凍土的力學(xué)特性研究進(jìn)展

凍土的力學(xué)特性研究進(jìn)展

1工程凍土學(xué)理論冷凍土壤是指溫度低于0c的各種巖石和土壤，包括各種冰。在我國青藏高原、西北高山和東北北部的大、小興安嶺及松嫩平原等地區(qū)分布著大片的多年凍土,而賀蘭山至哀牢山一線以西的廣大地區(qū),以及此線以東,秦嶺-淮河線以北地區(qū)是季節(jié)凍土區(qū)。這些地區(qū)的地表層都存在一層冬凍夏融的凍結(jié)-融化層,作為地基的凍結(jié)-融化層,在凍融過程中土體性質(zhì)受氣溫的變化直接影響著上部建筑物的穩(wěn)定與安全。因此,在凍土地區(qū)進(jìn)行水利工程、工業(yè)與民用建筑及交通運(yùn)輸工程的建設(shè),就必須對凍土及其與工程建筑物相互作用的一系列工程凍土學(xué)理論和實(shí)踐問題做出解答,以確保凍土地基上工程建筑物的穩(wěn)定性、耐久性及經(jīng)濟(jì)合理性。凍土區(qū)別于常規(guī)融土的最本質(zhì)的特征是冰的存在,也就是說,通常情況下融土是三相體系,而凍土是四相體系,如圖1所示。一般來說,并不是溫度低于0℃融土就會立即變成凍土,土受冷凍結(jié)的過程如圖2所示,即首先要經(jīng)過一個(gè)過冷的階段,溫度達(dá)到Tsc時(shí),土才會開始凍結(jié),這時(shí)過冷的水處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)水突然結(jié)晶成冰時(shí),放出大量的潛熱,使得溫度上升到Tf。在此溫度下,土中的自由水被凍結(jié),繼續(xù)釋放出潛熱,土的冷卻過程緩慢。當(dāng)自由水基本被完全凍結(jié)后,這時(shí)結(jié)合水開始成冰,釋放的潛熱不多,冷卻過程才會繼續(xù)。Tf稱為土的凍結(jié)溫度,對于粗粒土,這個(gè)溫度接近0℃,而對于細(xì)粒土尤其是黏土,凍結(jié)溫度可能會低達(dá)-5℃。值得指出的是,即使土在較低的溫度下,仍然有一部分未凍水存在,如圖3所示。在特定溫度下,凍土在未受力時(shí),未凍水與冰之間處于動態(tài)平衡狀態(tài);而在受力變形過程中,未凍水含量會增大,因此凍土的力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)比融土復(fù)雜。廣義的凍土力學(xué)可以分為凍融作用和已凍土的力學(xué)性質(zhì)兩大部分,前者又涉及凍脹、融沉和凍融作用對土力學(xué)性質(zhì)的改變,而后者則主要是已凍土的強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和動力特性等。本文擬從這兩方面對凍土的力學(xué)性質(zhì)及其研究現(xiàn)狀作一簡要介紹。2凍土黨凍害土的凍脹是由于土溫度降至冰點(diǎn)以下,土體原孔隙中的部分水結(jié)冰體積膨脹,以及更主要的是在土壤水勢梯度作用下未凍區(qū)的水分向凍結(jié)緣遷移、聚集,并凍結(jié)膨脹所致。凍土融化時(shí),由于孔隙水的排出,使土體產(chǎn)生下沉,叫做融沉。自然條件下地基土及土工構(gòu)筑物本身土質(zhì)、水文及凍結(jié)條件的不均一性,造成建筑物的不均勻凍脹變形而不能正常運(yùn)行,甚至破壞;或者即使在凍結(jié)時(shí)尚能運(yùn)行,一旦融化便喪失承載力而破壞。凡此種種,均稱為凍害,是造成多年凍土地區(qū)建筑物破壞的主要原因。凍融作用可分為凍脹、融沉以及凍融循環(huán)對土物理力學(xué)性質(zhì)的影響幾個(gè)方面的內(nèi)容。2.1計(jì)算模型的理論綜述凍脹是人們認(rèn)識土凍結(jié)的最直觀的現(xiàn)象,也是研究較為深入的課題,迄今為止已有十幾個(gè)相關(guān)的計(jì)算模型或機(jī)理解釋的理論,現(xiàn)擇其中的幾個(gè)主要理論簡述如下。2.1.1出并發(fā)展起來的人先后由SillandSkapski、Gold和Everett提出并發(fā)展起來的,并得到后人試驗(yàn)驗(yàn)證。毛細(xì)理論認(rèn)為在凍結(jié)緣的固-液動態(tài)平衡界面上,由于表面張力差異,造成固相和液相的壓力差,是形成分凝冰并引起凍脹的主要原因,壓力差由YoungLaplace方程得到。