（岩土工程专业论文）深土冻土力学性能试验研究及工程应用.pdf

摘要 摘要 冻土的力学性能是冻土工程设计的关键参数，影响冻土力学性能的因素很多， 有试验的加载方式、加载速率、冻结温度、土的性质、样品尺寸、养护时间、围 压大小、试验应力路径等。为了获得冻土的力学性能，开展了本论文的研究。 论文的主要内容为：( 1 ) 以试验为基础，根据正交试验设计，对多种影响冻 土力学性能的因素进行试验安排，并在w d t 一1 0 0 型电液伺服单轴试验机和w 3 z 一2 0 0 型电液伺服冻土三轴试验机上进行试验。获得了冻土力学性能与多种影响 因素的关系，利用人工神经网络分析各影响因素的主次关系；并进行了b p 神经 网络预测冻土单轴抗压强度的研究。经过大量的试验，结合工程实践经验，得出 应变加载控制方式下冻土试验结果较为稳定，加载速率：在冻土单轴试验中，可 采用2 5 ，m i n ；三轴剪切试验可采用o 0 8 删 i l ，s 。进行了不同应力路径下冻土三轴 强度试验，尤其是获得了卸载条件下冻土的力学性能试验，对深井冻结法凿井冻 结壁设计具有一定的参考意义。( 2 ) 冻土具有明显的蠕变特性，冻土蠕变是冻土 力学性能最显著特性。本文通过对冻土流变试验结果的分析，以c c 维亚洛夫提 出的冻土幂函数蠕变方程为基础，采用m i s e s 屈服准则，对c c 维亚洛夫方程进 行修正，获得了修正的c c 维亚洛夫蠕变方程。 图【7 2 】表 2 2 】参考文献 8 1 】 关键词：人工冻土；加载方式；影响因素；强度；蠕变；本构关系； 分类号：t u 2 3 安徽理工大学硕士学位论文 a b s 缸a c t t h e 丘d z e ns o i lm e c h a n i c sb e h a v i o u ri st l l ee s s e n t i a lp a r 啦e t e ro ff 如z e ns o i l e n g 抽e 嘶n gd e s i g l l ，t l l e r ea r ev e r ym a i l y 蛆b c t sf 诎o r so ni t ，f o re x 锄p l et l l el o a d i n g w a y ，也el o a d i n gs p e e d ，t h ef b e z i n gt e m p e r a t l 玳s ，也es o i ln a t i l 】r e ，n l es a n l p l es i z e ， m a 主i i t a i l l st i m e ，e n c i r c l e sp r e s s e s 也es i z e ，t 1 1 ee x p e r i m e m a lg 虹_ e s sw a ya l l ds oo i n o r d e rt oo b t a i l lt l l ef 如z e ns o i lm e c h a l l i c sb c h a v i o u r ，ih a sc a r r i e do u tm ep r e s e n tp 印e r r e s e a r c h 。 t h ep a p e rm a i nc o n t e n ti s ：( 1 ) t a et h ee x p e r i m e ma s 也ef o 蛐d a t i o n ，a c c o r d i n gt o 也eo r t l l o g o n a le x p 酬m e md e s i g 【l ，c a r r i e so n 血ee 】【p e d m e n t a la r r a n g e m e n tt o 也em 蛆y k i n d so fi n n 啪c e s6 d z e ns o i lm e c h a n i c sb e h a v i o u rf a c t o r 趴dc a m e so nm e e x p e 妇1 e n ti nm e 、阳t 一1 0 0e l e c t r o h y d r a m i c1 1 1 1 i a 】【i a lt e s t i n gm a c h i n ea 1 1 d 0 nt h e w 3 z 2 0 0e l e c t r d - h y d r a u l i ct r i a ) ( i 甜时t e s t i n gm a c l l i n e h 鹊o b t a i n c d l er c l 撕o n so n 丘_ 0 z e ns o i lm e c h a l l i c sb e h a v i o u fa n dt h em a i l yk m d so f m 丑u e n c e sf a c t o r ，a n da n a l y z e s 也ep r i m a r y 姐ds e c o n d a r yr e l a d o n si 1 1e a c hi n n u e i l c ef 如t o ru s i n gt l l ea n i f i c i a ln e m 