冻土动力学研究的现状与进展

冻土动力学主要研究冻土在动荷载条件下的变形和强度特征及土体稳定性, 其研究成果对寒区工程设计有着重要的意义. 文章从以下几个方面介绍冻土动力学的研究现状和进展: 1)各种试验条件(土质、含水量、温度、围压、频率、应变幅值及最大应力)对冻土动力学参数(动弹性模量、动剪切模量和阻尼比)的影响; 2)冻土的动应力应变关系及动强度随频率、应变速率和围压的变化规律; 3)加载频率、最大加载应力、温度和围压对冻土动蠕变参数(破坏时间、破坏应变、最小蠕变速率)的影响及动蠕变模型.     

冻结粉砂在常变形速度下的单轴抗压强度

和蠕变特性一样,抗压强度亦属冻土的重要力学性质之一,同时它也是寒区工程建设中基础设计的一个重要依据。许多研究者已对冻结粉砂的强度特性作过研究。Haynes等研究了费尔班克斯(Fairbanks)粉砂在-9.4℃下应变速度对强度的影响。研究结果表明,应变速度对抗压强度有强烈影响。当应变速度由2.9×10~(-4)s~(-1)增加到2.9×10~(-1)s~(-1)时对抗压强度几乎增加10倍。随后,Haynes和Karalius又研究了在0.0423—4.23cm/s变形速度范围内温度对冻结粉砂强度的影响。他们指出,温度对冻土强度的     

长期动荷载作用下冻结粉土的变形和强度特征

根据长期动荷载作用下的蠕变试验结果,研究了冻结粉土的变形和动强度特征.试验分3组,第一、二组是小振幅动荷载试验,且第二组的动荷载幅值为第一组的两倍;第三组是大振幅动荷载试验,荷载最小值取接近于零的值,最大值与第一组对应.试验结果表明:各种振幅的动荷载作用下,冻土的累积应变随荷载振动次数的变化规律相同(都包括初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段、渐进流阶段)但数值上有差异.在初始和稳定蠕变阶段,第三组试验的累积应变小于第一、二组的,但是第三组试验稳定蠕变阶段的应变速率很大,蠕变曲线迅速进入渐进流阶段,此后其累积应变值大于小振幅动荷载试验的;第一、二组试验的应变幅值随振次的变化规律相似,但与第三组的有明显不同,而且,第三组试验的应变幅值明显大于第一、二组试验的.各种振幅动荷载作用下冻土的残余应变随振次的变化规律相同,且偏移荷载载越大或动荷载振动幅值越大,残余应变越大;冻土的动强度随荷载振动次数的增加而衰减,直至趋于极限动强度,大振幅动荷载试验的极限动强度明显小于小振幅动荷载试验的.     

冻结黏土卸载状态下双屈服面流变本构关系研究

卸载状态下冻土三轴蠕变试验结果表明,冻土具有明显的剪胀性,且体积应变不能忽略。为了全面反映冻土在卸载状态下的蠕变变形规律,以简单的黏弹塑模型为基本流变元件,提出了冻土服从椭圆-DP双屈服面流变本构力学模型。通过有限元程序的二次开发,将该模型嵌入到ADINA有限元程序中。对冻土三轴蠕变试验过程进行了数值模拟表明,椭圆-DP型双屈服面本构力学模型能够较好地反映冻土的剪胀性和体积应变等变形性质,数值模拟和试验结果吻合良好,可为冻土工程数值计算提供参考。     

深部原状和扰动冻粘土力学性能差异性研究

根据原状冻土和扰动冻土的强度和蠕变试验结果，全面地讨论了原状，扰动冻粘土单轴抗压，抗拉，抗剪强度及蠕变变形特性的差异性。由试验得出，原状冻粘土强度及蠕变变形低于扰动冻粘土，而弹模高于扰动冻粘土。并说明了两种冻粘土力学指标出现差异的原因，其结果对冻结工程设计指标确定具有重要参考价值。     

冻土动力学研究的现状及展望

随着我国"一带一路"倡议发展主线的逐步开展,寒区交通运输工程必将得到广泛的建设。为确保寒区工程构筑物在动荷载作用下的长期稳定,对冻土动力学相关理论与实践问题的研究迫切地需要做出解答。冻土动力学主要研究的是动荷载作用下冻土的强度、变形和稳定性问题。通过归纳和总结,阐述了冻土动力学在动力学参数、动强度、动应力-应变关系、动蠕变特征及蠕变模型、冻土场地地震反应特性、冻土区桩基结构动力特性、列车荷载下冻土路基的动力响应等7个方面的研究进展及成果,并结合各方向的发展趋势进行了展望。     

