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动静组合加载下人工冻土动态力学特性及本构模型研究

马冬冬  
【摘要】:针对人工冻结法施工中冻土承受“预静载+动力扰动”这一动静组合受力状态,冻土在静态或准静态荷载作用下的力学特性已取得丰硕的研究成果,但冻土在动静组合加载下的应力-应变特征、强度和变形特性、破坏模式、能量耗散及本构模型等方面的研究相对较少。本文利用可同时施加轴压和围压的动静组合加载试验系统,开展了动静组合作用下人工冻土的SHPB试验,系统地分析了温度、应变率、围压等级、轴压等级及土质类型对人工冻土动力学特性的影响规律,在此基础上,建立了对应的本构模型。主要内容和研究成果如下:(1)系统地分析了不同应力状态下人工冻土的动态应力-应变曲线特征。结果表明,对于人工冻结黏土,单轴状态下-5℃时应力-应变曲线可分为压密、弹性、塑性和缓慢应变软化阶段;-15℃时可分为弹性、塑性和破坏阶段。人工冻结砂土单轴状态下,可分为弹性、塑性、缓慢应变软化和破坏阶段。人工冻结粉质黏土单轴和一维动静组合状态下,可分为压密、弹性、塑性和破坏阶段。主动围压和三维动静组合状态下,人工冻土动态应力-应变曲线均可分为弹性、塑性和破坏阶段。(2)主动围压状态下人工冻结黏土和人工冻结砂土的SHPB试验表明,动态抗压强度随主动围压的增加而增大。相同温度和应变率下,三维动静组合加载状态下人工冻结粉质黏土的动态抗压强度均高于一维状态,随着主动围压的增加,动态抗压强度和第一阶段变形模量呈对数增大,第二阶段变形模量基本呈线性增大。相对于单轴状态,一维和三维动静组合加载下人工冻结粉质黏土的动态抗压强度、第一阶段变形模量和第二阶段变形模量均有较大提升,随着轴压比的增加,三者都呈现出先增大后减小的趋势,一维和三维状态对应的峰值轴压比分别为0.7和0.8,不同轴压比下强度增长系数与第二阶段变形模量增长系数的有着相似的变化规律,轴压比对第一阶段变形模量增长系数的影响较大。(3)分析了不同应力状态下人工冻土的破坏模式。单轴状态下,-15℃人工冻结黏土、-5℃和-15℃人工冻结砂土均呈脆性破坏,-5℃人工冻结黏土呈塑性破坏,主动围压状态下呈微裂或无明显破裂;一维动静组合加载下,轴压比为0.4时人工冻结粉质黏土试样环向侧面发生剥落现象;轴压比为0.7~0.9时试样产生明显的剪切破坏模式;轴压比为1.0时试样呈粉碎状破坏。三维动静组合加载条件下,均无明显破坏。相同应力状态下,人工冻土的动态抗压强度随温度的降低呈线性增大,增长速率依次为动态单轴、三维动静组合、静态单轴。人工冻土在高应变率下的温度敏感性要强于低应变率;动态SHPB试验中,人工冻土在单轴状态下的温度敏感性强于三维动静组合加载状态;三维动静组合加载下,随着温度的降低,第一阶段变形模量和第二阶段变形模量逐渐增大,相同温度变化范围内,第一阶段变形模量的增长量要大于第二阶段变形模量。(4)温度相同时,主动围压状态下人工冻土的耗散能密度大于单轴状态。相同应力状态下,随着应变率的增加和温度的降低,冻土的耗散能密度逐渐增大。当轴压比相同时,三维加载状态下冻土的耗散能密度要大于一维状态;一维和三维加载状态下耗散能密度均随轴压比的增加呈现出先增大后减小的变化趋势,峰值耗散能密度对应的轴压比分别为0.7和0.8。随着耗散能密度的增大,平均破碎块度逐渐减小,呈现出良好的对数关系。(5)基于主动围压状态、一维动静组合加载状态、三维动静组合加载状态人工冻土的动态冲击试验结果,推导出综合考虑轴压效应、围压效应、温度效应、应变率效应及土质类型的人工冻土动态本构模型,并进行验证,结果表明:动态本构模型曲线与试验曲线具有较好的一致性,模型预测的动态峰值应力与试验结果变化趋势基本相同,该模型能够描述人工冻土在不同应力状态下的动力学特性。


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