柚 n e t w o r k s ( 小眦) ；a i l d1 l a sc o n d u c t e dm eb pn e t 、 r o r kf o r e c 髂t 舶z e s o i i 砌a ) 【i a l c o m p r e s s i v es 臼e n g t l lr e s e a r c h a f t c rt h em 硒s i v ee x p e r i m e n t s ，t l l eu i l i o np m j e c t e x p e r i e n c e ，o b t a i n s1 1 i l d e rt l l es 砌ni n c r e 髂ec o n t r o lm o d et h ef 如z e ns o i lt e s tr e s u l tt o b es t a b l e ，l o a d i n gs p e e d ：i nt l l ef b z c ns o i lu i l i a x i a lc x p 耐m e n t ，m a yu s e2 5 m i n ；1 1 圯 t r i a 】【i a l 时s h c a rt e s tm a yu s eo 0 8 删：n s h 鼬c a i r i c do nu n d e rt l l ed i 虢r e ms 仃e s s 啪y t h e 丘d z e ns o i l 仃i a x i a l 时s h l l c t u r a lt e s t i g ，h 嬲o b t 咖e dl l i l d e ri np a n i c 山a rt 1 1 e u n l o a d 王n gc o n d m o nt h e 丘o z e ns o i lm e c h a l l i c sb e h a 啊o l l rt e s t ，m e r eh a v et l l ec c r t a i n r e f e r e n c es i 鲥丘c 眦e 舢d e s i 印丘o z e n 训lt om ed e e pw e l l 缸e z i n gp m c e s s ( 2 ) t h e f 而z e ns o i lh 嬲也eo b v i o u sc r e 印c h a r a c t e r i s t i c ；n l ef b z e ns o i lc r e 印i sm em o s t p r o 武n e n tc h 赶a c t c r i s t i co f 丘o z e ns o 王l m e c h a 堇l i c a lb e h a v i o l l r t h i s 枷c kt h r o u 班 a n a l y s i st l l ec r e 印t e s tr e s u l tt om e 舶z e ns o i l ，b yc cb 肌o bp r o p o s e d 恤舶拗s o i l p o w c rn m c t i o nc r e e pe q u a t i o ni saf o 硼d 撕o n ，u sm i s e sy i e l dc r i t c r i o n ，t om o d i 6 e d c cb 且j i o be q u 撕。玛h a so b t a i n e dm o d i f i e dc cb 且o bc r e 印e q u a t i o n f i 罂鹏【7 2 】t a b l e 【2 2 】i k f c r c n c e 【8 1 】 k e y w o r d s ：a r t i f i c i a l l yf r o z e ns o i l ，l o a d i n gc o n d i t i o n s ，i n n u e n c ef 如t o r s ，s t r c n g m ， c r e e p ，c o n s t i n m v er e l a t i o n ， c l l i n e s eb o o k sc a t a l o g ；t u 2 3 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徼理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：汹蠡 日期：丛年一月尘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽理王盘堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞擞堡三 太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学 位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：磊螂葛 签字日期：6 5 年月，d 日 导师签名：i 、一少5 f 1 一 签字日期：年月日 第l 章绪论 1 1 冻土及冻土工程 1 1 1 冻土的分类 1 绪论 冻土是指凡温度等于和低于零摄氏度，且含有固态冰的土。