DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.018
动荷载作用下冻结黏土破坏特性试验研究
栗晓林1, 2，王红坚3，邹少军3，江聪4，牛永红1
(1. 中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州，730000；
2. 中国科学院大学，北京，100049；3. 中国人民解放军63983部队，江苏 无锡，214035；
4. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000)
摘要：对冻结黏土进行单轴压缩试验和振动荷载试验，研究静-动荷载作用下冻结黏土的破坏强度、起始屈服强度、破坏应变、破坏时间、破坏应变比能，并进行对比分析。研究结果表明：冻结黏土破坏强度和起始屈服强度随温度降低而显著增大，振动频率的影响较小；冻结黏土破坏应变和破坏时间随温度降低呈现先增大后减小的趋势，温度的降低导致冻结黏土脆性增强；冻结黏土破坏应变比能是衡量冻结黏土抵御破坏能力的指标，随温度降低而增大，振动频率的影响规律不明显；在振动荷载作用下，破坏强度和起始屈服强度增大，破坏应变、破坏时间和破坏应变比能减小，振动荷载使得冻结黏土脆性增强，并且有利于破坏冻结黏土。
关键词：冻结黏土；破坏强度；破坏应变；破坏应变比能
中图分类号：TU445 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2019)03-0641-08
Experimental study on failure properties of frozen clay under dynamic loading
LI Xiaolin1, 2, WANG Hongjian3, ZOU Shaojun3, JIANG Cong4, NIU Yonghong1
(1. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Unit 63983 of PLA, Wuxi 214035, China;
4. Key Laboratory of the Western Disaster and Environmental Mechanics, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)
Abstract: The uniaxial compression tests and the vibrating load tests were carried out, and the failure strength, initial yield strength, failure strain, failure time, failure strain energy of frozen clay were studied and compared under static-dynamic loading. The results show that the failure strength and initial yield strength of frozen clay increase significantly with the decrease of temperature, and the influence of vibrational frequency is relatively small. The failure strain and time of frozen clay show a tendency to increase firstly and then decrease with the decrease of temperature, and the decrease of temperature enhances the fragility of frozen clay. The failure strain energy of the frozen clay is an indicator to measure the ability of frozen clay to resist damage, which increases with the decrease of the temperature and the influence of the vibrational frequency is not obvious. In the situation of vibrating load, the failure strength and the initial yield strength increase, but the failure strain, the failure time and the failure strain energy all decrease. The vibrating load enhances the fragility of frozen clay and is good for destroying the frozen clay.