2.1.2凍結(jié)緣水壓力在這個(gè)理論中,土的凍結(jié)被看做熱耦合作用下導(dǎo)致水的遷移(Harlan,Guymon和Luthin,Guymon等,Hromadka等),凍結(jié)緣處的水壓力由Clausius-Clapeyron方程描述,而水分遷移則由修正Darcy定律求得。這個(gè)模型認(rèn)為,當(dāng)冰的含量超過孔隙的85%~90%時(shí)凍脹才會發(fā)生。2.1.3土體冰透鏡體的成因1972年Miller提出所謂的次凍脹模型。他假定冰透鏡體生長在比凍結(jié)鋒面溫度低的區(qū)域,當(dāng)凍結(jié)區(qū)土顆粒的有效應(yīng)力降為0時(shí)才會發(fā)生。很顯然,土中各相的應(yīng)力至關(guān)重要。Miller認(rèn)為,當(dāng)土中的孔隙壓力(中性應(yīng)力)超過上覆壓力時(shí),就會產(chǎn)生凍脹。隨著溫度降低冰壓力逐漸增大,顆粒間有效應(yīng)力降低為零,冰透鏡體開始產(chǎn)生。這是能夠解釋多層冰透鏡體形成的唯一理論,被廣為引用。2.2.4吸力理論Taber提出吸力是凍脹的驅(qū)動力,Takagi利用吸力理論從機(jī)制上分析了冰透鏡體的形成。該理論認(rèn)為,土顆粒表面的吸附水形成內(nèi)部應(yīng)力。隨著溫度的降低,吸附水凍結(jié),顆粒表面的水膜變薄。為了保證水膜厚度,水向凍結(jié)鋒面遷移。該理論描述了凍結(jié)鋒面處水分遷移時(shí)冰透鏡體的形成。水膜的動態(tài)平衡厚度取決于吸力的大小。這個(gè)理論并沒有在實(shí)際中得到應(yīng)用。2.1.5土壤有機(jī)溶劑模型Konrad和Morgenstern將凍結(jié)緣附近的水分遷移率和溫度梯度的比值定義為分凝勢(SP),認(rèn)為凍脹是水分向冰透鏡體的補(bǔ)給所致。在其模型中,水分遷移取決于生長的冰透鏡體表面的相平衡所產(chǎn)生的吸力與凍結(jié)緣附近的滲透系數(shù),滲透系數(shù)與未凍水含量有關(guān)。水分遷移量與溫度梯度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為式中:V(t)、SP(t)和gradT(t)分別為水分遷移量、分凝勢和溫度梯度。土的凍脹受很多因素影響,如土質(zhì)、水分補(bǔ)給、凍結(jié)條件(溫度梯度和凍結(jié)速率)以及上覆荷載。陳肖柏對此做了詳細(xì)的總結(jié)。此外,文獻(xiàn)還總結(jié)分析了凍脹對建筑物產(chǎn)生的作用力,即凍脹力。2.2基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融沉系數(shù)分析對于凍土的融化下沉的研究主要有經(jīng)驗(yàn)和理論兩種方法。經(jīng)驗(yàn)方法是預(yù)測融沉最直接的方法,國內(nèi)外學(xué)者基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了土體參數(shù),這些研究大多集中于研究融沉系數(shù)同凍結(jié)干密度和含水率之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系[16,17,18,19,20,21,22,23,24]。然而,使用單一因素(含水率或凍結(jié)干密度)評價(jià)土體融沉系數(shù)的方法所得到的預(yù)測結(jié)果往往與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差。同時(shí),由于經(jīng)驗(yàn)方法對融化沉降只能做出較為粗略的估計(jì)且由于取樣的隨機(jī)性存在較大的隨機(jī)誤差,因此在進(jìn)行準(zhǔn)確的工程預(yù)報(bào)時(shí)存在著自身不可避免的局限性。從經(jīng)驗(yàn)方法來說,對于融沉系數(shù)的準(zhǔn)確評價(jià)需要綜合考慮土體含水率、干密度、以及土性參數(shù)等多個(gè)因素的影響。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法極難得到多個(gè)因素同融沉系數(shù)間的量化統(tǒng)計(jì)關(guān)系,因此需要尋找新的途徑來解決問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在研究生物神經(jīng)系統(tǒng)的啟示下發(fā)展起來的一種信息處理方法,能夠很好地完成多元非線性映射的擬合仿真。