蔣煉 侯豐 劉恩龍 劉友能 劉星炎

摘要：通過不同溫度作用下凍結(jié)黃土的蠕變試驗(yàn)，得到了軸向應(yīng)變、體應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系。結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，凍結(jié)黃土發(fā)生衰減型蠕變，軸向應(yīng)變速率隨時(shí)間延長逐漸降低，體積表現(xiàn)為體縮，體應(yīng)變與時(shí)間大致呈線性關(guān)系，徑向應(yīng)變速率在零附近波動(dòng)，最終趨于零;當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，凍結(jié)黃土發(fā)生非衰減型蠕變，軸向應(yīng)變速率隨時(shí)間延長呈U形曲線變化。各個(gè)蠕變階段軸向應(yīng)變速率的大小和所占時(shí)間的長短與應(yīng)力水平相關(guān)，體積表現(xiàn)為體脹，在蠕變非穩(wěn)定和穩(wěn)定階段，體積隨時(shí)間延長呈線性膨脹，進(jìn)入加速階段后，體積隨時(shí)間延長加速膨脹，體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變線性增大;徑向應(yīng)變速率在蠕變前兩個(gè)階段數(shù)值較小，數(shù)值在負(fù)值處動(dòng)態(tài)波動(dòng)，進(jìn)入加速蠕變階段后，徑向應(yīng)變速率加速增大，試樣鼓曲破壞。最后，從蠕變速率的角度提出用蠕變速率法確定長期強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：蠕變試驗(yàn)：體應(yīng)變;蠕變速率法;長期強(qiáng)度;凍結(jié)黃土

中圖分類號(hào)：TU411.3;P642.13+1;TV16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.032

凍土是溫度在0℃或0℃以下并含有冰的土類和巖石，是由礦物顆粒、水、未凍水和氣體組成的對(duì)溫度十分敏感的多相體系，具有明顯的流動(dòng)性。當(dāng)對(duì)凍土施加穩(wěn)定荷載后，應(yīng)變會(huì)不斷發(fā)展，土體失去穩(wěn)定性甚至發(fā)生破壞，這是凍土的蠕變特性[1-2]。隨著我國對(duì)高緯度和高海拔凍土地區(qū)的開發(fā)和建設(shè)，凍土問題備受關(guān)注，其中諸多問題與凍土蠕變特眭有密切關(guān)系[3-5]。

最早以維亞洛夫?yàn)槭椎膰鈱W(xué)者做了很多凍土蠕變特性方面的研究工作[6-8].Fisli[9]提出了凍土的熱力學(xué)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。國內(nèi)學(xué)者馬小杰等[10]們研究了高溫一高含冰量凍土的蠕變特性，得到了高溫一高含冰量凍結(jié)黏土單軸壓縮蠕變方程、應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系和長期強(qiáng)度方程的參數(shù)。朱元林等[11-12對(duì)凍結(jié)粉土在不同圍壓下進(jìn)行了振動(dòng)蠕變試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蠕變破壞時(shí)間及最小蠕變率隨圍壓的變化具有極值，據(jù)此提出了最大強(qiáng)度臨界圍壓的概念。趙淑萍等[13-14]通過動(dòng)、靜荷載作用下凍結(jié)粉土的蠕變試驗(yàn)，對(duì)凍結(jié)粉土的動(dòng)靜蠕變特征進(jìn)行比較，并研究了長期動(dòng)荷載作用下凍結(jié)粉土的變形和強(qiáng)度特征;同時(shí)，通過分析不同試驗(yàn)條件下的蠕變過程曲線，探討了凍結(jié)砂土在動(dòng)荷載下的蠕變模型，分析了最大加載應(yīng)力、溫度及加載頻率對(duì)凍土蠕變破壞應(yīng)變、破壞時(shí)間和最小蠕變速率的影響。董連成等[15]通過不同溫度、不同加載應(yīng)力作用下凍結(jié)蘭州黃土、黏土、砂質(zhì)黏土的蠕變試驗(yàn)，分析了蠕變曲線、初始應(yīng)變、流變起始應(yīng)變與流變起始時(shí)間、破壞應(yīng)變與破壞時(shí)間及相對(duì)蠕變指標(biāo)。

