动荷载作用下冻土孔隙水压力变化与变形特性研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lanqishi1989
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冻土地基在长期动荷载的往复作用下容易产生较大的蠕变变形甚至造成结构的破坏。因此,冻土地基之上的寒区构筑物容易产生不均匀沉降、裂缝等病害,不仅对工程建筑的长期稳定运营造成威胁,同时对后期的工程维护也造成了巨大的经济损失和资源浪费。高温冻土则是造成地基发生变形的主要原因之一。高温冻土是指温度处于-1.5℃~0℃的冻土,因为处于相变区间,所以高温冻土内部有大量的未冻水。在动荷载长期作用下会产生较大孔隙水压力,且孔隙水压力变化呈现出显著升高和消散现象,而孔隙水压力的变化则能引起冻土应力场的变化。在动荷载作用下,土体内部会出现土颗粒相互挤压错位、孔隙冰压融及重新冻结、微裂隙的发育和发展等演变,这些变化会使冻土内产生损伤,对冻土的宏观变形特性产生影响。此外,动荷载作用下冻土内部分机械能会转化为热能,引起土体温度升高,未冻水含量增加,导致土体力学性能劣化。因此,研究动荷载下高温冻土孔隙水压力变化、土体变形及土体温度变化对研究冻土地基稳定性具有重要意义。本文开展了动荷载下高温冻土温度变化试验、高温冻土动荷载三轴形变试验、侧限高温冻土动荷载体积变形试验。选择了不同初始干密度、不同试验温度、不同动应力幅值及不同振动频率条件,研究动荷载下土体温度变化、孔隙水压力变化及土体的变形特性。通过CT细观结构试验,分析了随动荷载作用时间增加的冻土细观结构的演变过程。得到了以下主要结论:(1)在动荷载作用下,冻土内部温度会升高,动应力幅值越大,升温速率越快。冻土升温幅值受试样是否破坏以及达到破坏时间长短影响,温度持续升高的试样,最终都会出现破坏变形。未出现破坏现象的试样其内部温度在增长至一定值后保持稳定或出现下降,这是试样与环境温度进行热交换导致的。相同应力幅值动荷载,振动频率在1-7Hz范围内时,随着频率的增大,土体温度升高速率增大。(2)根据冻土孔压变化曲线与累积应变曲线发现:孔隙水压力会随着试样应变发展产生变化。动荷载加载初期,累积变形增速较快,孔压随之快速增长。当试样累积应变达到一定值时引发土体产生裂隙等结构缺陷,孔压随之出现消散;当累积应变较小,土体无微缺陷产生时,孔压未出现明显消散。在相同的动荷载幅值下频率对累积应变的影响为:在1-7Hz频率范围内,随着振动频率增大,应变速率和孔压增速随之增大。冻土温度较高,试样干密度较小时,孔压动应力响应更迅速,累积应变速率也更快。(3)侧限冻土横向变形受限,动荷载作用下土体结构以强化效应为主,土体应变速率逐渐趋于平缓,孔压长期保持稳定或波动增长趋势,未出现明显消散现象。冻土试验温度升高,土体抵抗压缩变形的能力减弱,应变量增大,应变曲线呈稳定增长态势,孔隙水压力增量较大。在-1℃下,试样干密度较小时,土体内未冻水含量较多,土骨架较为疏松,动荷载作用下,孔压增速和应变速率较快,孔压增幅和累积应变量大。在振动频率一定时,动应力幅值增大,冻土结构压密越显著,压密过程越剧烈,土体应变速率和孔隙水压力增速随之增大,孔压增幅和累积应变量也增大。(4)三轴试验后CT扫描显示,动荷载加载过程前期冻土试样局部会有微裂隙的产生和闭合,即动荷载下冻土内部存在强化和弱化共同作用。冻土加载中后期损伤以塑性滑移为主,呈现出结构性弱化,试样中下部断面微裂纹逐渐加宽加长形成裂隙,最终导致土体累积变形过大而破坏。
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