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1、 冻土的力学性质读书报告 通过对高等土力学的学习，我对土的力学性质有了更深刻的认识，也初步掌握了一些土的研究方法、模型建立等。对于我这个新疆孩子，对冻土本身就有一定的了解，通过在校的课堂学习和课外阅读，使我对冻土的力学性质有了较为系统的认识。我国具有广大的季节冻土和多年冻土区，在冻土地区进行工程建设，就必须深入研究冻土的力学特性，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。广义的冻土力学可分为冻融作用和已冻土力学性质两方面，冻胀、融沉和冻融循环引起的土力学性质的变化属于冻融作用的范畴。1.冻土在静载作用下的抗压强度 1.1 应力一应变关系及本构关系 土体受到外力作用时内部就会产生应力和应变。对冻土来说
2、,因其中含有流变性极强的冰而使其应力一应变关系与外力作用时间或应变率密切有关。1.根据等应变率压缩试验结果，Vialov(1962)提出了如下简单的幂函数形式应力一应变关系：mA（其中 A、m 为参数）（1）然而近年来，大量研究表明冻土的本构关系并非服从（1）所描述的幂函数定律，相反，冻土的-关系十分复杂。2.Zhu Yuanlin1等提出了冻土的热力学本构关系,根据大量试验将冻土的应力一应变关系分成 9 种基本类型,并分别给出了它们的应力一应变方程。然后根据这 9 种类型-关系适用的土质、含水量、应变率及温度条件,编制了冻土-关系类型图。研究者或工程技术人员只要知道需解决问题的土质含水量、应
3、变率及温度资料,就可从该图中查出对应的-关系类型,并可从有关文献（Zhu Yuanlin et al,1991；朱元林等，1992）中查出其-关系方程。3.蔡中民2等根据单轴压缩蠕变试验资料，提出了冻土的粘弹塑性本构方程及其材料参数的确定方法。该模型能较好地描述冻土衰减和非衰减蠕变过程。1.2 单轴抗压强度 在一定土质和含水量下，影响冻土单轴抗压强度的主要因素为温度和应变率。试验表明（昊紫汪、李洪升等），在一定的温度范围内冻土单轴抗压强度随温度的变化可用线性方程描述：Bm0 （2）式中：0为=0时的抗压强度；为冻土温度；B为试验系数。根据李洪升3等对冻结粉质壤土试验结果，在一定应变率范围内，其
4、单轴抗压强度随应变率的变化可用下式描述：165.0055.12m （3）式中：101 s为无量纲化参照应变率。1.3 三轴抗压强度 李昆4等对深部粘土进行了不同固结一冻结过程的三轴剪切对比试验。结果发现,对试样先固结后冻结再进行三轴压缩试验得出的抗剪强度最大；先冻结后固结次之；不固结冻结得出的抗剪强度最小。因此他们建议在进行三轴抗压强度试验时,应该用与某一深度地压相当的围压先对试样进行固结,再冻结,然后再进行试验,这样得出的强度指标与实际情况比较吻合。强度准则 1.摩尔库仑准则 一部分研究人员认为冻土的强度准则，在低围压下摩尔-库仑准则依然适用。考虑到土的强度随着剪切速率的降低而减小，随温度的
5、降低而增大，控制粘聚力的冰相实际上控制着冻土的综合强度。基于这个假定，陈湘生5提出冻土的瞬时强度：tgkTk0 （4）2.Drucker-Prager准则 马巍等6根据大量冻土三轴抗压强度试验结果提出了抛物线型强度屈服准则：22ppbbPcqm（5）式中：c 为八面体粘聚力；tgb；mp为当抗剪强度 q 达到最大值时的平均法向应力。2.冻土在动载作用下的力学性质 2.1 动力参数 1.赵淑萍7等对冻土动弹模、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
6、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。2.吴志坚8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 Hardin-Drnevich双曲线模型来描述。2)动弹性模量随温度的降低而增大,随动应变的增大而减小 2.2 动应力应变关系及强度 姜忠宇9等进行了冻土在往复荷载作用下应力应变
