交通荷载作用下高温冻土动弹性模量影响因素研究_王瑛.pdf

174内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年第 42 卷 第 2 期2023 年 4 月内蒙古工业大学学报（自然科学版）Journal of Inner Mongolia University of Technology（Natural Science Edition）Vol.42 No.2Apr.2023文章编号：1001-5167（2023）02-0174-04交通荷载作用下高温冻土动弹性模量影响因素研究王瑛1，刘俊芳1,2,3(1.内蒙古工业大学 土木工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学 地质技术与岩土工程内蒙古自治区工程研究中心，呼和浩特 010051；3.内蒙古工业大学 沙旱区地质灾害与岩土工程防御自治区高等学校重点实验室，呼和浩特 010051)Study on influence factors of dynamic elastic modulus of high temperature frozen soil under traffic loadWANG Ying1,LIU Junfang1,2,3 收稿日期：2022-08-24第一作者：王瑛（1998），男，2021 级硕士研究生，主要从事冻土动力学特性研究。E-mail:通信作者：刘俊芳（1975），女，硕士，副教授，主要从事岩土工程方面的教学与研究。E-mail:(1.School of Civil Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;2.Inner Mongolia Engineering Research Center of Geological Technology and Geotechnical Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;3.Key Laboratory of Geological Hazards and Geotechnical Engineering Defense in Sandy and Drought Regions at Universities of Inner Mongolia Autonomous Region,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China)Abstract:The dynamic elastic modulus of high-temperature frozen soil is one of the relevant parameters for dynamic response analysis of soil layer.The study on the influence factors of dynamic elastic modulus of high-temperature frozen soil can provide a theoretical reference for further study on the dynamic characteristics of high-temperature permafrost site.The effects of frequency(4,5,6 Hz)and amplitude of dynamtic stress(30,40,50 kPa)on the dynamic elastic modulus of high temperature frozen silty clay were studied by indoor dynamic triaxial test.Under the same cumulative dynamic strain,the greater the frequency,the greater the dynamic elastic modulus,and the dynamic elastic modulus increases with the increase of cumulative dynamic strain.Under the same cumulative dynamic strain,the lower the amplitude,the greater the dynamic elastic modulus;when the dynamic stress amplitude is 50 kPa(-1.5 )and the frequency is high,the dynamic elastic modulus of high temperature frozen soil increases first and