Key words: frozen clay; failure strength; failure strain; failure strain energy
在寒区工程如道路路基、桥梁桩基、油气管道、矿产开发以及工业民用建筑物的建设过程中，由于冻土的特殊性使得工程设计、建设和维护难度加大，而且在许多工程中必须去除冻土地基来达到构筑物的稳定性，因此人们迫切需要了解冻土的破坏特性，如破坏应力、破坏应变、破坏时间以及破坏应变比能等。一直以来，冻土的破坏特性是冻土力学的重要研究内容，国内外研究者进行了许多试验研究，并得到一些重要结论。HAYNES等[1-6]通过进行单轴压缩试验，研究了含水率、干密度、温度、应变速率对冻土破坏强度和破坏应变的影响规律，并指出温度、应变速率是主要的影响因素。CHAICHANAVONG等[7-13]开展了大量振动荷载试验，得出温度、围压、应变速率、动应力(幅值和频率)等与冻土动强度和累积应变的变化关系。王丽霞等[14]利用低温动、静三轴试验结果，进行冻土的动、静强度对比分析，发现温度、含水率对动-静强度、黏聚力和内摩擦角影响规律相同。谢和平等[15-19]从能量耗散与释放的角度研究岩石的变形破坏，分析其物理机理，并通过应变能密度理论建立岩石破坏的能量判别准则。李夕兵等[20-21]研究了动静荷载作用下，岩石变形破坏过程中能量的变化，通过滞回环面积反映积聚能量的大小，并使用应变能密度定义岩石的破坏准则。此外，研究者们通过研究冻土的应力-应变关系，建立了能够反映冻土力学特性的本构模型。虽然前人对冻土的破坏特性进行了大量研究，但对于破坏应变比能的研究较少，而且这些研究基本都从力和变形的角度进行分析，并局限于破坏应力或破坏应变，不能充分反映冻土的破坏特性，因此，本文作者从力、变形和能量的角度对冻结黏土破坏特性进行研究，并根据冻结黏土的静-动荷载试验结果，对冻结黏土破坏参数的进行对比分析。
1 试验
1.1 试验仪器
试验采用MTS-810型低温单轴材料试验机，并通过控制时间、力、位移进行加载试验。该仪器的主要技术指标如下：最大轴向负荷为50 kN，最大轴向位移为±85 mm，振动频率范围为0~50 Hz，温度范围为-30~25 ℃(室温)。
1.2 试样制备
试验土样为吉林延吉黏土，其黏聚体粒径分布如表1。参照试验标准[22]制备重塑土样，步骤如下：1) 将野外取回的土样自然风干、碾压、过筛，并测定不同黏聚体粒径的土样的初始含水率；2) 分别取不同黏聚体粒径的土样，加入蒸馏水配置成含水率为30%的黏土，限制蒸发保湿24 h，使得土样中各点处水分均匀；3) 将制备好的土样用压样机压成直径为61.8 mm，高度为125 mm的圆柱试样，并放入-30 ℃的冷冻箱里快速冻结48 h；4) 脱模，细加工，套橡胶膜，放入恒温箱，按照设定温度恒温24 h，保持土样温度整体一致，然后进行试验。
表1 试样黏聚体粒径分布
Table 1 Size distribution of cohesive polymer particles
1.3 试验方法
本试验主要进行低应变速率条件下冻土破坏特性研究，故单轴压缩试验采用恒加载速率加载方式，加载速率为20 mm/min，振动荷载试验采用基于冻土静强度的冻土动强度研究方法，即以恒应变速率增长的等幅动应变加载方式，振动荷载如图1所示，图1中斜线表示试验中施加的加载速率，加载曲线是以斜线为均值的正弦曲线，试验条件如下：试验温度为-3，-10和-20 ℃，加载速率为20 mm/min，振动频率为1，3，5，8，10，13，15，18和20 Hz。具体试验过程如下：将试样放入试验所要求温度条件下恒温24 h，然后在设有恒温箱的单轴压缩试验机上进行恒加载速率和不同振动频率条件下的单轴压缩试验和振动荷载试验，所有试验均在冻土工程国家重点实验室冻土材料试验机上完成。
图1 振动荷载加载示意图
Fig. 1 Schematic diagram of vibration loading
2 试验结果
在各振动频率下，冻结黏土应力-应变关系曲线形态变化相似，故选用-10 ℃，20 mm/min和-10 ℃，10 Hz的应力-应变关系曲线来表示静-动荷载作用下冻结黏土的相应变化(见图2)，冻结黏土应力-应变关系曲线都经历了压密闭合阶段、线弹性阶段、峰前塑性变形阶段和峰后软化阶段，但２种不同加载方式作用下冻结黏土应力-应变关系曲线存在很大差异。在振动荷载作用下，线弹性阶段较静荷载持续较长，应力峰值较大，而且峰后软化阶段应力减小速率较快，说明振动荷载使得冻结黏土弹性性能增强，抵抗变形能力增大，脆性增强。
选取应力-应变关系曲线峰值应力或应变为20%时的应力作为破坏强度