按其冻结时间长 短可分为三类： 1 瞬时冻土：冻结时间小于一个月，一般为数天或几小时( 夜间冻结) ，冻 结深度从几毫米到几十毫米，约占全国面积的2 3 9 ； 2 季节性冻土：冻结时间等于或大于一个月，冻结深度从几十毫米到l 2 米，它是每年冬季发生的周期性冻土，约占全国面积的2 3 9 ； 3 多年冻土：冻结时间连续三年或三年以上，多年冻土的面积约占全球陆地 面积的2 3 ，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地，其中我 国多年冻土分布面积约占世界多年冻土分布面积的l o ，占我国面积的2 1 5 ， 是世界第三冻土大国，同时我国的多年冻土主要分布在青藏高原和东北大小兴安 岭，在东部和西部地区的一些高山顶部也有分布。 1 1 2 冻土工程 随着国民经济的发展和科学技术的不断进步，人们对冻土的认识越来越深， 我国许多工程要建在冻土上，能源、交通、通讯、水利、给排水、石油输送管线 等许多工程已经建立在这些冻土上了，如青藏公路穿越7 5 0 k m 的多年冻土地带， 其中连续、大片分布的多年冻土区占7 0 4 ，岛状多年冻土区占1 2 7 ，有残余 多年冻土零星分布、融区和将给工程造成较大冻融变形破坏的深季节冻土区( 重冰 冻区) 占1 6 9 ，以及输电线路的桩基础，电线塔，有“神奇天路”之称的青藏铁 路全长1 9 5 6 k m ，其中由青海省省会西宁一格尔木的8 1 4 k m 线路已于1 9 8 4 年开通 运营；2 0 0 1 年6 月2 9 日开工建设的格尔木一拉萨段全长1 1 4 2 k m ，其中新建线路 11 l o k m ，格尔木一南山口既有线改造3 2 k m 。青藏铁路建设计划总工期为6 年， 将于2 0 0 6 年7 月进行试运营，2 0 0 7 年7 月前配套建成，青藏铁路是目前世界上 海拔最高、线路最长的高原铁路，多年冻土是青藏铁路建设的“三大难题”之一， 线路途经海拔4 0 0 0 m 以上地段9 6 0 k m 连续多年冻土区5 5 0 l 锄，翻越唐古拉山的 铁路最高点海拔5 0 7 2 m 。沿线地质复杂，冰椎、冻胀丘、厚层地下冰等不良冻土 广。泛分布。目前些大的国家项目也要涉及冻土_ t 程，例如西气东输、南水北调 安徽理工大学硕士学位论文 等。 利用冻结技术的人工冻土工程也是解决一些施工难题的好办法，自1 9 5 5 年首 次应用冻结法建造开滦煤矿林西风井至今，已用该法完成井筒5 0 0 多个，冻结最 深度达到7 0 2 m ，冻结法除广泛应用于矿井建设工程外，还向其它岩土工程领域迅 速推广，如解决上海地铁、广州地铁、润扬大桥南锚基础等。今后还将会出现更 多的利用人工冻结法施工的人工冻结工程。 1 2 冻土力学研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外冻土力学特性的研究于上个世纪3 0 年代始于前苏联，以v y a l o v 和 t s y t o v i c h 为代表的冻土力学专家，在6 0 年代和7 0 年代取得大量的成果。这些成 果主要揭示了冻土的单轴强度、瞬时三轴强度，尤其是冻土的流变特性及最基本 的本构关系，指导了前苏联在多年冻土上的房屋建设、路基尤其是铁路基础施工， 矿井冻结法施工等一直处于世界领先地位。进入6 0 年代末和7 0 年代初，欧美一 些国家也陆续开展了冻土的物理力学性质研究，美国为了与前苏联争夺海上霸权 和寒区要地控制权，设立了c r 、l 专门从事寒区工程研究，并取得了丰硕成果， 其中fh s a y l e s 博士发表了一系列丰富冻土力学内容的文章，并对渥太华冻砂的 蠕变特性做了详细的研究，得出了冻砂蠕变曲线的减速蠕变阶段、恒速蠕变阶段 和加速蠕变阶段等，密执安大学0 b a n d e r s l a n d 教授等就应力水平及受载时间对 冻土( 包括冻结粘土) 蠕变速率及强度的作用进行了研究。“，加拿大e c 0 1 e 工业大 学b l a d a n y i 教授通过对冻土蠕交性态的仔细研究，提出一种冻土蠕变的工程理 论模型“1 ，他以冻土变形主要是蠕变变形这一特点为出发点，把冻土变形分为弹 性部分、塑性部分( 包括初始蠕变阶段) 和恒速蠕变部分，从而方便地利用计算机 进行数值计算，这些研究为冻土力学作为一门学科奠定了基础，这是冻土力学的 初步形成阶段。进入7 0 年代末和8 0 年代，国际多年冻土协会和国际地层冻结协 会分别成立，并每隔3 年召开一次国际性有关冻土的学术研讨会，各国由于国民 经济建设之需要，都不同程度地开展了冻土力学性质的试验研究。首先是统一冻 土试验标准，在前西德波鸿鲁尔大学h l j e s s b e r g e r 教授等人倡导下，于1 9 8 7 年 来自上述两个协会的学者共同起草了“人工冻结地层分类与试验室试验”大纲叫。 首次在国际上初步规范了冻土试验方法。有影响的两届国际地层冻结大会有关冻 土力学特性的论文共计3 0 多篇”1 ，这些文章分别介绍冻土强度准则、温度及含 2 第l 章绪论 水量对冻土力学性态的影响，以及一些新的试验方法。 