then decreases with the development of cumulative dynamic strain.When the dynamic stress amplitude is 30 kPa and 40 kPa,the dynamic elastic modulus of high temperature frozen soil increases with the development of accumulative dynamic strain.Key words:high temperature frozen soil;dynamic elastic modulus;traffic load;dynamic characterist摘要：高温冻土的动弹性模量是对土层进行动力反应分析的相关参数之一，对高温冻土的动弹性模量影响因素进行研究，可以为深入研究高温多年冻土场地的动力特性提供基础的理论参考。应用室内动三轴试验，研究了频率(4、5、6 Hz)、动应力幅值（30、40、50 kPa）对高温冻结粉质黏土动弹性模量的影响规律：相同累积动应变下，频率越大，动弹性模量越大，且动弹性模量随着累积动应变的增加，逐渐增大；同一累积动应变下，幅值越低，动弹性模量越大；动应力幅值为 50 kPa（-1.5）、频率较高时，高温冻土的动弹性模量随着累积动应变的发展先增大后减小；动应力幅值为 30、40 kPa 时，高温冻土的动弹性模量随着累积动应变的发展而增大。关键词：高温冻土；动弹性模量；交通荷载；动力学特性中图分类号：TU 43 文献标志码：A DOI:10.13785/ki.nmggydxxbzrkxb.2023.02.015175王瑛等交通荷载作用下高温冻土动弹性模量影响因素研究第 2 期冻土的动弹性模量是表征冻土动应力-动应变关系之间的重要指标参数，其数值越大，表明冻土的弹性变形性能越好。国内外研究者对冻土的动弹性模量开展了大量的试验研究，研究结果表明，冻土的动弹性模量受温度、加载频率、含水率、围压、压实度等诸多因素的影响，且其数值要远大于未冻土1。专家和学者们利用各种仪器和方法得到的动弹性模量随这些因素的变化规律基本相同。赵淑萍等2的研究结果表明：动弹性模量随含水率的增加表现为先增加后减小的趋势，在饱和含水率处为最大值；施烨辉 3 的研究结果表明：伴随含水率的增加，动弹性模量呈起伏变化，低温冻土的动弹性模量随围压的升高而增大。对于高温冻结粉质黏土，存在临界围压，当试验围压低于临界围压时，动弹性模量随围压的增加而增加。当试验围压高于临界围压时，动弹性模量随围压的增加而降低；孟庆洲 4 的研究结果表明：随着含水率的提高，冻结粉质黏土、冻结黏土的动弹性模量先增加后减小，含水量提高后，动弹性模量值稍微变大；王大雁等 5 的结果表明：冻结兰州黄土的动弹性模量随含水率的提高而增大，哈尔滨黏土的动弹性模量随含水率的增加而减小；徐学燕等6通过低温动三轴应力-应变试验，得出了冻土的动弹性模量与冻结温度、振动频率之间的关系；罗飞等7的研究结果表明：冻土的动弹性模量随加载频率的提高而不断增大；张向东等8通过对煤渣改良土路基的动弹性模量与临界动力特性进行了试验研究，分析了不同加载频率对煤渣改良土动弹性模量的影响；LING X Z 等9分析了冻密砂在不同冻融循环次数、温度、初始含水率、加载频率和围压下的动剪切模量与循环剪切应变之间的关系，表明了冻融过程对动剪切模量有显著影响，且动剪切模量随初始含水量、温度、加载频率和围压的增加而增大；HUANG C X 等10 深入研究了含水率、干密度、围压、超固结比、加载频率等对非饱和红黏土动弹性模量的影响，结果表明：相同应变下，动弹性模量随干密度、围压和超固结比的增大而增大，随含水率和加载频率的提高而减小；WANG Q 等 11研究了木质素含量不同的改性黄土的动弹性模量之间的差异较大，但均随动应变的增大而减小，且改性黄土的动弹性模量均大于压实黄土；穆锐等12研究并剖析了在各种围压、振动频率下红黏土的动弹性模量的变化，表明当动应变小于临界值时，红黏土动弹性模量随动应变的增大而增大。而当动应变比临界值大时，红黏土材料的动弹性模量随动应变的增大而减小；赵福堂等13基于一系列低温动三轴试验，以青藏高原冻结路基粉土作为研究对象，使用分级施加循环动荷载的方法，考虑不同冻结温度、含水率、压实度和围压的影响，对冻结粉土的动力学参数进行了深入分析，并有力地证明双曲线模型能较好的表达冻结粉土动应力-应变之间的关系。这些研究多集中在非冻土动弹性模量的研究和低温冻土（温度区间处于-1.50 以外的冻土）的动弹性模量，但高温冻土在交通动荷载作用下的动弹性模量研究还很不成熟，理论研究落后于工程设计应用。因此，本文以内蒙古牙克石市粉质黏土为研究对象，通过一系列的低温动三轴试验的结果，分析研究了不同因素对高温冻土的动弹性模量的影响规律并应用于实际寒区工程的场地设计计算和建设中，具有十分重要的现实和理论意义。