筆者課題組使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對不同物性條件下融沉特性數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練,得到含水率、干密度以及土性參數(shù)等諸多因素同融沉系數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫和一個(gè)能夠綜合評價(jià)多因素影響融沉系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方法,數(shù)據(jù)分析見圖4。進(jìn)一步增加訓(xùn)練樣本,可望用這種方法有效地分析凍土的融沉。融化固結(jié)理論為理論方法的最早嘗試。Morgenstern等基于太沙基一維固結(jié)理論,結(jié)合紐曼熱傳導(dǎo)方程得到了一維情況的變邊界融化固結(jié)理論。為了驗(yàn)證融化固結(jié)理論的正確性,Morgenstern和Nixon等分別對重塑和原狀土樣經(jīng)行了試驗(yàn)研究。太沙基固結(jié)理論基于小變形,壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)均為常數(shù)的假設(shè),在含水率過大時(shí)會過低的估計(jì)孔隙水壓力。因此,Morgenstern等的變邊界融化固結(jié)理論在預(yù)測大含冰量凍土融化時(shí)不可避免的存在很大誤差。基于這個(gè)認(rèn)識,Foriero等基于一維大變形固結(jié)理論,建立了一維大變形融化固結(jié)理論。Gibson等的理論基于對流坐標(biāo)系,以孔隙比為場變量突破了小變形假設(shè)的局限,同時(shí)使用壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)同孔隙比間的非線性關(guān)系反映大變形對材料性質(zhì)的影響,能夠合理地描述一維情況高含水量土體的固結(jié)問題。但由于場變量孔隙比的引入,使得該理論無法拓展至三維情況。Cater基于現(xiàn)時(shí)構(gòu)型得到了三維情況下的大變形固結(jié)理論,物理意義明確,方程形式簡潔,可以借鑒用以描述復(fù)雜條件下凍土融化的大變形固結(jié)問題。對于融化邊界,Morgenstern和Foriero采用了簡單的融化深度同時(shí)間的平方根成正比的邊界條件,因此無法解決復(fù)雜融化邊界的問題。Sykes等基于Biot等的三維小變形固結(jié)理論并結(jié)合考慮相變的熱傳導(dǎo)方程,解決了復(fù)雜融化邊界的問題。該理論對熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)均取常數(shù)僅適用于小變形的情況。高含冰量凍土融沉?xí)r,由于大量孔隙水的排出會導(dǎo)致熱學(xué)參數(shù)(相變潛熱)的劇烈變化,從而加劇力學(xué)邊界條件的變化。因此高含冰量凍土的融化固結(jié)理論不僅僅是熱學(xué)場和力學(xué)場的簡單疊加,同時(shí)應(yīng)揭示熱學(xué)場同力學(xué)場的相互影響規(guī)律?？梢越Y(jié)合基于現(xiàn)時(shí)構(gòu)型的三維大變形固結(jié)理論同考慮相變的熱傳導(dǎo)方程來描述三維情況下高含冰量凍土的融化固結(jié)問題。巖土力學(xué)軟件FLAC3D基于現(xiàn)時(shí)構(gòu)型能夠很好的處理物體的大變形問題并且能夠方便的解決熱學(xué)場和力學(xué)場的相互作用。因此可以使用FLAC3D建立數(shù)值模擬平臺解決復(fù)雜邊界條件下高含冰量凍土的融化固結(jié)問題。2.3凍融循環(huán)對土力學(xué)性能的影響凍融對土力學(xué)性質(zhì)的影響可以從凍融對土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的影響兩方面來考察,盡管它們是相互聯(lián)系的。凍融對土滲透性影響研究是最為活躍的,因?yàn)樗粌H受到巖土工程領(lǐng)域的重視,而且也是土壤學(xué)和水力學(xué)領(lǐng)域需要考慮的因素。