前人對(duì)于凍結(jié)黃土三軸蠕變特性只是研究軸向變形隨時(shí)間的變化規(guī)律，沒有給出體應(yīng)變的演化規(guī)律。然而，體應(yīng)變作為巖土工程的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)其流變性質(zhì)研究具有十分重要的理論和實(shí)際意義。為此，筆者對(duì)凍結(jié)黃土進(jìn)行蠕變試驗(yàn)研究，研究凍結(jié)黃土軸向應(yīng)變、體應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律，并從蠕變速率角度分析其長期強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)土樣取蘭州黃土，物理參數(shù)見表1。將野外取回的土樣風(fēng)干、碾碎、過篩，選取直徑小于2 mm的土粒組進(jìn)行初始含水率測定，加定量蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，配置易于成型的濕土，限制蒸發(fā)保持24 h使其均勻。根據(jù)所需試驗(yàn)干密度和體積稱取一定質(zhì)量的濕土，夯實(shí)裝入直徑61.8 mm的模具里，利用壓樣機(jī)按照一定的下壓速率將土體壓制成直徑為61.8 mm、高125 mm的試樣。隨后將試樣取出裝進(jìn)三瓣模里抽氣3h，靜置飽水12 h。飽水完成后，為防止水分流失以及性質(zhì)變化，將試樣兩端透水石換成不透水石，迅速將試樣放在-30℃的恒溫箱進(jìn)行速凍。經(jīng)過48 h的速凍之后，脫模，套橡膠套并在試樣兩端裝上壓頭，放人恒溫箱，恒溫箱按照試驗(yàn)要求設(shè)定溫度，恒溫24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備為改造的MTS - 810材料試驗(yàn)機(jī)（見圖1），該試驗(yàn)設(shè)備能夠同時(shí)控制圍壓和軸向力的施加，其原理見文獻(xiàn)[16]。試驗(yàn)溫度取- 1.5℃和-10℃兩個(gè)溫度，試驗(yàn)過程中溫度的誤差控制在0.1℃以內(nèi)。試驗(yàn)圍壓為0.3 MPa，軸向荷載范圍為土體強(qiáng)度的20%～ 80%.加載方式為60 s加載到所需要的荷載，然后保持恒定，試驗(yàn)過程中軸向力的誤差控制在10 kPa以內(nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 軸向應(yīng)變

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算得到試樣軸向應(yīng)變（ε1）及體應(yīng)變（ε）隨時(shí)間的變化曲線（見圖2），q為剪應(yīng)力值，應(yīng)變?nèi)嚎s為正。從圖2（a）、（b）可以看出，在-10℃和-1，5℃兩個(gè)溫度下，試樣表現(xiàn)出相同的規(guī)律：低應(yīng)力情況下表現(xiàn)為衰減蠕變，只有一個(gè)階段，即非穩(wěn)定蠕變階段：高應(yīng)力情況下表現(xiàn)為非衰減蠕變，包括非穩(wěn)定蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段。另外，從蠕變曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同條件下蠕變曲線各階段所占的時(shí)間以及穩(wěn)定蠕變階段的應(yīng)變速率有很大區(qū)別，當(dāng)應(yīng)力較大時(shí)，非衰減蠕變曲線中的穩(wěn)定蠕變階段迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀偃渥冸A段，穩(wěn)定蠕變階段不明顯。

2.2 體應(yīng)變

從圖2可以看出：①低應(yīng)力水平時(shí)體積變化表現(xiàn)為體縮，高應(yīng)力水平時(shí)表現(xiàn)為體脹，隨著應(yīng)力水平的提高，體積變形由體縮逐漸轉(zhuǎn)為體脹。②衰減型蠕變時(shí)，在-10℃和-1.5℃兩個(gè)溫度下，總體表現(xiàn)為體縮，體應(yīng)變隨著時(shí)間大致呈線性變化，但在開始階段溫度為-1.5 cC時(shí)表現(xiàn)為體脹，之后再逐漸變?yōu)轶w縮，而-10℃則一直為體縮。原因是在- 1.5℃時(shí)，試樣中未凍水的含量較高，土顆粒容易發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而沿徑向外移：在-10℃時(shí)，試樣中未凍水含量很低，土顆粒難以沿徑向外移。③非衰減型蠕變時(shí)，在-10℃和- 1.5℃兩個(gè)溫度下，在非穩(wěn)定和穩(wěn)定蠕變階段，體積隨時(shí)間線性膨脹;進(jìn)入加速蠕變階段時(shí)，體積隨時(shí)間加速膨脹。④根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出軸向應(yīng)變與體應(yīng)變的關(guān)系（見圖3，以-10℃為例）。低應(yīng)力水平情況下，開始軸向應(yīng)變增大較快，而體應(yīng)變變化很小。隨著蠕變速率降低，軸向應(yīng)變增大變慢，體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變增大而加速增大。也就是說衰減蠕變情況下，隨著時(shí)間的延長和試樣顆粒之間相對(duì)移動(dòng)，試樣的密實(shí)度在提高。⑤高應(yīng)力水平下，在非穩(wěn)定蠕變階段，隨著軸向應(yīng)變的增大，體積以較小膨脹速率隨軸向應(yīng)變線性增大：在穩(wěn)定蠕變階段，體積膨脹速率隨著軸向應(yīng)變增大而加速減?。哼M(jìn)入加速蠕變階段后，體積以較大膨脹速率隨軸向應(yīng)變線性增大。

