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主应力轴旋转条件下冻结黏土的动强度特性.docx
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主应力轴旋转条件下冻结黏土的动强度特性.docx
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0 引言
冻土作为一种由矿物颗粒、冰、未冻水和气体组成的特殊土,在中国分布
广泛,其中多年冻土区约占陆地国土面积的 22.4%。随着经济的快速发展,人
们对寒区空间利用和资源开发的需求日益增加,修建在寒冷地区冻土基础上的
工程越来越多,如青藏铁路、拉洛水库、哈大高铁、漠河古莲机场等。而在工
程建设和运行期间,冻土基础都不同程度受到动荷载的扰动,由动荷载扰动引
起的构筑物失稳和破坏也时有发生。因此,研究冻土动强度对寒区冻土地基、
路基和边坡等工程设计和稳定性评价具有重要的理论和实际意义。
目前,许多学者已经关注到冻土动强度对寒区工程和人工冻结工程设计的
重要性,开展了大量试验研究,并取得丰硕的成果。Zhao 等
[ 1]
研究了循环荷
载作用下围压和含盐量对冻土动强度的影响,发现含盐冻结粉土的剪切强度随
围压的增大先增大后减小,而随着含盐量的增加先减小后增大,并根据试验结
果建立了考虑含盐量影响的含盐冻结粉土动强度准则;赵福堂等
[ 2]
通过分级
循环加载试验研究了冻结温度、围压和频率对冻结盐渍土动强度特性的影响,
发现围压升高和温度降低都能显著提升冻结盐渍土的动强度,而频率的变化对
其动强度特性影响较小;栗晓林等
[ 3]
研究了振动荷载作用下温度和频率对冻
结砂土动强度特性的影响,发现温度降低对冻结砂土动强度影响显著,频率变
化对动强度影响较小,而温度与动强度呈线性关系;张淑娟等
[ 4]
探讨了不同
围压下动强度相对耗散能的变化,证实随着耗散能的增大冻结粉质黏土的动强
度逐渐减小。另外,许多学者还通过 SHPB 试验对冻土冲击动强度特性进行了
研究
[ 5-8]
。以上研究主要聚焦于冻土在主应力方向固定条件下动强度规律的演
化,少有研究关注到主应力轴循环旋转条件下冻土的动强度特性。事实上,在
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87488205/bg2.jpg)
波浪、交通、地震等动荷载作用下,地基、路基和边坡等受力条件比较复杂,
动荷载作用时不仅发生应力幅值的循环变化,还伴随着主应力轴循环旋转现象。
虞海珍
[ 9 ]
、聂影
[ 10 ]
分别研究了复杂应力路径下钙质砂和重塑黏土的动力特性,
发现主应力轴旋转将加速累积塑性应变和孔隙水压发展,从而降低动强度;赵
宇
[ 11]
进行了不同荷载方式(循环圆扭剪、循环椭圆扭剪、循环扭剪、循环三
轴)的不排水粉土动力试验,发现不同应力路径下粉土动强度存在较大差异,
循环圆扭剪应力路径下动强度最小;沈扬等
[ 12]
研究了主应力轴旋转时软黏土
的动强度特性,发现考虑主应力轴旋转时的动强度相比循环三轴试验结果明显
减小;李男等
[ 13]
研究了椭圆应力路径下饱和松砂动强度特性,发现考虑主应
力轴旋转的椭圆应力路径下动强度小于循环三轴动强度;周健等
[ 14]
研究表明
当含水率达到一定程度时,考虑主应力轴旋转的圆形应力路径下铁精矿的动强
度小于循环三轴动强度;杨爱武等
[ 15]
研究了主应力轴旋转条件下振幅和波形
对天津滨海吹填土动力特性的影响,发现波形对累积应变影响具有临界效应,
而考虑主应力轴旋转时正弦波加载的动强度最小。可见,考虑主应力轴旋转时
融土的动强度明显减小,而不考虑主应力轴旋转的影响将高估实际工程中土体
的动强度,给工程稳定性带来不利影响。然而,受制于试验仪器,目前还未有
文献报道主应力轴旋转条件下冻土的动强度特性,主应力轴旋转对冻土动强度
特性的影响也尚不清楚。
鉴于此,本文以冻结黏土为研究对象,利用冻土空心扭剪仪(FHCA-300)
开展循环三轴加载试验和圆形循环耦合剪切试验,对比研究了不同围压下主应
力轴循环旋转对冻土动强度特性的影响,以期为寒区工程和人工冻结工程设计
提供有益参考。
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1 材料与方法
1.1 试 样 制 备
试验所用土料取自青藏铁路沿线北麓河段,根据《土工试验方法标准》
[ 16]
分别进行了液塑限联合试验、击实试验、抽真空饱和试验、比重瓶试验和
颗粒筛分试验,对试验用土的基本物理性质进行测试。测试结果显示,试验用
土的液限为 34.5%,塑限为 13.9%,塑性指数为 20.6,最大干密度为 1.72 g·cm
-3
,
最优含水率为 18.2%,饱和含水率为 19.6%,土粒相对密度为 2.71。根据土
的工程分类标准,试验用土归属于低液限黏土,其颗粒的级配曲线如图 1 所示。
图 1
图 1 试验用土的颗粒级配曲线
Fig. 1 Particle gradation curve of the test soil
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试验采用高 200 mm、外径 100 mm 和内径 60 mm 的重塑空心圆柱试样。
重塑空心圆柱试样制备流程如下:将取回的试验用土风干、碾碎,过 2 mm 圆
孔筛,根据目标含水率将定量的蒸馏水加入准备好的干土中并用手搅拌均匀,
将其过 2 mm 方孔筛,随后装入密封袋保存 24 小时使水分分布均匀。制样时
根据试验试样的密度称取一定质量的闷料,分五层装入自制的空心圆柱制样模
具,然后使用压样机正反压密至目标高度,最后脱模即可得常温空心圆柱试样,
具体空心圆柱试样制备流程如图 2 所示。将常温空心圆柱试样快速装入冻土空
心圆柱仪的压力室,在-30 ℃下快速冻结 12 h,防止试样中水分迁移和冻胀发
生,然后调节温度至-5 ℃保持 24 h 使试样温度分布均匀,即可得到试验的冻
土空心圆柱试样。
图 2
图 2 空心圆柱试样的制备流程
Fig. 2 Process for preparing hollow cylindrical specimens
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