冻土动力学特性分析

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1、第４１卷增刊人民长江Ｖｏｌ．４１，Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ２０１０年１１月ＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＮｏｖ．，２０１０文章编号：１００１－４１７９（２０１０）Ｓ１－０１０９－０４冻土动力学特性分析１１２３４王宁，巩立亮，马晨曦，常颜彬，王越（１．黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州４７５００３；２．河南黄河河务局信息中心，河南郑州４５０００３；３．河南孟州黄河河务局，河南焦作４７２３００；４．黄河水利职业技术学院，河南开封４７５００３）摘要：在我国广泛分布的特殊土—冻土具有独特、复杂的动力学性质和较高的致灾性，与之相关的动力学问题已成为工程界关注的焦点。为了满足在振动荷载作用下冻

2、土地基基础设计的需要，近几年来进行了大量冻土动力学性能研究，包括冻土的动蠕变和动强度。从一些参数和动强度角度介绍了冻土动力学的研究现状，概述了研究和试验的过程以及从中得出的结论，并就今后的研究方向和研究重点提出了的建议。关键词：冻土；动蠕变；动强度；动力学参数；动力学特性中图法分类号：Ｐ６４２．１４文献标志码：Ａ冻土的动力学特性是寒区地球物理勘探、爆破开（即强度试验）两种。恒应力幅值动荷载试验是施加挖工程、抗震及有振动机械的建筑设计的重要依据之正弦变化的轴向循环周期荷载，但应力幅值保持恒定，一。我国大部分季节性冻土区都属于地震活动区，开即：展冻土区地震反应研究，对冻土区工

3、程建设有着十分Ｐｍｉｎ＝０（１）重要的意义。另外，随着寒区工程建设的迅速发展，现Ｐｍａｘ＝Ｃｏｎｓｔａｎｔ（２）有的一些理论和方法已经满足不了工程建设的需求，Ｐｍａｘ２ＰＰ＝（１＋ｓｉｎ）（３）ｄ因而要求人们必须对冻土的动力特性进行系统而深入２Ｔ的研究。本文将主要从动强度和动力学参数方面来介恒应变速率等幅动应变试验是控制应变变幅的绍冻土动力学的研究现状。上、下界随时间以同一速率等速增长，且应变变幅保持不变。１冻土的动力学参数及测试方法１．１．２共振柱法冻土的动力学参数主要有动弹性模量Ｅ、动剪切－５－３ｄ共振柱法适用于小应变（１０～１０）、高频率模量Ｇｄ和动阻尼比η及泊松比

4、μ。（几赫兹到几百赫兹）范围测试，是无损检测。根据共１．１参数测试方法振原理，在一个圆形试样上施加纵向激振力或扭转激振力，改变振动频率，使其产生共振，由共振频率、试样目前，用于冻土动力学参数测试的主要手段有动尺寸、边界条件求得试样的动模量，计算公式为：三（单）轴试验法、共振柱法和波速法。２ＰｆＨｎ２１．１．１动三（单）轴试验法Ｅｄ＝Ｑ（）（４）Ｂ１－４－１动三（单）轴试验法适用于大应变（１０～１０）、２ＰｆＨｎＧ＝Ｑ（）（５）ｄ低频率（零点几赫兹到十几赫兹）范围测试，可以模拟Ｂｓ地震动荷载作用，是目前使用最多的一种方法。围压式中，ｆ为共振频率；阻尼比通过自振法得到，即给试

5、ｎＲ３＝０时为动单轴试验。加载方式分恒应力幅值动荷件施加一个初始角位移，之后突然释放，试样就处于自载（即蠕变试验）和恒应变速率等幅动应变振动试验由振动状态。计算公式为：收稿日期：２０１０－１０－１９作者简介：王宁，男，助理工程师，主要从事土工试验工作。Ｅ－ｍａｉｌ：５０３７２３０７＠ｑｑ．ｃｏｍ１１０人民长江２０１０年１ＡＮ一的方程来描述，即：η＝ｌｎ（６）２ＰｍＡＮ＋ｍＥｄ／Ｇｄ＝ＡｌｎＨ＋Ｂ（１０）式中，ＡＮ为第Ｎ次的振幅，ＡＮ＋ｍ为第Ｎ＋ｍ次的振幅。式中，Ｈ为负温绝对值；Ａ和Ｂ是与土质和含水率有关１．１．３波速法的参数。而且，颗粒越粗，动弹性模量和动剪切模量就越大。

6、冻土的动泊松比随着温度的降低而减小。波速法也是无损检测，模拟地震波在土体中的传播，利用声波仪测得纵波及横波波速，从而求得土的动弹性模量、动剪切模量及动泊松比，计算公式为：２２４２３ρＶ（Ｖ－Ｖ）ＳＰＳ３Ｅ＝（７）ｄ２２Ｖ－ＶＰＳ２Ｇ＝ρＶ（８）ｄＳ２２Ｖ－２Ｖ图１动弹性模量与温度关系ＰＳμ＝（９）２２２（Ｖ－Ｖ）ＰＳ式中，Ｖ为纵波波速；Ｖ为横波波速；ρ为密度。ｐｓ１．２冻土动力学特性分析１．２．１动弹性模量、动剪切模量和动泊松比冻土的动弹性模量Ｅ和动剪切模量Ｇ是冻土动ｄｄ力学参数中的重要指标，影响它们的主要因素有土质、图２动剪切模量与温度关系含水量、温度、围压、频率、应变

7、幅值和应力等。目前已得到普遍认可并通过３种试验方法都得到的结论是：（１）冻土的动弹性模量Ｅ与动剪切模量Ｇ的变ｄｄ化规律相似；（２）土质不同，Ｅ不同，冻土的Ｅ比未冻土的大ｄｄ两个量级或更多，粗颗粒土的Ｅ大于细颗粒土的Ｅ；ｄｄ（３）动模量随温度降低而增大，随频率加快而变图３动泊松比与温度关系大，随应变幅值的增大而减小。图４～６为一定温度下冻结粘土与冻结黄土的动（４）随着围压的增大，Ｅ总体上呈现出降低的趋ｄ弹性模量、动剪切模量及动泊松比随含水率的变化曲势，这种趋势在粗粒土中的表现比细粒土的较为明显，线。此外，可能还存在一个临界围压，