1试验方案1.1试验仪器、加载方式、温度的控制试验采用美国 GCTS 公司生产的 STX-100 动三轴测试仪。采用周期性正弦荷载来等效往复循环的交通荷载，围压 20 kPa，轴向应力 40 kPa。试验加载过程分为：1）固结过程；2）轴向静荷载施加和保持过程；3）轴向动荷载施加过程14。试验过程中的温度通过向冷冻腔室中加入酒精并达到12 h 以上即可使温度变化均匀。1.2试验方案考虑高温冻土的温度敏感性，试验过程中温度分别控制为-1.5、-0.5，动荷载变化幅值为 30、40、50 kPa，频率为 4、5、6 Hz。本文试验所使用的“破坏应变标准”按照我国地基动力特性测试规范（GB/T 50269-2015）15中规定，取土样的弹性应变与塑性应变之和等于5%为破坏标准；若试样最终变形未达到 5%，则试验在循环次数 N=50 000 时自动终止。2高温冻土动弹性模量的影响因素本文对于冻土动弹模量的定义借鉴罗启洋16的处理方法，定义动弹性模量 Ed为：2.1不同频率对高温冻土动弹性模量的影响从图 1 中明显可以看出，频率越大，动弹性模-=dmaxdmindmaxdminEd176内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年0123456210240270300330360390动弹性模量Ed/MPa累积动应变/%6 Hz 5 Hz 4 Hz-0.30.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1100200300400500600700800900动弹性模量Ed/MPa累积动应变/%6 Hz 5 Hz 4 Hz量越大。参考冯蕾等17的研究，主要是因为土中的应力传递是通过相邻的土颗粒来共同完成的，由于轴向动荷载的持续施加，高温冻土的土颗粒之间部分发生错位，微裂隙不断减小，部分未冻水从裂隙中挤出，然后进入到更大的裂隙中，并逐渐冻结，这样就弥补了部分土骨架的结构缺陷，导致土骨架更为致密稳定，高温冻土的强度增大，动弹性模量增高。频率越高，应力出现的时间越短，应力来不及传递分布，变形特性不能呈现的如低频加载下那样完全，土体刚度相对提高，所以动弹性模量也越大。且动弹性模量随着动应变的增加，逐渐增大。在高频率条件下累积动应变较小时动弹性模量迅速增加，随后增长速率变缓（这是由于随着动荷载的施加土体后期的强度逐步趋于稳定，故动弹性模量增长速率变缓）。动荷载的施加，后期高温冻土开始出现软化破坏现象，故动弹性模量呈现下降趋势。图 1低幅值下动弹性模量-累积动应变变化曲线Fig.1Dynamic modulus of elasticity-cumulative dynamic strain curve under low amplitude(a)(a)(b)(b)图 2高幅值下动弹性模量-累积动应变变化曲线Fig.2Curve of dynamic elastic modulus-accumulated dynamic strain under high amplitude-0.3 0.00.30.60.91.21.5100200300400500600700800动弹性模量Ed/MPa累积动应变/%6 Hz 5 Hz 4 Hz01234580120160200240280320动弹性模量Ed/MPa累积动应变/%6 Hz 5 Hz 4 Hz图 2 是在 50 Kpa 动应力幅值的作用下不同频率的动弹性模量随累积动应变增加的关系曲线。与30 Kpa 动应力幅值作用下频率的影响大致相同。频率越大，动弹性模量越高。-1.5、4 Hz 下动弹性模量表现出来非线性增大的特性。但 5、6 Hz下动弹性模量增大后减小，即对应着该温度下随着2.2不同幅值的影响目前学者们对于冻土动弹性模量影响因素的研究多将目光集中于围压、温度、频率、含水率等，而对于动应力幅值变化对于高温冻土的动弹性模量的影响则少有人进行研究。从图 3 和图 4 的试验所得数据可以发现，动应力幅值为 30 kPa 时，动弹性模量随着累积动应变的增加而迅速增加；动应力幅值为 50 kPa 时，动弹性模量的变化趋势较为复杂，基本上会伴随动应变急速增加，部分试样在达到破坏标准的时候动弹性模量有小幅度的减小。表明高动应力幅值的循环荷载可能使高温冻土出现软化现象。幅值较小时，在加载初期动弹性模量的变化很大。图 3 是频率为 6 Hz、动荷载幅值不同时动弹性模量随着累积动应变增加的关系曲线。同一累积动应变下，随着动应力幅值的增大，动弹性模量开始出现明显衰减的倾向，这是因为随着动应力幅值的不断增大，冲击的能量越多，在其他条件相同的情况下，试件吸收的能量也会更多，土体骨架的破坏程度也更大，从而导致动弹性模量的减小。