7、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。张淑娟10等对冻土的冻强度特性进行了试验研究,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
8、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。2.3 动蠕变特性 Zhu Yuanlin et al.11通过试验资料分析提出也可用时间温度比拟法预报冻土在振动荷载作用下的长期强度,其预报模型为:BatAiltlnlnln1
9、 （6）式中:t 为建筑物设计使用时间;A、B、ia为试验参数。与静载下的试验结果比较,在其它条件均相同的情况下,冻土在动载下的长期强度明显减小。朱元林等12通过动三轴蠕变试验查明了围压对冻结粉土动蠕变性能的影响规律,并提出了如下形式的动蠕变模型：31CtBtA （7）该模型各项具有明确的物理意义。其中第一项为瞬时应变,第二项为粘塑流蠕变量,第三项则为衰减蠕变变形。3.冻土的冻融作用 土的冻胀是由于土温度降至冰点以下，土体原孔隙中的部分水结冰体积膨胀，以及更主要的是在土壤水势梯度作用下未冻区的水分向冻结缘迁移、聚集，并冻结膨胀所致。冻土融化时，由于孔隙水的排出,使土体产生下沉，叫做融沉。3.1
10、 冻胀理论 3.1.1 毛细理论 先后由 Sill and SkapskiGold 和 Everett13提出并发展起来的，并得到后人试验验证。毛细理论认为在冻结缘的固液动态平衡界面上，由于表面张力差异，造成固相和液相的压力差，是形成分凝冰并引起冻胀的主要原因，压力差由Young-Laplace 方程得到。2.1.2 水动力模型 在这个理论中，土的冻结被看做热耦合作用下导致水的迁移(Harlan，Guymon和 Luthin，Guymon 等，Hromadka 等)，冻结缘处的水压力由 Clausius-Clapeyron 方程描述，而水分迁移则由修正 Darcy 定律求得。这个模型认为，当冰
11、的含量超过孔隙的 85%90%时冻胀才会发生。2.1.3 次冻胀模型 1972 年 Miller 提出所谓的次冻胀模型。他假定冰透镜体生长在比冻结锋面温度低的区域，当冻结区土颗粒的有效应力降为 0 时才会发生。很显然，土中各相的应力至关重要。Miller 认为，当土中的孔隙压力（中性应力）超过上覆压力时，就会产生冻胀。随着温度降低冰压力逐渐增大，颗粒间有效应力降低为零，冰透镜体开始产生。这是能够解释多层冰透镜体形成的唯一理论，被广为引用。2.2.4 吸力理论 Taber 提出吸力是冻胀的驱动力，Takagi 利用吸力理论从机制上分析了冰透镜体的形成。该理论认为，土颗粒表面的吸附水形成内部应力。
12、随着温度的降低，吸附水冻结，颗粒表面的水膜变薄。为了保证水膜厚度，水向冻结锋面迁移。该理论描述了冻结锋面处水分迁移时冰透镜体的形成。水膜的动态平衡厚度取决于吸力的大小。这个理论并没有在实际中得到应用。3.2 冻融作用对土物理力学性质的影响 1.冻融循环对土孔隙比的双重作用 经过冻融循环，土的渗透系数大约会增大 1 2 个数量级，至于孔隙比在冻融过程中减小的情况下渗透系数仍然会增大，则主要是由于冻融过程中造成微裂隙或者冰晶融化后形成大孔隙所造成的。对于松散土，冻融会使孔隙比降低从而增加其密实度，而对于密实土则相反。2.引起土体积变化 试验证明，在土冻结的初期，土的体积可能会首先缩小。是由于负孔隙