Chamberlain等第一次發(fā)表了系統(tǒng)的研究成果發(fā)現(xiàn),盡管所采用土樣經(jīng)過凍融后孔隙比減小,但滲透性都有所增大,而且土的塑性指數(shù)越大,這種效應(yīng)越強(qiáng)烈。他們認(rèn)為原因是土的凍融使得土中形成一些裂隙同時(shí),土孔隙中的細(xì)顆粒土可能在凍融過程中減少。在孔隙比減小的情況下滲透性仍然增大似乎有悖于土力學(xué)常識,而這一點(diǎn)卻被其他研究所證實(shí)。后來的研究多在不同土的類型、性質(zhì)和不同試驗(yàn)方法上展開,例如壓力對這種效應(yīng)起到明顯的阻礙作用,凍融增大滲透性的效應(yīng)與制樣條件有關(guān),但定量的關(guān)系始終沒有提出。目前的大致認(rèn)識是經(jīng)過凍融循環(huán),土的滲透系數(shù)大約會增大1~2個(gè)數(shù)量級。至于孔隙比在凍融過程中減小的情況下滲透系數(shù)仍然會增大,則主要是由于凍融過程中造成微裂隙或者冰晶融化后形成大孔隙所造成的。研究滲透性的同時(shí)還發(fā)現(xiàn),凍融經(jīng)常會在一定程度上使土的孔隙比減小,因此凍融對于土具有擊實(shí)(或者壓密)相似的作用。后來的研究還發(fā)現(xiàn),對于松散土,凍融會使孔隙比降低從而增加其密實(shí)度,而對于密實(shí)土則相反。根據(jù)這一現(xiàn)象,Viklander提出了基于凍融作用的殘余孔隙比的概念,即松散土和密實(shí)土經(jīng)過若干凍融循環(huán)后趨向一個(gè)穩(wěn)定的孔隙比eres。盡管凍融循環(huán)對土孔隙比的雙重作用的概念已經(jīng)漸漸廣為接受,但在殘余孔隙比方面沒有更多的研究成果。筆者傾向于定義這個(gè)孔隙比為基于凍融循環(huán)的臨界孔隙比ecrFTC,以對應(yīng)于土力學(xué)中廣為接受的剪切臨界孔隙比eScr。進(jìn)一步確認(rèn)ecrFTC的存在,并深入研究這兩個(gè)臨界孔隙比之間的關(guān)系將有利于凍土力學(xué)與常規(guī)土力學(xué)有機(jī)結(jié)合。多數(shù)研究都發(fā)現(xiàn)土的滲透性和密度的經(jīng)過3~5個(gè)凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定。值得注意的是,土的孔隙比在土凍結(jié)和融化過程中的變化并不是單純的凍結(jié)膨脹和融化下沉。試驗(yàn)證明,在土凍結(jié)的初期,土的體積可能會首先縮小。而在撤掉冷源的初期,土的體積首先膨脹,然后持續(xù)大量下沉。凍融循環(huán)對土應(yīng)力應(yīng)變的影響不僅與土的類型有關(guān),而且與土工試驗(yàn)所采用的應(yīng)力路徑和排水路徑有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),常規(guī)三軸排水壓縮試驗(yàn)中,松散的重塑粉質(zhì)土經(jīng)過凍融后對剪應(yīng)力都具有較高的抵抗性,因此應(yīng)力-應(yīng)變曲線位于未經(jīng)凍融土的上方。在原狀黏土的不排水試驗(yàn)中,經(jīng)過凍融的土在相同應(yīng)變時(shí)的孔隙水壓力低于原狀土,而剪應(yīng)力的峰值在經(jīng)過凍融的土中消失。固結(jié)試驗(yàn)對比研究發(fā)現(xiàn),原狀土經(jīng)過凍融后喪失了其超固結(jié)的“記憶”,壓縮曲線位于原狀未經(jīng)凍融土的下方。關(guān)于凍融循環(huán)對土強(qiáng)度影響的研究相對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究要多一些,然而研究結(jié)果卻差異較大,如有研究發(fā)現(xiàn)凍融后土的強(qiáng)度有所增加;有研究發(fā)現(xiàn)凍融使得土強(qiáng)度有所降低,同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)凍結(jié)前后土的強(qiáng)度基本保持不變;Aoyama等發(fā)現(xiàn)經(jīng)過凍融后土的黏聚力降低而內(nèi)摩擦角變化很小;Ogata等對2種土的研究發(fā)現(xiàn)黏聚力降低而內(nèi)摩擦角增大。