率下的单轴压缩试验,在快速和慢速加载速率下,压缩曲线及试样破坏特征均呈现明显脆性特征,原状冻土单轴压缩下的弹性极限应力及极限抗压强度均随着加载速率的降低而有明显降低,而对应的线弹性变形范围及最大载荷变形范围则与加载速率无关,这些特征与已有重塑冻结黏土的研究结果具有明显的不同。

动强度是指在恒应变速率等幅动应变三轴、单轴试验中的动应力峰值。其会影响动强度的因素有很多。沈忠言[10]等对冻土的动强度特性做了大量的研究工作,并提出了动强度的破坏准则,即抛物线准则。张淑娟[11]等也对冻土的冻强度特性进行了试验研究,她通过单轴动荷载作用下试样中的测温试验发现：当有循环荷载作用时,随着时间的变化,试样中的温度呈上升趋势,上升值与加载频率、动应力幅及试样的初始干密度、含水率等因素有关,并在不同的条件下冻土动强度表现出了不同程度的损失,另外她还得出如下结论：1)在同一围压下,冻土动剪强度随破坏振次的增加非线性减小;相同振次下,动强度随围压的增大呈先增后减的非线性变化规律,而高围压下冻土的动强度比静强度衰减得快。2)同一围压下,动强度随损耗能的增多而逐渐减小,试样中的温度非线性升高。3)三轴动荷载作用下,额外的温度抬升使试样中的孔隙冰部分发生融化,未冻水含量增加,缩减了土颗粒间的胶结力和摩擦力,从而造成冻土动强度的衰减。上述两人都对冻土的动强度作了研究,但他们实验采用的土质是冻结粉土或冻结粉质黏土,至于其他类型的土质如黄土、砂土、粉土等的动强度如何有待研究。

1.3 动蠕变特性

朱元林[13]等通过对冻土动三轴蠕变实验研究用时间—温度比拟法建立冻土在振动荷载作用下的动蠕变模型,并讨论了该模型中各参数的物理意义及变化规律。李栋伟[14]等通过大量的冻土试验提出了基于损伤理论的蠕变本构模型,该模型能较好的模拟冻土蠕变变形的全过程,并且与实测蠕变变形基本吻合。李海鹏[15]等通过三轴应力状态下兰州黄土的动蠕变试验发现,破坏时间随围压增大而增大,但随着围压的进一步增大而减小;相对应的最小蠕变速率随围压的增大而减小,但随着围压的进一步增大而增大。

1.4 其他学科和冻土力学结合起来的冻土动态力学特性研究

除了对冻土上述几个方面的研究外,有些研究者将其他学科和冻土力学结合起来研究冻土的动态力学特性,来更深入研究冻土的破坏机理。如张树光[16]将损伤力学与分形理论结合起来研究冻土在单轴压缩应力作用下损伤的动态演化规律。李洪升等将断裂力学和冻土力学结合起来研究冻土的断裂力学特性。马芹永[17]将冻土力学和冲击力学相结合研究了冻土在强冲击荷载作用下的冻土动态力学特性,并重点进行了冻土在高应变率下的动态力学特性的试验研究,通过研究结果表明,同一应变率下,冻土的动、静态力学特性受温度影响较大,其流动应力随温度的降低而增加,同一温度下,其流动应力随着应变率的增加也将增加,然而对当应变率增加到某一值后,流动应力随应变率的增加反而减小,说明冻土具有时温等效性,另外冻土材料在破坏过程中由于受时温等效性作用而表现出冻脆性和动脆性,他结合冲击荷载作用下材料应力应变关系模型,根据试验结果,拟合出冻土的应力、应变、应变率、温度的关系模型,该模型能够反映冻土的温度效应。

2 展望

1)冻土的动力学参数是研究冻土动态力学参数的重要组成部分,通过研究发现,目前对冻土动态力学特性实验研究大部分采用的是重塑土或原位融土,由于冻土内部的结构组成的复杂性,以后采用原状土、深厚冻土力学实验时可以模拟高围压状态进行冻土试样的制作和动态力学实验来开展冻土动态力学参数的研究。2)原位测试应能更准确地了解冻土的实际内部状况。3)目前也初步确定了一些动本构模型,由于冻土特殊的材料组成,受力的复杂性,动本构模型的建立比较困难,以后应加强这方面的研究。4)很多冻土的动态力学特性实验都是采用某一土质或某一方法进行的,如果时间和条件等允许,以后可否考虑用不同的方法或土质进行动态力学实验,有待进一步研究。

[1] 徐学燕,仲丛利.冻土的动力特性研究及其参数确定[J].岩土工程学报,1998,20(sup)：77-81.

[2] Vision T S,Wilson C R,Bolander P.Dynamic：properties of naturally frozen silt[D].PF：Proceeding of Fourth International Conference Press,1983：1315-1320.

[3] 何 平,朱元林.饱和冻结粉土的动弹模及动强度[J].冰川冻土,1993,15(1)：170-174.

[4] 赵淑萍,朱元林,何 平,等.冻土的动力学参数测试研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(S2)：2677-2681.

[5] Vision T S.Geotechnical Engineering in Cold Regions[M].The United States of American：McGraw-Hill Book Company,Inc, 1978：405-458.

[6] 吴志坚.地震荷载作用下冻土的动力学参数试验研究[J].西北地震学报,2003,25(3)：210-214.

[7] 姜忠宇,孙建忠.往复荷载作用下冻土应力应变关系的研究[J].冰川冻土,2008,30(2)：301-305.

[8] 王 伟.基于数学特征方程的冻土应力—应变模型分析[J].沈阳建筑大学学报,2008,24(3)：398-401.

[9] 刘增利.原位冻结黏土单轴压缩试验研究[J].岩土力学, 2007,28(12)：2657-2660.

[10] 沈忠言,张家懿.冻结粉土的动强度特性及其破坏准则[J].冰川冻土,1997,19(2)：141-148.

[11] 张淑娟,赖远明,李双洋,等.冻土动强度特性试验研究[J].岩土工程学报,2008,30(4)：595-599.

[12] 朱元林,何 平,张家懿,等.冻土在振动荷载下的三轴蠕变模型[J].自然科学进展,1998,8(1)：60-62.

[13] 朱元林.围压对冻结粉土在振动荷载作用下蠕变性能的影响[J].冰川冻土,1995,17(sup)：19-25.

[14] 李栋伟,汪仁和.基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型研究[J].应用力学学报,2007,24(4)：133-137.

[15] Li Haipeng,Zhu Yuanlin,He Ping.Experimental study on the dynamic creep strength of frozen soil under dynamic loading with confining pressure[A].Proceeding of the Internatonal Symposium Ground Freezing and Frost Action in Soils[C]. Roterdam：A.A.Balkema Publishers,2000：131-135.

[16] 张树光,宁建国,易 富.单轴压缩条件下冻土的动态损伤和分形演化规律[J].岩土力学,2003,24(sup)：185-187.

[17] 马芹永.冲击荷载作用下冻土动态力学特性研究[D].博士论文,2008.