1 2 1 国内研究现状 我国冻土力学性能试验始于7 0 年代中期的青藏公路建设项目，但真正开始室 内试验在7 0 年代末和8 0 年代初“1 ，虽然起步晚，但由于与国际接轨早。发展极 迅速，且有些已跻身国际先进水平0 1 。以前虽然未明确提出“深土冻土力学”的 学术思想，但由于工程需要，也有不少研究者为深土中地下工程开展了与深土中 冻土力学有关的研究。天然冻土外荷载的作用方向与冷量传递方向( 冷锋面的扩展 方向) 基本上是一致的，而人工冻土则通常是垂直的。在一定的范围内，天然冻土 的冷锋面基本上是一个平面，这是因为在一定范围内土层的层状分布变化不大， 而在同时间内由大气提供的冷量也基本上是均匀的，工程中的人工冻土，其冷 锋面可能是一个不规则的曲面，这是因为人工冻结时，上下土层同时冻结，对于不 同的土层来说，其矿物成分、粒度组成、土体温度、含水量、土中盐分、所受的 外荷载和地压等影响土体冻结的因素均可能不同，这些差别影响着冻土形成的外 部条件，1 9 1 5 年d o m k e 就提出了冻结法凿井是否有极限深度的问题，他认为当 其自重力与冻土抗压极限强度相等的深度，即为冻结法凿井的极限深度，但未进 行深入研究。法国人索维斯特尔( s a u v e s 仃e ，m l ) 为解决深达6 0 0 m 的某工程用冻结 法的可能性而进行了模型试验研究，苏联学者t p y i i a i ( 在其巨著中对结壁进行了深 入的研究和探讨，由于应用浅土冻土力学参数和常规冻结工程参数，使工程屡屡出 现问题，它促使冻结工程界科技工作者开展深部土及冻土力学研究：现代测试技 术的发展，如定量c t 机的出现，完全可获得冻土受力过程中冰一未冻水相互转化 及土颗粒的运动形态，冻土细微观研究刚刚起步，而冻土多相介质力学理论还没形 成。形成与工程相似的条件后再冻结，进行冻结壁厚度与诸参数关系及变形规律的 模拟试验研究，在模拟掘砌过程中，做到了由冻结壁内二维卸载再支护逐渐变为加 载的过程，它是首次用深土冻土力学的研究方法，对冻结壁进行试验研究的。这些 服务于深土地下工程的研究，为深土冻土力学学术思想的建立奠定了基础。主要体 现在，试验研究得出了冻土强度与温度的关系、蠕变特征、强度与时间的关系、简 单应力条件下冻土应力一应变一时间的本构关系。初步奠定了我国冻土力学框架， 这些成果不但解决了青藏公路等些重大工程建设中的难题，而且使我国冻结法 凿井深度达到4 3 5 m 。纵观国内外近5 0 年冻土力学研究史，多数力学指标主要是建 立在简单力学试验条件下的数据基础之上的，由于各国冻土力学研究起步不一，条 件相异，不但导致数据上的差异难以有对比的相对基准，而且有时还难以得出符合 3 - 安徽理工大学硕士学位论文 实际的结果。深土冻土力学则是以人工冻土为材料的地下结构物，即冻结壁的基础 理论，它多应用于各种地下工程，如矿山工程、地下铁道、越江隧道、越海隧道等， 用人工冻结法施工的冻结壁的外载构成，形成机理、力学参数的变化规律及数值 确定，冻结壁整体强度与试件强度的关系进行研究，并对工程应用起指导作用。 力学参数是深度的函数，天然冻土基本不受有外载，即使深】o m 2 0 m 的土所 受外载也很小，可以认为是在无外载条件下一维( 大面积) 传热形成的冻土。而深土 冻土是人工制冷在有外载( 也称“高围压”) 条件下形成的。这个外载是土赋存深 度的函数。所以深土冻土的力学参数是深度的函数，甚至其物理参数也与深度有 关，这些关系和规律有待试验研究。对照土力学发展史上的第一次和正在到来的 第二次飞跃“，冻土力学的研究应借鉴其发展的经验与成果，达到事半功倍之成 效。 1 2 3 存在的问题分析 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法施工的前提。而常规冻土力学是以地表或浅部天然冻 土为主要研究对象，它是冻土区工程学的基础理论。 从2 0 0 3 年至今，在淮南，淮北地区建设了十几个矿井，但在这些地区煤层之 上普遍覆盖着较厚的第四纪松散层，给建井工程带来较多的问题与困难，这些地 区的建井都是采用人工地层冻结法施工，随着人工冻结技术在深厚松散土层矿井 建设的广泛应用及凿井深度的不断加深，工程病害事故接连出现，冻结法凿井的 大量工程实践表明，随着冲积层深度的增加，采用当前的冻土力学研究方法获锝的 冻土物理力学参数已越来越脱离工程实际，常规冻土力学的试验研究方法对于深 部地层中的人工冻土已难以适用，深土冻土力学研究便运用而生。深、浅部土目 前尚无明确的界限，一般把埋深大于5 0 m 的深土定为深部土。目前，淮南地区新 建矿井表土层厚度均在4 0 0 m 以上。如：淮南丁集矿井表土层厚度达到5 3 0 m 、顾 北矿4 6 3 m 、板集矿5 8 0 m 、界沟矿6 2 0 m ；淮北涡阳矿区表土层厚度在4 1 0 m 以上； 山东巨野矿区表土层平均厚度达到6 0 0 m 以上；河南的薛湖矿井4 1 0 m 、赵固矿 5 3 0 m 。 