此外,馬巍等對凍融循環(huán)引起加石灰粉土的剪切強(qiáng)度變化進(jìn)行了研究。強(qiáng)度的增大或者減小一方面常被歸因于凍結(jié)過程土密度的變化和凍融對土結(jié)構(gòu)性的改變,另一方面也跟土的狀態(tài)和試驗(yàn)條件有關(guān),如有研究指出,如果凍融導(dǎo)致含水率增大,則強(qiáng)度就會降低;如果含水率不變則增大。凍融循環(huán)對土力學(xué)性質(zhì)影響的機(jī)制方面,就凍融過程來講,其對某種土力學(xué)性質(zhì)的改變主要是從以下兩方面發(fā)揮的:一是土結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化。上述幾乎所有的研究都提到凍融循環(huán)對土結(jié)構(gòu)性的影響,并試圖以此來解釋力學(xué)性質(zhì)的變化。對土結(jié)構(gòu)性因素的分析多是建立在定性觀察上的理性推測,如Chamberlain等認(rèn)為,凍融通過改變土的結(jié)構(gòu)性如土中產(chǎn)生大孔隙、縱向微裂隙等,從而使其垂直方向的滲透性增大。反復(fù)凍融使土顆粒得以重新排列,二是土顆粒聯(lián)結(jié)的變化,Chamberlain等分析了正常固結(jié)土在凍融過程中有效應(yīng)力的變化,及其對土產(chǎn)生的超固結(jié)作用,對凍融作用引起土力學(xué)性質(zhì)改變機(jī)制進(jìn)行了解釋。這種機(jī)制分析被廣泛引用,有的研究也大致證實(shí)了這一點(diǎn),如土在凍結(jié)初期土的體積不是增大而是縮小,是由于負(fù)孔隙水壓力造成有效應(yīng)力增大所導(dǎo)致,但這只能在正常固結(jié)或弱超固結(jié)土中產(chǎn)生。筆者對2種超固結(jié)土進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)凍結(jié)初期沒有凍縮現(xiàn)象,但在冷源撤掉的最初階段,土樣不是開始融化下沉而是猛然膨脹,即所謂的“融脹”現(xiàn)象。這是當(dāng)冷源撤銷的短時(shí)間內(nèi),吸力突然降低,有效應(yīng)力減小導(dǎo)致土骨架的回彈,如圖5所示。3冷土壤的力學(xué)性質(zhì)3.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的雙峰值凍土強(qiáng)度特性是凍土力學(xué)領(lǐng)域研究最為深入的課題之一。大量試驗(yàn)表明凍土的強(qiáng)度表現(xiàn)為如下特征:(1)無側(cè)限抗壓試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線多表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)與應(yīng)變速率在半對數(shù)坐標(biāo)系中為近似線性關(guān)系,可表達(dá)為的形式,其中σmax和ε分別為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變速率;a、b為與溫度有關(guān)的常數(shù)。(2)在一定的溫度范圍內(nèi),凍土的快剪強(qiáng)度隨著負(fù)溫的降低而近似地成正比增大。溫度低于某一特定值以后強(qiáng)度不再發(fā)生明顯變化,對于砂土這個(gè)溫度約在-50°C左右,對于細(xì)顆粒土要更低一些。(3)剪切速率和工程關(guān)心的負(fù)溫范圍內(nèi)的溫度對內(nèi)摩擦角影響不大,這2個(gè)因素對凍土強(qiáng)度的影響主要是影響強(qiáng)度的黏聚力分量,內(nèi)摩擦角等于或者略小于對應(yīng)融土的內(nèi)摩擦角。(4)凍土的強(qiáng)度經(jīng)常大于對應(yīng)的融土強(qiáng)度和冰強(qiáng)度之和,干重度的增大會大大增加凍土的強(qiáng)度。最后,含冰量是一個(gè)公認(rèn)的重要因素,然而,關(guān)于含冰量與凍土強(qiáng)度之間的關(guān)系,研究結(jié)果經(jīng)常不一致。筆者認(rèn)為,這是因?yàn)楹蕦?qiáng)度的影響更多地依賴于凍土的溫度和剪切速率。