2.3 應(yīng)變速率

由圖2（a）、（b）可以得出軸向應(yīng)變速率隨時(shí)間的變化曲線（見圖4，由圖2（a）所得）。由圖4可知，當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，軸向蠕變速率逐漸減?。▓D4中④、⑤曲線），蠕變開始階段蠕變量占蠕變總量的80%以上：當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，軸向蠕變速率在非穩(wěn)定階段和加速蠕變階段很大，試樣發(fā)生非衰減型蠕變，整個(gè)曲線呈U形（圖中③曲線），在0～1.0 h為衰減蠕變、1.0～17.5 h為穩(wěn)定蠕變、17.5 h以后進(jìn)入加速蠕變階段。隨著應(yīng)力水平的提高，中間穩(wěn)定蠕變的時(shí)間逐漸縮短，圖中③→②→①曲線可以體現(xiàn)出來。非衰減型蠕變進(jìn)入加速蠕變時(shí)的軸向蠕變速率隨著應(yīng)力水平的提高而增大，各個(gè)蠕變階段軸向應(yīng)變速率與應(yīng)力水平直接相關(guān)。

以-10℃為例，根據(jù)軸向應(yīng)變和體應(yīng)變的變化規(guī)律，可以得出徑向應(yīng)變速率隨時(shí)間變化的規(guī)律，見圖5。

由圖5可見：①當(dāng)試樣發(fā)生衰減型蠕變時(shí)，徑向應(yīng)變速率在零附近波動(dòng)，最終趨向零，如圖5（a）、（b）所示，試驗(yàn)完成后試樣的形狀如圖6（b）。②當(dāng)發(fā)生非衰減型蠕變時(shí)，徑向應(yīng)變速率如圖5（c）①、②、③曲線所示。在非穩(wěn)定蠕變階段和穩(wěn)定蠕變階段，徑向應(yīng)變速率隨時(shí)間波動(dòng)，均為負(fù)值，數(shù)值較小;當(dāng)蠕變進(jìn)入加速階段時(shí)，徑向應(yīng)變速率加速增大，最終試樣發(fā)生破壞，試樣徑向向外鼓曲變形，如圖6（c）。

徑向應(yīng)變速率與蠕變類型相關(guān)，原因是徑向變形是多方面綜合的體現(xiàn)。一方面，軸向應(yīng)變的增大使得土顆粒沿徑向外移，徑向應(yīng)變往徑向膨脹方向發(fā)展，應(yīng)變速率即為負(fù)值;另一方面，圍壓使顆粒移動(dòng)往密實(shí)方向發(fā)展，使得顆粒沿徑向內(nèi)移，徑向變形減小，應(yīng)變速率即為正值。當(dāng)蠕變?yōu)樗p型蠕變時(shí)，軸向應(yīng)變對(duì)徑向應(yīng)變速率的影響和圍壓對(duì)軸向應(yīng)變的影響差不多，兩者動(dòng)態(tài)變化最終形成了圖5（a）、（b）所示的曲線;而在非衰減型蠕變的情況下，軸向應(yīng)變增大較快，使得土顆粒沿徑向移動(dòng)的因素占主導(dǎo)，最終徑向變形往膨脹（負(fù)值）發(fā)展。當(dāng)蠕變進(jìn)入加速階段時(shí)，軸向應(yīng)變快速增大，土顆粒沿徑向外移，軸向應(yīng)變對(duì)徑向變形的影響占主導(dǎo)，最終形成了圖5（b）中的曲線。