目前冻结法凿井面临以下几个方面的问题： 1 工程地质条件复杂，井筒穿越表土地层厚度增加 深部天然土体在地质历史时期经历了更为漫长的高压固结( 所谓岛固结， 即土体无侧向变形条件下的竖向固结，此时，土体水平和竖直方向的有效应力之 a 第1 章绪论 比称为岛值，即= r r v ) 过程，其物理力学性质( 如密度、含水率、饱和度、强度 与变形参数等) 必然与处于无载或低应力水平的地表或浅部土存在显著差异。此 外，受沉积过程及各向不相等的应力状态影响，天然土体通常具有各向异性性质 而且随埋深增大，应力诱发的各向异性将更为显著，因而深、浅部土的各向异性 特性也将具有显著的差异。 2 深表土在高围压条件下冻结，冻土的力学特性不甚掌握； 深部土人工冻土是由深部天然土体在原始地压作用下冻结而成的，深部表土 地层水土压力大，深部地压对冻土的形成过程有一定影响。一方面，深部地压通 过影响土的物理性质指标( 如密度) 而影响冻土的力学性质；另一方面，地压的增大， 将导致深部士的结冰温度( 即冰点) 降低】。此外，深部天然地层的应力环境将通 过影响冻土形成过程中的水分迁移、冻胀变形而对冻土的微观结构产生影响，进而 在一定程度上影响冻土的力学性状。 3 深部土的应力环境不同 在深部岩土工程中，人工冻土是以卸载或卸载后再增载的应力路径为主，而 在地表或浅部岩土工程中，人工冻土的应力路径则通常以加载为主，在不同的应 力路径中，人工冻土将呈现出不同的力学性状。 4 深部人工冻土具有结构复杂性，其力学影响因素很多 在用冻结法施工的岩土工程中，人工冻土作为整体结构( 通常称为冻土壁或冻 土墙) 承担外侧的水土压力，依靠其整体强度与刚度为工程施工提供临时支护。其 承载能力不仅与冻土试件的力学性状有关，也与冻土结构的形式和尺寸规模、冻 土形成过程等因素有关，而常规冻土力学研究的浅部冻土通常仅属于一维承载的 环境介质。 综上所述，为了得到更为准确的试验值以应用于冻结法凿井中，在室内进行 人工冻土力学性能试验测试时，对冻土试验条件、试验方法都将有更高的要求， 使试验环境更应适应原始条件。随着建井数目和建井深度的不断增加，进行室内 人工模拟现场冻结试验，开展深部土的力学特性研究，对深部土的冻结法施工具 有重大理论意义和现实应用意义。 1 3 研究内容、方法及技术路线 目前，研究冻土力学特性的基本研究内容应当包括【1 2 】：1 ) 在研究深土的力学 参数与深度( 即围压) 间关系的基础上，实验研究深土冻土力学物理参数、力学特性 及数值与深度的关系：2 ) 深土冻土( 即有围压条件下形成的冻土) 力学性能参数的 安徽理工大学硕士学位论文 实验方法和数值的确定；3 ) 研究有围压条件下形成的冻土试件，在卸载或变载试验 条件下的本构关系、破坏准则和强度理论；4 ) 深土中冻土试件强度与冻结壁强度 间关系( 包括几何效应和均质效应等) 的实验研究：5 ) 深土中土、冻结壁、结构物 间力学、热学及其耦合作用研究；6 ) 深土中冻结壁形成和解冻过程与土性和地下 结构物间的力学关系；7 ) 其它深土中人工冻结工程中力学问题研究；8 ) 深土冻土 力学的试验方法、原理及测试技术对深土冻土力学的研究方法有些可以借鉴浅土 冻土力学的方法和成果。但许多内容是从实验开始，首先要明确深土冻土力学的 学术思想和特点，并在其指导下开展深土中冻土力学的力学特性、本构关系、破坏 准则和强度理论的实验研究，逐步上升到规律和理论。 结合安徽理工大学冻土实验室的具体条件，针对上述所要研究的内容，本文 所做内容包括： 1 应用自行研制的w d 1 0 0 型电液伺服冻土试验机，通过室内人工冻土试验， 对两淮地区一些深部矿井的土样针对不同温度、不同结构性( 原状与重塑) 、 不同含水率、不同加载方式下、不同尺寸等条件进行人工冻土试验研究，得到 冻土的力学特性，同时利用正交试验理论得到各个因素的影响主次关系，利用 b p 神经网络工具箱预测冻土单轴抗压强度； 2 通过大量的试验，得到较为标准的冻土试验加载方式，为冻结壁的设计提供一 定的参考数据，得到相应切合实际的冻土应力一应变的关系数据资料， 3 应用自行研制的w 3 z 2 0 0 型电液伺服冻土三轴试验机，在不同温度、不同围 压、不同应力路径、不同加载速率下的冻土三轴剪切试验和不同应力状态不同 应力水平下的三轴蠕变试验，分析试验数据，为我国冻结凿井中防止冻结管断 裂，并能对这些地区的矿井冻结壁的稳定性和承载能力的设计提出系统的、必 要的理论依据，将结果应用于工程实践，力求解决工程中的难题； 4 通过大量的试验，全面掌握w d t 1 0 0 型单轴试验机和w 3 z 2 0 0 型三轴试验机 的工作原理，提出最佳、最标准的加载方式； 5 针对冻土单轴和三轴的蠕变特性，根据试验结果，在维亚洛夫本构模型的基础 上，对其进行修正，提出自己的分段回归分析的粘弹塑性本构方程，并判断其 合理性； 论文的具体技术一思路框图如图1 所示。 6 第l 章绪论 图1 论文整体思路图 f i g 1t h ed m w i n ga r t i c l eo v e r a l ls o l u t i o n 一7 安徽理工大学硕士学位论文 2 冻土单轴强度及其试验研究 单轴强度是冻土最基本的力学特性，也是目前冻土工程中最常用的设计指标。 