對于以上規(guī)律,Ting等進(jìn)行了描述,認(rèn)為凍土強(qiáng)度的發(fā)揮有冰的強(qiáng)度、土顆粒骨架的強(qiáng)度以及冰土相互作用導(dǎo)致的強(qiáng)度3方面。由于冰相和未凍水膜的存在,即使在凍結(jié)砂土中顆粒的直接接觸也并不多,冰的力學(xué)性質(zhì)在變形的初始階段起到至關(guān)重要的作用,而變形的后期土骨架的作用逐漸加強(qiáng),因此應(yīng)力-應(yīng)變曲線上才可能有2個(gè)峰值現(xiàn)象的出現(xiàn)。劉增利等從損傷力學(xué)的角度探討了凍土強(qiáng)度的發(fā)揮。在常規(guī)土力學(xué)中,圍壓只是應(yīng)力狀態(tài)的一個(gè)分量,而凍土力學(xué)中遠(yuǎn)不只如此。Chamberlain等對一種渥太華砂土(Ottawasand,細(xì)砂)和1種冰磧物(粉質(zhì)土)進(jìn)行了大范圍圍壓下的三軸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)凍土強(qiáng)度隨著圍壓的增大首先增大,超過某一圍壓后減小,當(dāng)圍壓繼續(xù)增大強(qiáng)度又有所增大的3階段論。他們認(rèn)為,整個(gè)過程主要是由于冰的壓融。后來諸多研究都證實(shí)了這一現(xiàn)象。Ma等還通過微觀分析證實(shí)了冰的壓融。此外,部分凍土三軸試驗(yàn)也出現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如文獻(xiàn)中所描述的現(xiàn)象,即應(yīng)力-應(yīng)變曲線上有時(shí)會出現(xiàn)2個(gè)峰值。并認(rèn)為第1個(gè)峰值主要受冰相的控制,第2個(gè)峰值的Mohr-Coulomb包絡(luò)線得到的內(nèi)摩擦角接近對應(yīng)融土的內(nèi)摩擦角,因此主要受土顆粒骨架的影響。然而,有的試驗(yàn)卻沒有出現(xiàn)雙峰值。筆者發(fā)現(xiàn)主要區(qū)別在于研究中所采用的應(yīng)變速率不同,如出現(xiàn)雙峰值的3個(gè)文獻(xiàn)中所采用的應(yīng)變速率依次分別為5×10-4s-1、7.7×10-5s-1。未出現(xiàn)雙峰值的,一是采用較高的應(yīng)變速率,如Ma等等采用1.1×10-3s-1,余群等采用高達(dá)1.0s-1。另一方面,幾乎所有蠕變試驗(yàn)中都沒有報(bào)道雙峰值的現(xiàn)象。因此,從已有的文獻(xiàn)來看,這種現(xiàn)象似乎只出現(xiàn)在應(yīng)變速率為10-4~10-5量級范圍之內(nèi)。筆者認(rèn)為,既然這種現(xiàn)象主要是由于在剪切過程中冰晶體發(fā)生破壞、土顆粒接觸點(diǎn)增多所導(dǎo)致的,這就對應(yīng)變速率要求比較苛刻——如果變形太快,應(yīng)力來不及從冰相向土骨架傳遞,最終得到的是一個(gè)更為綜合性的強(qiáng)度值;如果變形太慢(比如蠕變),冰晶根本沒有明顯的破壞,也不會有明顯的、大范圍的應(yīng)力從冰相向土骨架轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí),Sayles等還發(fā)現(xiàn),對于渥太華細(xì)砂,雙峰值現(xiàn)象在圍壓超過2.76MPa時(shí)才出現(xiàn)。關(guān)于凍土的強(qiáng)度準(zhǔn)則,Jessberger總結(jié)認(rèn)為在低圍壓下,Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則依然適用。李棟偉和汪仁和通過試驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)?？紤]到凍土的強(qiáng)度隨著剪切速率的降低而減小(如蠕變強(qiáng)度小于瞬時(shí)強(qiáng)度),隨著溫度的降低而增大,以上結(jié)論就意味著控制黏聚力的冰相實(shí)際上控制著凍土的綜合強(qiáng)度以及綜合強(qiáng)度受溫度和剪切速率的影響過程?；谶@個(gè)假定,陳湘生提出用下式來描述凍土的瞬時(shí)強(qiáng)度。式中:“k0+kT”項(xiàng)為黏聚力隨溫度降低而增大,不能涵蓋圍壓的影響。當(dāng)考慮強(qiáng)度隨圍壓的變化時(shí),式(3)可以改寫為τ=c(σ3)+σtan?。