高温冻土的蠕变特性试验及蠕变模型研究

为了研究高温冻土蠕变变形特征以及各影响因素对蠕变的作用, 分别在含水量15%、 25%及35%, 荷载100 kPa、 200 kPa及300 kPa, 温度-1.5 ℃、 -0.7 ℃及-0.3 ℃的条件下开展了室内单轴蠕变试验, 分析在无侧限条件下高温冻土在不同温度、 荷载及含冰量条件下的蠕变变形特性。结果表明： 在当前试验条件下, 冻土蠕变变形非常可观, 且蠕变曲线都没有出现渐进流阶段; 温度是影响冻土蠕变的最重要的外在因素, 而含冰量是影响冻土蠕变的关键内在因素; 在高含冰量条件下温度及荷载的改变对蠕变速率的影响非常显著, 甚至引起量级上的差别。在现有试验条件下, 高温冻土蠕变过程可利用Burgers黏弹性模型来较好地描述。     

冻土的蠕变及蠕变强度

基于试验，本本讨论分析了冻土三轴蠕变规律及温度和围压对冻土蠕变强度的影响，给出了土蠕变及蠕变强度随时间降低的方程式，进而提出了冻土蠕变强度的物型屈服准则。通过改变参数可将冻土的瞬时强度准则与冻土的瞬时强度准则与冻土的蠕变强度准则统一为同一个方程描述。     

冻土与结构接触面循环剪切损伤模型

抗剪强度和压缩体应变是冻土与结构接触面的力学特性指标中最重要的两个参数,对冻土与结构接触面的力学分析至关重要。采用自行研制的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统,开展了冻土与结构接触面力学性能及变形规律的试验研究,采用损伤力学理论,基于等应变分布假设、零弹性域假设、弹性应变无耦合假设,选择不可逆性体应变与最大不可逆性体应变的比值作为损伤因子,建立了用于描述冻土与结构接触面剪切行为的抗剪强度与压缩体应变损伤模型。通过相关试验对建立的损伤模型进行验证,结果表明,所建模型是准确、合理的。     

中国南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系。试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,本文采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系,试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,本文提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,本文采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系,试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,本文提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

低围压下冻结粉质粘土的三轴强度及变形分析

高围压和低围压对冻土的变形性能及力学指标有不同的影响。对冻结粉质粘土进行了3种负温、4种围压下的三轴试验。试验结果表明：在温度相同时,不同围压、不同应变速率下的应力-应变曲线具有相同的形态,其三轴抗剪强度与围压及温度有明显的线性关系,与应变速率成指数关系;变形模量与围压没有明显的相关关系,但与温度成线性关系,与应变速率成指数关系。而且从冻土结构角度分析了冻土变形及其强度表现的内在原因。     

不同应力状态下软黏土蠕变特性试验研究

土的蠕变性质受到许多因素的影响,在不同的应力条件下土会呈现出不同的性状。天津滨海吹填软土同样具有一般软土的蠕变特性,以其为研究对象,利用土体三轴流变试验机进行了三轴不固结不排水蠕变试验和单轴压缩蠕变试验,并选取了10个时间节点取样进行微型十字板剪切试验,研究抗剪强度变化规律。试验结果表明,单轴压缩蠕变和三轴蠕变历时曲线都具有非线性的特征,随应力水平的提高,单轴压缩蠕变的应力-应变等时曲线向应力轴靠拢,三轴蠕变的应力-应变等时曲线向应变轴靠拢;线性蠕变变形的情况下黏滞系数主要与时间有关,非线性的情况下与时间和应力水平都相关;在三轴蠕变状态下压缩模量随时间增长而减小,长期强度随时间先降低再趋于稳定;单轴压缩时压缩模量随时间增长而提高,长期强度随时间先增长后稳定。最后经过推导得出了不同应力状态下的长期强度随时间、偏应力的函数关系式。     

冻结砂不同应力路径三轴试验强度和变形分析

为研究冻土在复杂应力路径下的力学特性,利用自主研发的冻土三轴仪,进行了广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的压缩试验,分析了冻结砂在不同应力状态下的强度演化规律和变形特性。试验结果表明：当小主应力相同时,冻结砂在广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的强度和应力-应变曲线的斜率依次增大,小主应力对冻土的强度起到提高作用;小主应力方向始终产生膨胀变形;体应变随着大主应变的增加呈现先剪缩后剪胀的趋势,且在同一试验类型下,小主应力对体应变影响程度较小;同一试验加载条件下,小主应力越小,偏应力与球应力之比的位置越高;从广义三轴压缩应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,试样的破坏强度依次提升。     