冻土单轴强度的特性目前已有很多学者进行了研究，本文重点介绍，在自行研制 的w d t 1 0 0 型电液伺服冻土单轴试验机下，进行的深部土层人工冻土的力学特性 研究，包括：单轴强度、弹性模量、泊松比与冻结温度、试验样品的几何形状、 大小、土质、含水量和加载方式等关系。 2 。1 冻土单轴试验机简介 低温条件下的冻土力学性能 试验比常温下试验增加了控温系 统，其难度大、系统复杂、技术要 求高。冻土单轴强度试验w d t - 1 0 0 在电液伺服冻土性能试验机( 见图 2 ) 上进行，试验装置最大加载能力 为1 0 0 k n ，精度1 。试验荷载和 试验数据由计算机根据设定好的参 数自动控制和采集，并自动画出应 力一应变曲线图，试验机采集界面 图2w d t l o o 型冻土试验机外观 如图3f i g 2w d t - 1 0 0 矗d z e ns o i le x p e r i m e n t m a c h i n ea p p e a r 柚c e a b 图3w d t - 1 0 0 型冻土试验机采集界面a 崆变控制b 一应力控制 f i g _ 3f r o z e ns o i le x p e r i m e n tm a c h i n eo p e r a t i n gi n t e r f a c ea - s t r a j nb s t i 它s s 第2 章冻土单轴强度及其试验研究 微机控制冻土单轴试验机，主要由试验机主机、低温箱、电气控制系统、液 压油泵加载系统、计算机等部分组成。 微机控制冻土单轴试验机的主要技术参数、配置和性能如表1 所示： 加工试样的模具如图4 所示： 表1 单轴冻土试验机的主要技术参数 t a b l el m a i n t e c h n i c a l p a r n l e t e r s s i n g l e a x l ef r o z e n s o 认e x p e r i m e n t m e c h i n e 主要技术指标参数 最大试验力( k n ) 1 0 0 k n 加载负荷分档 1 0 ，2 0 ，5 0 ，l o o 轴向位移分档可以自由调整 轴向位移量程士5 0 m m 轴向应变加载速度1 ，m i n 3 0 m i n 轴向应力加载速度 o 1 衅“s 0 8 m p a s 电源 ，3 8 0 v 温度测量精度 土o 1 采样间隔兰0 1 s 采集曲线方式线形，点形，点线形， a 图4 加工试样的模具a 俯视图b 平面图 f j g 4m a d es p e c j m e nm o u l d a t o pv i e wb p i a l l v i e w 9 b 安徽理工大学硕士学位论文 2 2 冻土单轴抗压强度 2 2 1 加载方式与冻土抗压强度的关系 这里所述冻土强度均为应力达到峰值时的瞬时抗压强度，w d t - 1 0 0 型冻土试 验机的加载方式分为应力加载和应变加载控制。根据煤炭科学研究院的规定，由 加载3 0 士5 秒时试样达极限抗压强度来定，但根据不同的试验机器，所采用的加 载速率控制方式各有不同，为了更好的了解w d t 1 0 0 试验机的加载准则，分别对 重塑砂土和重塑钙质粘土进行了在不同加载方式下冻土力学性质的研究，试验试 样件尺寸为直径由= 5 0 m m ，高d = l o o m m 。 1 砂土试样的制备及试验过程： 为了减少试样的差异，采用了重塑细砂试样，土样取自淮北地区某矿井的检 查孔，其物理性质指标列于表2 。试样制备方法是：首先向风干的砂土加入蒸馏 水并养护3 4 天，使水分均匀，测得其含水率为2 1 5 2 ，然后装入直径为5 0 m m ， 高为1 0 0 r n m 的圆筒状制样模中，分多层击实将土样制成圆柱状，使密度达到 1 9 8 c m 3 ，试样制成后放入冷冻箱中快速冻结2 4 小时后拆模，并放在10 的恒 温箱中养护2 4 小时后开始试验。 表2 土样物理性质指标 t a b i e2p h y s i c a lc h a r a c t e f s0 f s o i l 试验是在w d t - 1 0 0 型冻土试验机上进行，采用应变速率加载控制，应变速率 分别为1 m i n ，3 i d i n ，5 m i n ，7 m i n ，1 1 ，m i n ，1 5 ，m 洒，2 0 m i n 2 5 ，m i n 。 该应变速率属于高敏感区“”。压力机起始速度1 o v ，预加荷载o 0 5 k n ，采样间 隔o 1 s ，当试样应力值下将或轴向应变达到2 0 以上时停止试验。采用应力加载 控制，应力速率分别为o 1 m p “s ，o 2 m p “s ，o 3 m p “s ，0 4 m p “s ，o 5 m p “s ， o 6 m p 挑，当试验力下降2 0 时停止试验。并将应力一应变曲线上的应力峰值定 义为抗压强度。 2 试验结果： 1 0 一 第2 章冻土单轴强度及其试验研究 国内许多学者通过试验都证实了在温度不是太低的情况下冻土单轴抗压强度 与温度之间近似呈线性关系，即随温度的降低而增大，因此本次试验只进行1 0 下冻土抗压强度与加载方式和速率的试验研究。