Fish、馬巍等建議采用廣義Drucker-Prager準(zhǔn)則:式中:pm為強(qiáng)度達(dá)到最大的平均正應(yīng)力;c、b分別為黏聚力和內(nèi)摩擦系數(shù)。馬巍等同時(shí)指出,在高溫條件下,這個(gè)關(guān)系式并不能很好反映試驗(yàn)結(jié)果。這些關(guān)系式從機(jī)制上都還有待完善。前者只考慮了溫度對黏聚力的影響,后者則只考慮了圍壓對內(nèi)摩擦項(xiàng)的影響。筆者認(rèn)為,只有將二者一并考慮進(jìn)去,才能建立凍土合理的強(qiáng)度準(zhǔn)則,筆者進(jìn)行了這方面的嘗試。將Duncan關(guān)于非凍土內(nèi)摩擦角的關(guān)系式擴(kuò)展到凍結(jié)砂土中,提出了凍結(jié)砂土新的快剪強(qiáng)度準(zhǔn)則:式中:pcr為臨界平均正應(yīng)力,與溫度有關(guān);c0、Δc和Δ?為常數(shù)。筆者對一種蘭州細(xì)砂土施以-2°C、-3.5°C和-7°C等不同溫度,圍壓值到達(dá)22MPa,以1.1×10-3s-1的剪切速率進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,凍結(jié)砂土的強(qiáng)度首先隨圍壓的增大而增大,到達(dá)一定臨界圍壓后,強(qiáng)度又隨著圍壓的增大而降低的規(guī)律。對試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果表明,所提出的強(qiáng)度準(zhǔn)則無論從機(jī)制上,還是從數(shù)值上都能夠較好的反映凍結(jié)砂土強(qiáng)度受圍壓影響的特性,如圖6所示(圖中p=(σ1+2σ3);q=(σ1-σ3))。為進(jìn)一步考慮溫度、剪切速率等因素,建立更為廣泛的強(qiáng)度準(zhǔn)則并發(fā)展本構(gòu)關(guān)系提供了新的思路。3.2凍土溫度、圍壓、頻率和振動頻率的關(guān)系朱元林等通過對凍結(jié)蘭州黃土在不同圍壓下進(jìn)行動三軸蠕變試驗(yàn),提出了凍土在振動荷載作用下的三軸蠕變模型,并對模型中各參數(shù)的物理意義及變化規(guī)律進(jìn)行了討論。徐學(xué)燕等在大量低溫動三軸試驗(yàn)基礎(chǔ)上給出凍土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,參數(shù)和動彈模量的確定方法,在國內(nèi)首次得到凍土動泊松比的數(shù)值,并給出凍土的動彈模量、動泊松比、動剪切模量、動阻尼比的數(shù)值及它們與凍土溫度、振動頻率的關(guān)系。凌賢長等基于凍結(jié)哈爾濱粉質(zhì)粘土動三軸試驗(yàn)前后試件CT檢測結(jié)果,詳細(xì)研究了凍土的動強(qiáng)度、微觀變形機(jī)制和結(jié)構(gòu)損傷等變化特性,以及其與試驗(yàn)的負(fù)溫和圍壓、土的含水率和重度、軸向荷載的振動頻率和振動次數(shù)等主要影響因素之間的關(guān)系,并利用以上數(shù)據(jù)定量地分析了凍土的密度、結(jié)構(gòu)及損傷度等方面的變化及動三軸試驗(yàn)前、后CT數(shù)增量、方差增量與圍壓、負(fù)溫之間的關(guān)系,分析了在振動荷載作用下凍土內(nèi)部孔隙、裂隙擴(kuò)展過程,從附加損傷的角度證實(shí)了臨界圍壓值的存在,明確了凍結(jié)粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)弱化的根本原因是孔隙冰的壓融和微裂隙的發(fā)育。凍土的阻尼比是分析凍土區(qū)建筑物動力反應(yīng)必不可少的計(jì)算參數(shù),徐春華在大量低溫動三軸試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上,對凍土的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)成果進(jìn)行了分析,給出試驗(yàn)溫度、圍壓、土的含水率、軸向動荷載的振動頻率和振動次數(shù)等因素與凍土阻尼比之間的關(guān)系,得出了凍土溫度、圍壓、頻率是影響凍結(jié)粉質(zhì)黏土動阻尼比的主要因素。齊吉琳等考慮季節(jié)凍土地區(qū)不同季節(jié)凍土厚度的變化,進(jìn)一步對季節(jié)凍土場地進(jìn)行了地震動反應(yīng)分析。