，其相应的应变、时间分别为破坏应变
和破坏时间
。从图2可以发现：冻结黏土受压之后，会经历应力-应变大致呈线性关系的阶段而后渐渐屈服，将斜率发生明显变化处的应力、应变取为起始屈服强度
和起始屈服应变
。冻土破坏应变比能是评价冻土抵御破坏能力的指标，取为应力-应变关系曲线从试验开始点到破坏点(应力最大值点)下的面积，即冻土发生破坏时所消耗的能量。
图2 静-动荷载作用下冻结黏土应力-应变关系曲线
Fig. 2 Relationship between stress and strain under static and dynamic loading
3 讨论
为了探索静-动荷载作用下冻结黏土破坏特性的差异，进行了一系列单轴压缩试验和振动荷载试验，并通过改变温度、振动频率来研究振动荷载作用下冻结黏土的破坏特性。
3.1 强度特性分析
3.1.1 破坏强度特性
图3所示为不同温度条件下冻结黏土破坏强度随振动频率变化关系。由图３可见，随温度的降低，冻结黏土破坏强度变化很大，而振动频率对冻结黏土破坏强度的影响不明显，因此在不同温度和振动频率条件下冻结黏土破坏强度可取其平均值进行研究。在-3，-10和-20 ℃试验温度条件下，冻结黏土破坏强度的平均值分别为2.295，5.393和9.215 MPa。
图3 不同温度条件下冻结黏土动强度与振动频率关系
Fig. 3 Relationship between dynamic strength and vibration frequency under different temperatures
受到振动荷载作用时，冻结黏土的破坏强度与恒加载速率作用下的破坏强度不同。为了将振动荷载试验结果和单轴压缩试验结果建立联系，选取不同温度条件下，加载速率为20 mm/min的静荷载破坏强度和振动荷载破坏强度的平均值进行比较，见图4。由图４可知：在振动荷载作用下，冻结黏土破坏强度均大于相应加载速率下的破坏强度，振动荷载作用下冻结黏土破坏强度分别为相应恒加载速率下的1.205，1.318和1.115倍。在２种不同加载方式作用下，冻结黏土破坏强度均随温度降低而增大，但是振动荷载作用下，将引起常规试验测量意义上冻结黏土破坏强度的增大，振动荷载对冻结黏土的作用结果是得到以更高速率的恒应变速率荷载作用的效果，因此可以认为在振动荷载情形下，冻结黏土破坏强度的提高是由振动荷载的速率效应引起的。
图4 静-动荷载作用下冻结黏土破坏强度对比
Fig. 4 Comparison of frozen clay’s failure strength under static-dynamic loading
3.1.2 起始屈服强度
图5所示为不同温度条件下冻结黏土起始屈服强度随振动频率变化关系。由图5可见：在不同温度和振动频率条件下，冻结黏土的起始屈服强度随温度降低而增加，振动频率对起始屈服强度的影响较小，但影响程度与温度有关，随温度的降低而增大。在-3，-10和-20 ℃下，冻结黏土起始屈服强度平均值分别为1.206，2.673和4.620 MPa。
图5 不同温度条件下冻结黏土起始屈服强度与振动频率关系
Fig. 5 Relationship between frozen clay’s initial yield strength and vibration frequency at different temperatures
起始屈服点反映出应力-应变关系曲线由线弹性阶段向塑性变形阶段的过渡，并且起始屈服强度表示试样弹性变形所承受的最大强度，也是试样开始发生塑性变形的最小强度。在振动荷载作用下，冻结黏土起始屈服强度与恒加载速率下的起始屈服强度存在差异，与冻结黏土破坏强度一样，选取不同温度条件下，加载速率为20 mm/min的静荷载起始屈服强度和振动荷载起始屈服强度的平均值进行比较，见图6。由图6可见：在振动荷载作用下，冻结黏土起始屈服强度均大于相应加载速率下的起始屈服强度，并且振动荷载作用下冻结黏土起始屈服强度分别为相应恒加载速率下的1.521，1.256和1.255倍。在2种不同加载方式作用下，冻结黏土起始屈服强度均随温度降低而增大，这是因为温度降低使得冻结黏土中孔隙水转化为孔隙冰，导致未冻水含量减小，相应孔隙冰含量及强度增大，从而使得冻结黏土内部结构及联结作用增强，具体表现在其弹塑性变形能力的增强。在振动荷载作用下，冻结黏土起始屈服强度提高，可以认为是由于振动荷载的实际速率大于相应加载速率引起的。
图6 静-动荷载作用下冻结黏土起始屈服强度对比
Fig. 6 Comparison of frozen clay’s initial yield strength under static-dynamic loading
3.2 破坏应变和破坏时间