177王瑛等交通荷载作用下高温冻土动弹性模量影响因素研究第 2 期012345100200300400500600700动弹性模量Ed/MPa累积动应变/%50 KPa 40 KPa 30 KPa012345100200300400500600700800动弹性模量Ed/MPa累积动应变/%50 KPa 40 KPa 30 KPa012345100200300400500600700800动弹性模量Ed/MPa 累积动应变/%50 KPa 40 KPa 30 KPa(a)(b)图 3高频率下动弹性模量-累积动应变变化曲线Fig.3Dynamic modulus of elasticity-cumulative dynamic strain change curve at high frequency012345200300400500600700800900动弹性模量Ed/MPa累积动应变/%50 KPa 40 KPa 30 KPa(a)(b)图 4低频率下动弹性模量-累积动应变变化曲线Fig.4Dynamic modulus of elasticity-cumulative dynamic strain change curve at low frequency3结论本文在低温条件下开展了若干组动三轴试验，分析了累积动应变与动弹性模量之间的关系，以及动应力幅值、频率对高温冻土动弹性模量的影响。得到如下结论：1）在荷载施加初期，试验土样随着累积动应变的发展，动弹性模量不断增加，后期变化情况则随着试验条件的不同而有差异。2）从整体试验结果看，动应力幅值与动弹性模量成反比，即动应力幅值越大，动弹性模量越低。3）频率与动弹性模量成正比，随着频率的提高，动弹性模量逐渐增大；且频率对高温冻土动弹性模量的影响较动应力幅值更为显著。参考文献1 徐春华,徐学燕,邱明国,等.循环荷载下冻土的动阻尼比试验研究 J.哈尔滨建筑大学学报,2002,35(6):22-25.2 赵淑萍,朱元林,何平,等.冻土动力学参数测试研究 J.岩石力学与工程学报,2003,22(增刊 2):2677-2681.3 施烨辉.动荷载作用下高温冻土路基动力响应分析 D.兰州:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,2006.4 孟庆洲.基于超声波的冻土物理力学性质研究 D.兰州:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,2008.5 王大雁,朱元林,赵淑萍,等.超声波法测定冻土动弹性力学参数试验研究J.岩土工程学报,2002,24(5):612-615.6 徐学燕,仲丛利.冻土动弹模、动泊桑比的确定 J.哈尔滨建筑大学学报,1997(4):27-33.7 罗飞,赵淑萍,马巍,等.分级加载下冻土动弹性模量的试验研究 J.岩土工程学报,2013,35(5):849-855.8 张向东,任昆.煤渣改良土路基的动弹性模量及临界动应力试验研究 J.公路交通科技,2018,35(10):26-33.9 LING X Z,ZHANG F,LI Q L,et al.Dynamic shear modulus and damping ratio of frozen compacted sand subjected to freezethaw cycle under multi-stage cyclic loadingJ.Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2015,76:111-121.10 HUANG C X,WANG X H,ZHOU H,et al.Dynamic elastic modulus and damping ratio of unsaturated red clayJ.Geo-technical and Geological Engineering,2020,38(1):873-881.11 WANG Q,LIU Z Z,ZHONG X M,et al.Dynamic elastic modulus and damping ratio of lignin-modified loessJ.Journal of Renewable Materials,2021,9(3):523-540.12 穆锐,黄质宏,姚未来,等.分级循环荷载下原状红黏土动力特性试验研究 J.水文地质工程地质,2022,49(3):94-102.13 赵福堂,张吾渝,常立君.分级循环动荷载作用下冻结粉土动剪切模量比与阻尼比分析 J.岩石力学与工程学报,2020,39(增刊 1):3004-3014.14 袁泽鹏,尹立强,刘曙光,等.基于核磁共振 T2 谱的 ECC孔隙结构冻融演化特征 J.内蒙古工业大学学报(自然科学版),2022,41(2):173-180.15 中华人民共和国住房和城乡建设部.地基动力特性测试规范:GB/T 50269-2015S.北京:中国计划出版社,2016.16 罗启洋.低频循环荷载下饱和软土的动力特性研究 D.广州:广东工业大学,2016.17 冯蕾,常俊鹏.盐冻融循环作用对温拌胶粉改性沥青砂浆低温性能影响 J.内蒙古工业大学学报(自然科学版),2020,39(2):141-146.