应变加载速率和应力加载速率 及其试验结果见表3 和表4 。 表3 不同应变加载速率下冻土的单轴强度 t a h l e3li a i a x i a lc o n l n r e s v er n 屯n 叶hi nd 1 1 毫r e n t 刚t a i nr a t e 表4 不同应力加载速率下冻土的单轴强度 t a b l e4u a i a ) 【i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t l li nd i 髓r e ms 订e s sr a t e 将表3 结果用幂函数进行回归得到抗压强度与应变速率、到达峰值时间的关 系如下： 吒= 彳( s ) 8 f 。 ( 2 一1 ) 其中一是与温度有关的参数( 1 0 时) ，回归后的系数分别为彳= 9 9 6 2 ；b = - o 0 7 2 9 ，c = 一0 1 5 7 5 8 。 同样将表4 中的应力加载结果，用幂函数回归得到抗压强度与应力加载速率、 达到峰值的时间的关系如下： 安徽理工大学硕士学位论文 盯。= 一( 盯) 8 f 。 ( 2 2 ) 4 是与温度有关的参数( 1 0 ) 时，= 1 1 5 7 2 0 4 ；曰= 一0 7 6 4 4 8 ；c = 一1 0 5 7 2 5 。 为了充分的找出这两种加载方式的特点，以下对试验结果数据和图表进行详 细的分析。 3 应变加载结果分析 t ，x l 一1 y h i n2 3 ，m in3 5 ，m in4 一t ，_ in 5 1 l q ，m i n6 一is ，m i nt 一2o x ，m in8 25 ，m in 图5 应变加载控制下抗压强度与应变关系 f i g 5u a i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g m s t a i ni ns t r a i nr a t e 00o10203o405 加载速率m m s 图6 抗压强度与应变速率关系 f i g 6u a i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g m - s t a i nr a t e 1 2 6 5 4 5 z l o j皇r- o 5 0 6 0 5 0 7 6 6 5：d 受h口趟疆幂斟 第2 章冻土单轴强度及其试验研究 8 0 7 8 7 6 7 4 7 2 7 0 6 8 6 6 6 4 图7 抗压强度对数与应变速率x 撒关系 f i g 7l o go f c o m p r e s s i v es t r e n 昏h - l o gs t r a i nr a t e 2 0l5 050 o450600t5 09 0ol0 50l20 0 t ， ；：? ? ? ：。2 ；! 汔仑；：i ：一；羔：i 7 ：7 i 一 ；蛩，；。 图8 应变加载控制下抗压强度与时间关系 f i g 8c o m p r e s s i v es t r e n 昏ha | 1 dt i m ei ns n a i nc o n t r 0 1 啬2 0 15 薯l0 5 0 2 0 i5 0 05 0i0 0l5 02 002 s 03 0 03 504 0 04 50 1 应力2 应受53 试验力 图9 应力、应变、试验力随时间变化曲线( 3 m i n ) f 嘻91 t h ec u r v es t r e s s 、s t r a i n 、e x p e r i m e n ts t r e s sa n dt i m e ( 3 ，m i n ) 1 3 0 0 0 o 0 o o 0 0 、3 ，o _ t 6 5 d 5 2 1 0 邕，- 垄一 ， ， 一 一删 _ 一 3 ，h t 为 嗣_ 一 辛 一 _ 一 速 一一 一 嵌 岁一一 应 一j 一 安徽理工大学硕士学位论文 从表3 和图5 圈8 可以看出，冻土抗压强度与应变加载速率有很大关系， 随着应变加载速率的增加冻土单轴抗压强度也增加，随加载速率增加冻土达到应 力峰值的时间变短。从图9 中应变直线和应力曲线的交点出很明显看出：试验从 加载到破坏分为三个阶段：第一阶段，应力增长速度与应变增长速度相同阶段； 第二阶段，应力增长速度大于应变增长速度阶段；第三阶段，应力增长速度小于 应变增长速度阶段。三个阶段反映了土样从弹性阶段经过塑性强化阶段直到破坏 的全过程。 