破坏应变是指在荷载作用下，冻土达到破坏强度并发生破坏时对应的应变，相对应的时间称为破坏时间。图7和图8所示分别为在不同温度条件下，冻结黏土破坏应变和破坏时间随振动频率的变化关系。由图8可以看出：在不同温度条件下，冻结黏土的破坏应变和破坏时间随振动频率增大变化相同。在不同振动频率条件下，冻结黏土破坏应变都随温度降低先增大后减小，当温度从-3 ℃降低到-10 ℃时，冻结黏土破坏应变增加，这是由于冻结黏土中未冻水含量和含冰量受到温度的影响，并且土中冰的胶结程度对其强度、变形及破坏特性起到决定性的作用，因此，随着温度的降低，冻结黏土中未冻水含量减少，相对含冰量增加，提高了冻结黏土抵抗变形的能力；当温度从-10 ℃降低到-20 ℃时，冻结黏土破坏应变减小，但低温下测得冻结黏土强度是逐渐增加，因此在-20 ℃情况下，冻结黏土破坏形式的变化是导致其破坏应变减小的主要原因。随着温度的降低，冻结黏土破坏形式由塑性破坏转变为脆性破坏，在试验温度范围内，可能存在一个临界温度，当试验温度高于临界温度时，冻结黏土表现为塑性变形，破坏形式为塑性破坏，当试验温度低于临界温度时，冻结黏土表现为脆性变形，破坏形式为脆性破坏。由于破坏时间可以从破坏位移和加载速率变化关系换算而来，因此，破坏时间的变化趋势与破坏应变的变化趋势相同，随着温度降低，破坏时间先增大后减小，当温度高于-10 ℃时，冻结黏土破坏形式为塑性破坏，当温度低于-10 ℃时，冻结黏土破坏形式为脆性破坏，但破坏时间相比破坏应变能够更加直接反映出冻结黏土的破坏情况。
图7 不同温度条件下冻结黏土破坏应变与振动频率关系
Fig. 7 Relationship between frozen clay’s failure strain and vibration frequency at different temperatures
图8 不同温度条件下冻结黏土破坏时间与振动频率关系
Fig. 8 Relationship between frozen clay’s failure time and vibration frequency at different temperatures
在振动荷载作用下，冻结黏土破坏应变和破坏时间受到温度和振动频率的影响较大。在-3，-10和-20 ℃下，冻结黏土破坏应变平均值分别为0.060，0.067和0.065，破坏时间平均值分别为22.817，25.014和24.678 s，充分反映出二者随温度变化规律。为了将振动荷载试验结果和单轴压缩试验结果建立联系，选取不同温度条件下，加载速率为20 mm/min的静荷载破坏应变、破坏时间和振动荷载破坏应变、破坏时间的平均值进行比较，分别如图9和图10所示。由图9和图10可见：在振动荷载作用下，冻结黏土破坏应变和破坏时间均小于静荷载相应加载速率下的破坏应变和破坏时间，并且在-3，-10和-20 ℃下，冻结黏土破坏应变分别为相应恒加载速率下的0.722，0.768和0.816倍，冻结黏土破坏时间分别为相应恒加载速率下的0.723，0.763和0.823倍。在2种不同加载方式作用下，冻结黏土破坏应变和破坏时间均随温度降低而呈现先增大后减小的变化趋势，而且其破坏应变和破坏时间变化倍数基本相同。在振动荷载作用下，冻结黏土强度明显增大，而破坏应变却减小，因此可以认为在振动荷载作用下冻结黏土脆性有所增强，而且随着温度降低，其破坏形式也发生变化。
图9 静-动荷载作用下冻结黏土破坏应变对比
Fig. 9 Comparison of frozen clay’s failure strain under static-dynamic loading
图10 静-动荷载作用下冻结黏土破坏时间对比
Fig. 10 Comparison of frozen clay’s failure time under static-dynamic loading
3.3 破坏应变比能
破坏应变比能是从能量的角度衡量冻结黏土抵御破坏能力的指标，即冻结黏土发生破坏所需消耗的能量。破坏应变比能是应力-应变关系曲线从试验开始点到破坏点(应力最大值点)下的面积，它是破坏强度和破坏应变的综合反映，并且能够体现冻结黏土受力后的破坏特性，即破坏应变比能越大，其抵抗破坏变形的能力越强。
图11所示为不同温度条件下振动频率对冻结黏土破坏应变比能的影响规律，由图11可见：随温度的降低，冻结黏土破坏应变比能变化显著，在-3 ℃和-10 ℃下，振动频率的增大对破坏应变比能影响较小，在-20 ℃下，随振动频率的变化规律表现不明显，似乎有先减小后增大的变化趋势，但影响程度较弱，故可取各个温度条件下冻结黏土破坏应变比能的平均值进行研究，在-3，-10和-20 ℃下，冻结黏土破坏应变比能的平均值分别为115.7，292.8和488.9 kJ/m3。在一定程度上，温度决定了冻结黏土破坏应变比能，即冻结黏土抵抗变形破坏的能力，随着温度的降低，冻结黏土破坏应变比能显著增大，这是由于温度降低使得冻结黏土破坏强度增大，同时也提高了冻结黏土内部结构中土-冰之间的联结作用，从而导致冻结黏土发生破坏时所需消耗能量增大。振动频率对冻结黏土破坏应变比能的影响与温度有关，在高温下，温度对破坏应变比能和振动频率的影响关系不明显，但随着温度的降低，影响程度逐渐增大，如-20 ℃温度条件下，振动频率对破坏应变比能的影响变化幅度较大。