云母石英片岩的三轴蠕变试验研究

在三轴蠕变试验的基础上,通过对径向蠕变和轴向蠕变的比较研究,得出云母石英片岩的蠕变变形和长期强度特点:径向蠕变变形比轴向蠕变变形敏感,以径向蠕变长期强度作为长期强度更合理;围压越大,对径向变形的约束能力越强,径向蠕变长期强度和轴向蠕变长期强度均增加,径向蠕变长期强度与轴向蠕变长期强度的比值减小。同时指出进行径向蠕变研究的意义。     

高温-高含冰量冻土原位旁压蠕变试验

为了研究高温-高含冰量冻土的蠕变特性,在青藏高原多年冻土区开展了旁压蠕变试验。试验结果表明：旁压蠕变曲线可以借鉴Ladanyi的工程蠕变理论来表示;每个试验中瞬时弹性应变在各级压力下的总应变中所占比例的平均值为3%～7%,冻土温度轻微的改变都会引起剪切模量的大幅变化;冻土的初始蠕变应变可以采用幂函数形式来计算,其强化系数k=1.87,应变系数与负温绝对值之间呈线性正相关关系。稳定蠕变阶段的应变速率可以用Glen蠕变模型来表示,其中参数n随体积含冰量的增加而线性增加;若体积含冰量外推至100%（纯冰）时,n=3.85,这与前人通过室内试验得出的结果有些差异。温度较低时,蠕变速率较小;当温度趋近于0 ℃时,蠕变速率迅速增大。     

冻结粉砂的抗拉强度

寒区工程建筑物的设计有时需要冻土抗拉强度指标。但是,十分遗憾,至今人们对冻土抗拉强度的研究做得不多。Haynes等(1975)用阿拉斯加费尔班克斯重塑粉砂研究了在-9.4℃下应变速度对容重较大的冻结试样抗拉强度的影响,发现在应变速度ε=10~(-2)s~(-1)时发生塑性—脆性破坏过渡。 本研究的目的旨在研究应变速度、温度及容重(或含水量)对饱和冻土抗拉强度的影响。为此,试验按如下三个系列进行:(1)试样容重和温度不变,改变变形速度(采用由5.9×10~(-5)—5.9×10~2cm/min 8种速度);(2)容重和变形速度不变,改变试验温度(采用-1、-2、-3、-5、-7及-10℃6种温度);(3)温度和变形速度不变,改变试样容重,即采用1.36—1.41(较高)、1.20—1.26(中等)及1.08—1.12g/cm~3(较低)三种容重范围。     

青藏直流输电线路冻土长期抗剪强度预测及影响因素分析

冻土是指0℃以下,含有冰的各种岩石和土壤,由于其复杂的物理力学特性,给青藏直流联网工程的施工和设计带来了很多难题。工程沿线冻土的长期抗剪强度,更是由于土质、含冰量以及密实度分布的复杂特性,影响了其在使用寿命内的安全运营和稳定性。为解决这一工程难题,室内制备重塑试样并在-2℃的温度下对3种土质类型（粉质黏土、粉砂和细砂）、3种含冰量（饱冰、富冰和多冰）的密实和松散冻土进行直剪快剪的蠕变试验,得到了不同土质、含冰量以及密实度类型的冻土剪切蠕变特性,并分析和预测了长期抗剪强度的变化规律和影响因素,结果表明：（1）短时间内冻土承受荷载的能力随含冰量的增加而增大;随着加载时间的延长,冰的流变特性表现出来,使冻土的蠕变变形加大,冻土的强度降低;（2）密实度越大、含冰量越大的冻土,初期强度越高;随着时间的增加,强度开始衰减,且含冰量越大,密实度越小的冻土衰减速度越快;（3）长期强度的变化规律不受土质的影响,说明在工程施工阶段,若单纯考虑长期强度时,只要不同土质冻土保持冻结状态,可同一对待和处理。以上结论为输电线路冻土基础设计、施工和安全运营提供了一定的理论基础,也为在青藏地区开展的其他工程活动提供了可借鉴的试验数据和资料。     

冻土蠕变的渐进屈服准则

基于冻土蠕变的现象分析表明，冻土蠕变的破坏是由于冻土中非弹性变形积累的结果，在冻土的任何变形阶段都存在着非弹性变形。非弹性变形的积累在一定条件下导致了冻土渐进屈服的出现，渐进屈服反过来又促进了冻土蠕变的进一步增加。