4 应力加载下结果分析 ! ， 1 一o 1 m pa s2 一o 2 k pa s3 一o 3 m pa s 4 一o 4 堆pa s5 一o 5 疆pa s6 0 6 m pa s 图1 0 应力加载控制下轴向应变与时间关系 f i g 1 0 s 打a i n 龇dt i m ec u r v ei ns n s sc o n 廿o l 图1 1 应力、应变、试验力随时间变化曲线( o 2 m p a s ) f i 譬1 1t h er e l a t i o nc u r v e so f s t r e s s s t r a i ne x p e r i m e n ts t r e s sa n dt i m e ( 0 2 m p a s ) 1 4 一 第2 章冻士单轴强度及其试验研究 8 8 8 6 84 0 jo 2030q0506 加载速率h p a s 图1 2 抗压强度与应力加载速率关系 f i g 1 2c o m p r e s s i v es t r e n g t l l 锄ds 仃s sr a t e e 三j 口 速率对数( o ) 图1 3 抗压强度对数与应力速率对数关系 f 嘻1 3l o go f c o m p r e s s i v es t r c n g t ha 1 1 dl o go f s 仃e s sr a t e ，x 1 0 1 mpa s2 一o 2 m pa s3 0 3 pa s 4 0 4 m pa ，s5 0 5 pa ，s6 0 6 擅pa s 图1 4 应力加载方式下应力应变关系曲线 f i g 1 4t h ec u r v e so fs t r e s sa n ds 仃a i ni ns t r e s sc o n 舀r o l 0 5 o 5 o 5 0 5 g 8 8 7 7 6 6 6 芒w。赳蠼暴醇 一o)o一轻舞世鼎 9 e 7 6 5 d 5 z l o 崮r- 安徽理工大学硕士学位论文 图1 2 和图1 3 中，随着应力加载速率的增大单轴轴向应变速率也增大，图1 1 中的o a 段为弹性阶段，即无损伤发展阶段，a b 段是延性塑性损伤阶段，b c 是 微裂纹损伤阶段，c d 破坏阶段，与图1 4 中的变化相吻合，图1 2 和图1 3 表明了 冻土抗压强度与应力加载速率有密切关系，冻土单轴抗压强度随应力加载速率的 提高而增大，但是当应力速率 o 5 m p “s 时，冻土抗压强度反而变小，如图1 4 中的6 曲线，且当应力速率 o 5 m p “s 时，在塑性强化阶段，应力值上下浮动加 大。表明应力加载速率太快会造成土样的压密时间很短，从而迅速达到破坏。 两种加载方式对比结果见图1 5 。 j 一一 图1 5 两种加载方式的结果比较 f 引5t h ec o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t so f t w o1 0 a d i n gc o n d i t i o n s 图1 5 可以看出：在试验应变相同的情况下采用应力加载方式得到的单轴抗压 强度值大于采用应变方式加载得到的抗压强度值，或者说在应力值相同时应力加 载方式所对应的应变比应变加载方式下的应变要小，在应变加载方式下应变小于 1 5 时，应力近似线性随着应变迅速增长，而应力加载方式下此阶段发生在应变 的2 5 以内，前者在应变的1 5 2 5 之间间出现应力屈服，后者在应变的2 5 5 区间出现应力屈服，应力随应变增长缓慢，而且当应变达到1 0 以后，两者的 应力增长速度明显趋缓。 1 6 一 ， ， 1 5；m 一，4l t ；1，o1 4 a l p p ， i i t * 5 5 1 0 m z ； 一一￥5 x 5 6 5 l ， 一 s s 9 1 a l m p p 1 ，i i _ 誓；5， o o k i l n 2 i l 8 s s t，1m 喜p p _ ， i i ，誓毫xl 收 一i抽l 第2 章冻土单轴强度及其试验研究 b 图1 6 冻结砂土的破坏形态a 应变加载b 应力加载 f i g 1 6t h ef a i l l l r em o d e so f 舫z e ns a n da - s t m i nl o a d m - s 仃e s sl o a d 图1 6 给出了试样的破坏形态，从图中可以看出，应变加载方式下试样属于 塑性破坏，呈局部鼓胀，在应力控制方式下试样属脆性破坏，有很明显的剪切破 裂面，剪切角在3 0 。4 5 。之间。 为了更好的掌握两种加载方式的区别，选择更好的加载方式，得出更为可靠 的冻结壁设计参数，本文还对冻结粘土在两种加载方式下进行了试验，因为粘土 在冻结法凿井施工中，粘土层以难开挖、开挖暴露时间长、冻土力学强度小为特 点，是冻结的重点和难点，下面的试验更好的说明了加载方式对冻结粘土力学性 质的影响，为进行冻土力学性质试验采用更合理的加载方式和加载速率提供更为 充分的依据。试样制备方法同l ，测得其含水率为2 2 9 9 ，重度1 8 6 9 ，c m 3 ，同 样每组做三个试样，然后取单轴抗压强度平均值进行比较，结果如表5 和表6 所 示。 表5 应变加载方式下冻结钙质粘土单轴抗压强度 t 曲l e 5t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t l lo f 厅o z e nc a l c a r e o u si ns t r a i nc o 订o l 安徽理工大学硕士学位论文 ab 图1 7 冻结粘土的破坏形态a 应力加载b 应变加载 f i g 1 7t h ef a i l u r em o d e so f 丘o z e nc l a ya - s 扭e s sl o a d b s t r a i l ll o a d 图1 8