3.3凍土本構(gòu)本構(gòu)關(guān)系的研究所謂本構(gòu)關(guān)系是指自然界的作用與由該作用產(chǎn)生的效應(yīng)之間的關(guān)系。凍土作為一種特殊的巖土類材料,由于土中冰包裹體和未凍的黏滯水膜的存在,使得構(gòu)建凍土材料的本構(gòu)模型成為一項(xiàng)相當(dāng)困難的工作,盡管如此,許多學(xué)者還是在這方面進(jìn)行了大膽地探索。早期對于凍土本構(gòu)模型的研究,都是基于連續(xù)介質(zhì)的假設(shè),從分析凍土受力后的表現(xiàn)性狀入手,利用試驗(yàn)得出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,應(yīng)用曲線擬合或彈性理論,塑性理論及其他理論來建立本構(gòu)模型,這種模型將顆粒材料的力學(xué)特性用狀態(tài)參數(shù)(孔隙比、溫度、相對密度及各向異性張量等)來描述,忽略顆粒之間接觸特性的所有細(xì)節(jié),較容易的應(yīng)用數(shù)學(xué)分析工具。在這一研究階段朱元林等[53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72]提出的凍土單軸壓縮本構(gòu)關(guān)系類型,以及凍土的動三軸蠕變模型最具代表性。另外,蔡中民等提出了適用于靜荷或重復(fù)加載的能夠反映溫度效應(yīng)的黏彈塑本構(gòu)模型。由于凍土中冰的存在,對凍土受力的分析,不僅要考慮凍土受力后的宏觀表現(xiàn),更要關(guān)注發(fā)生在其內(nèi)部的溫度變化以及由此引發(fā)的相變過程,因此對于凍土本構(gòu)關(guān)系的研究進(jìn)展很慢。直到1995年,苗天德等采用復(fù)膜、電鏡方法開展凍土蠕變損傷的研究,將損傷力學(xué)理論引入凍土力學(xué)的研究中,為凍土本構(gòu)模型的研究開辟了一條新途徑。在隨后的十幾年里,基于損傷力學(xué)理論從細(xì)微觀角度解釋凍土強(qiáng)度與破壞特征,成為凍土本構(gòu)模型研究的有效工具。何平依據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)原理,建立了凍土黏彈塑損傷耦合本構(gòu)理論,并在理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,提出損傷演變律及損傷門檻值的具體形式,同時(shí)分析了圍壓對凍土強(qiáng)化及弱化機(jī)制的影響,建立了與球應(yīng)力相關(guān)的未凍水含量狀態(tài)方程以及黏塑性耗散勢函數(shù)。寧建國嘗試用復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的方法建立土、冰、水的彈性常數(shù)與整個(gè)凍土體的彈性常數(shù)之間的直接關(guān)系利用復(fù)合材料有效性能的細(xì)觀力學(xué)方法中的混合律理論去考察凍土材料的彈性常數(shù)與其組分相的彈性常數(shù)之間的關(guān)系,并進(jìn)一步將損傷力學(xué)理論應(yīng)用于凍土力學(xué)中,研究凍土材料的損傷演化規(guī)律,建立考慮損傷影響的凍土本構(gòu)關(guān)系。筆者認(rèn)為,這項(xiàng)研究將凍土材料內(nèi)部組成的力學(xué)行為與宏觀的凍土力學(xué)行為結(jié)合進(jìn)行研究,在宏觀和細(xì)觀之間建立了一種適當(dāng)?shù)臉蛄?在研究方法上為深化凍土力學(xué)的研究提出了一種新的分析思路。劉增利采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與熱力學(xué)方法,建立了含損傷的凍土單軸壓縮損傷本構(gòu)模型,并以凍結(jié)蘭州黃土單軸壓縮CT試驗(yàn)獲得的凍土損傷作為基礎(chǔ),建立了凍土損傷與應(yīng)變之間的關(guān)系,為進(jìn)一步研究凍土的復(fù)雜受力提供了基礎(chǔ)。目前還沒有一個(gè)廣為接受的凍土本構(gòu)關(guān)系,值得進(jìn)一步研究。4凍土工程中的融沉變形從20世紀(jì)初開始,多年凍土區(qū)工程建設(shè)日益頻繁,如穿越阿拉斯加的美國Norman