2.4 蠕變速率法確定長期強(qiáng)度

長期強(qiáng)度作為凍結(jié)黃土蠕變的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)工程穩(wěn)定使用具有十分重要的意義。沈明榮等[17]總結(jié)了確定長期強(qiáng)度的過渡蠕變法、等時(shí)曲線法、蠕變曲線第一拐點(diǎn)法等3種方法。其中：過渡蠕變法是找到發(fā)生衰減型蠕變的最大偏應(yīng)力，該方法需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，費(fèi)時(shí)且只能得到閾值所在的區(qū)間：等時(shí)曲線法和蠕變第一拐點(diǎn)法類似，均是選取非衰減型蠕變曲線上的點(diǎn)確定長期強(qiáng)度，但選點(diǎn)存在較大的人為誤差，影響試驗(yàn)結(jié)果。

長期強(qiáng)度是發(fā)生衰減型蠕變和非衰減型蠕變偏應(yīng)力的閾值，如果認(rèn)為衰減型蠕變也屬于非衰減型蠕變的一種，只是衰減型蠕變的穩(wěn)定階段的軸向蠕變速率為零，那么長期強(qiáng)度就是穩(wěn)定蠕變階段的軸向蠕變速率為零對(duì)應(yīng)的最大偏應(yīng)力。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定階段的軸向蠕變速率越大，越容易破壞，因此本文認(rèn)為長期強(qiáng)度為穩(wěn)定階段軸向蠕變速率的函數(shù)，提出蠕變速率法確定長期強(qiáng)度。由于軸向蠕變速率趨近零時(shí)剪應(yīng)力比趨近1，當(dāng)軸向蠕變速率趨近無窮大時(shí)剪應(yīng)力比趨向無窮大，因此提出擬合長期強(qiáng)度的公式：

把圖2（a）、（b）得到的蠕變數(shù)據(jù)用式（1）進(jìn)行擬合（見圖7），可知-10℃的長期強(qiáng)度為6.112 MPa、相關(guān)系數(shù)為0.996，- 1.5℃的長期強(qiáng)度為1.843 MPa、相關(guān)系數(shù)為0.879。

第一拐點(diǎn)法以第一拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為依據(jù)，而蠕變速率法把穩(wěn)定蠕變階段的軸向蠕變速率作為擬合求解長期強(qiáng)度的依據(jù)，兩者對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)本文方法需要算出速率，求解一段直線的斜率，不需要人為找出拐點(diǎn)，一定程度上避免了人為誤差，因此推薦該方法作為確定蠕變長期強(qiáng)度的主要方法。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)力水平較低時(shí)，試樣發(fā)生衰減型蠕變;應(yīng)力水平較高時(shí)，試樣發(fā)生非衰減型蠕變，蠕變的各個(gè)階段所占時(shí)間與應(yīng)力水平直接相關(guān)。

（2）當(dāng)試樣發(fā)生衰減型蠕變時(shí)，體積表現(xiàn)為體縮，體應(yīng)變與時(shí)間大致成線性關(guān)系：當(dāng)試樣發(fā)生非衰減型蠕變時(shí)體積表現(xiàn)為體脹，在非穩(wěn)定和穩(wěn)定蠕變階段體積隨時(shí)間線性膨脹，進(jìn)入加速蠕變階段時(shí)體積隨時(shí)間加速膨脹，體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變線性增加;溫度、應(yīng)力水平和蠕變類型是影響體應(yīng)變由體縮到體脹的因素。

（3）衰減型蠕變，軸向應(yīng)變速率隨時(shí)間逐漸減小，蠕變開始階段蠕變量占蠕變總量的80%以上：非衰減型蠕變，軸向應(yīng)變速率隨時(shí)間呈U形曲線，各個(gè)蠕變階段軸向應(yīng)變速率的大小和所占時(shí)間的長短與應(yīng)力水平直接相關(guān)。

（4）徑向應(yīng)變速率呈動(dòng)態(tài)波動(dòng)，衰減型蠕變時(shí)，徑向應(yīng)變速率在零附近波動(dòng)，最終趨向零：非衰減型蠕變時(shí)，徑向應(yīng)變速率在蠕變前兩個(gè)階段數(shù)值較小，在負(fù)值處動(dòng)態(tài)波動(dòng)，進(jìn)入加速蠕變階段后，徑向應(yīng)變速率加速增大，試樣鼓曲破壞。

（5）蠕變速率法確定長期強(qiáng)度與第一拐點(diǎn)法理論類似，在操作上一定程度減少了人為誤差，因此該方法可作為確定蠕變長期強(qiáng)度的主要方法。

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