图11 不同温度条件下冻结黏土破坏应变比能与振动频率关系
Fig. 11 Relationship between frozen clay’s failure strain energy and vibration frequency at different temperatures
选取不同温度条件下，加载速率为20 mm/min的静荷载破坏应变比能和振动荷载破坏应变比能的平均值进行比较，如图12所示。由图12可知：在振动荷载作用下，冻结黏土破坏应变比能小于相应加载速率情形下的破坏应变比能，并且在-3，-10和-20 ℃下，振动荷载作用下冻结黏土破坏应变比能分别为相应恒加载速率下的0.861，0.967和0.919倍，由此可见，在静荷载-振动荷载作用下，冻结黏土破坏应变比能均随温度降低而增大，且破坏所损耗的能量不同，冻结黏土在振动荷载作用下更容易发生破坏，说明施加振动荷载更有利于冻结黏土的破坏。根据上述静荷载-振动荷载作用下冻结黏土破坏强度和破坏应变的对比分析，发现振动荷载使得冻结黏土破坏强度增加、破坏应变减小，说明振动荷载使得冻结黏土的脆性增强，而冻结黏土破坏应变比能为应力-应变关系曲线从试验起始点到破坏点下的面积，由破坏强度和破坏应变共同决定，因此，在振动荷载作用下，冻结黏土破坏应变比能较小可能是因为破坏应变减小的幅度大于破坏强度所增加的幅度，而且温度降低也导致冻结黏土脆性增强，且对破坏强度和破坏应变具有显著的影响。
图12 静-动荷载作用下冻结黏土破坏应变比能对比
Fig. 12 Comparison of frozen clay’s failure strain energy under static-dynamic loading
4 结论
1) 冻结黏土破坏强度和起始屈服强度均随着温度降低而增大，振动频率对破坏强度的影响不明显，所以在不同温度和振动频率条件下，冻结黏土破坏强度可取其平均值，在-3，-10和-20 ℃下，冻结黏土在振动荷载下的破坏强度分别为2.295，5.393和9.215 MPa，为相应恒加载速率下的1.205，1.318和1.115倍，冻结黏土在振动荷载下的起始屈服强度分别为1.206，2.673和4.620 MPa，为相应恒加载速率的1.521，1.256和1.255倍，认为冻结黏土破坏强度的增加是由于振动荷载的速率效应造成的。
2) 在振动荷载作用下，冻结黏土的破坏应变和破坏时间基本都是随温度降低先增大后减小，且随着温度的降低，冻结黏土破坏形式由塑性破坏转变为脆性破坏。通过静-动荷载对比分析，发现在振动荷载作用下，冻结黏土破坏应变和破坏时间均小于相应恒加载速率情形下的破坏应变和破坏时间，并且在-3，-10和-20 ℃试验温度条件下，冻结黏土破坏应变分别为0.060，0.067和0.065，为相应恒加载速率下的0.722，0.768和0.816倍，冻结黏土破坏时间分别为22.817，25.014和24.678 s，为相应恒加载速率下的0.723，0.763和0.823倍。在振动荷载作用下，冻结黏土破坏强度明显增大，而破坏应变和破坏时间减小，说明振动荷载使得冻结黏土的脆性有所增强。
3) 在振动荷载作用下，温度对冻结黏土破坏应变比能具有决定性的作用，当冻土温度较高时，振动频率对破坏应变比能的影响较小，基本上是在平均值附近小幅波动，当冻土温度处于较低温时，振动频率对破坏应变比能的影响增大。
4) 在振动荷载作用下，冻结黏土破坏应变比能小于相应加载速率情形下的破坏应变比能，在-3，-10和-20 ℃试验温度条件下，振动荷载情况下冻结黏土破坏应变比能分别为115.7，292.8和488.9 kJ/m3，为相应恒加载速率情形下的0.861，0.967和0.919倍，由此可见，在振动荷载作用下，冻结黏土发生破坏时所需的能量比恒加载速率下所需的能量少，即振动荷载有利于冻结黏土的破坏。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2018-04-23；修回日期：2018-07-02
基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划(2017YFC0405103)；冻土工程国家重点实验室自主立项课题(SKLFSE-ZY-15) (Project (2017YFC0405103) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(SKLFSE-ZY-15) supported by the State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering)
通信作者：牛永红，博士，副研究员，从事冻土力学与寒区工程研究；E-mail：yhniu@lzb.ac.cn