13、水 压力造成有效应力增大所导致，但这只能在正常固结或弱超固结土中产生。超固结土冻结初期没有冻缩现象。而在撤掉冷源的初期，土的体积首先膨胀，然后持续大量下沉。这是当冷源撤销的短时间内，吸力突然降低，有效应力减小导致土骨架的回弹。4.冻土对工程的影响 从 20 世纪初开始，多年冻土区工程建设日益频繁，如穿越阿拉斯加的美国 Norman Wells 输油管线，穿越西伯利亚的前苏联铁路，穿越青藏高原的青藏公路以及青藏铁路。一般而言,多年冻土建筑物地基的设计原则可以归纳为三个:其一,保护冻土设计原则,使多年冻土地基在建设过程中和建筑物使用的整个时期保持冻结状态;其二,允许融化设计原则,即设计时充分考虑多
14、年冻土地基的营运过程中可能发生的融化程度,或者在建设开始前就采用人工手段,将多年冻土融至一定深度;第三,融化速率设计原则,即经过精确计算,允许多年冻土地基在营运过程中按一定速率融化。然而，很多工程在运营过程中相继出现了一系列的问题。以青藏公路为例，2003 年病害调查显示多年冻土地区的病害率较高，青藏公路每 5 年左右就需要一次较大规模的维护或重建。在过去的 20 年里，冻土工程工作者认为，在多年冻土地区开展建设的人为影响和全球变暖的影响下，多年冻土上限逐渐降低，研究工作于是主要放在融沉变形上。基于这种理念，提出了多种方法来保护冻土以防止融沉。另一方面，就目前所知，冻土的蠕变在路基工程中并没有
15、充分的考虑进去。然而，当多年冻土层的温度接近融化点时，冻土的蠕变就相当大了。同时，活动层在未冻季节也会发生蠕变，这在一般的岩土工程中是常识，然而在冻土地区的工程中却很少考虑。第三，冻融循环导致的沉降在过去的 20 年里人们已经认识到了，但到目前为止还没有发现涉及路基沉降的详尽、系统地研究，也没有找到定量计算评估和处理方法。此外，作用于路基上的动应力也会引起一定的沉降变形，根据现场观察数据的分析，引起多年冻土地区工程变形的物理力学过程如图 1 所示。图 1 多年冻土地区工程变形所涉及的物理力学过程分划 综上所述,可以得出以下结论:防止地基多年冻土的衰退和融化；消除地基活动层冻融循环对基础稳定性的
16、影响；加快地基基础系统新热平衡的建立过程；是连续多年冻土地区,地基、基础工程中存在的、需解决的三大主要问题。参考文献 1朱元林、张家懿等.1992.冻土的单轴压缩本构关系.冰川冻土.17(2):210-217.2 蔡中民、朱元林等.1990.冻土的粘弹塑性本构模型及材料参数的确定.冰川冻土.2(l):31-40.3李洪升,杨海天等1995a冻土抗压强度对应变速率敏感性分析冰川冻土17(1):40-47.4李昆王长生等 1993 三轴试验中深部冻土固结问题冰川冻土(2):24.5 陈湘生.人工冻土瞬时三轴剪切强度特征的试验研究J.建井技术,1992,6:3840.6马巍,吴紫汪,张长庆.冻土的强
17、度与屈服准则J.自然科学进展,1993,5(1):129133.7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):2677-2681.8吴志坚.地震荷载作用下冻土的动力学参数试验研究J.西北地震报,2003,25(3):210-214.9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):301-305.10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):595-599.11朱元林 D.L 卡皮(1984)冻结粉砂在常应力下的蠕变特征.冰川.6(1):34-47 12朱元林、D.L 卡皮(1986):冻结粉砂的抗拉强度.冰川冻土,8(1):15 一 28 13VisionT S,WilsonCR,Bolander P.Dynamic:properties ofnaturally frozensilt D.PF:Proceeding of FourthInternationalConference Press,1983:1315-1320.14曹新文,蔡英.铁路路基动态特性的模型试验研究 J.西南交通大学学报,1996,31(1):36-41.15俞祁浩,刘永智,童长江.青藏公路路基变形分析J.冰川冻土,2002,24(5):623-627.土力学读书报告