人工冻结黏土单轴蠕变本构关系研究.pdf

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1、DOI：10．3969／j．issn．1672—4011．2014．06．051人工冻结黏土单轴蠕变本构关系研究逯智超(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001)摘要：通过对黏土进行重塑，在不同温度与应力的条件下对其进行单轴蠕变试验并获得应变与时间的关系曲线；再对常用元件模型进行添加删除元件，组合出适用于工程实践的模型，由此推出应变与时间的对应函数；最后，在origin中对试验曲线进行拟合。拟合结果表明：所得函数能够较好地反映试验结果，可用于工程实践。关键词：人工冻土；蠕变；元件模型；本构中

2、图分类号：TU41l文献标志码：B文章编号：1672—4011(2014)06—0115—020前言自1880年德国工程师P．H．Poetsch提出人工地层冻结法(ArtificiallyGroundFreezingMethod)原理并应用于凿井工程至今已有120多年历史。我国首次于1955年在开滦林西风井采用冻结法凿井并获得成功。此后，冻结法在我国主要用于不稳定含水地层的凿井工程。随着我国地下工程的增多，冻结法逐渐由矿井建设工程向土木工程领域推广应用‘“。人工冻土最显著的特点是蠕变。而蠕变则是导

3、致矿井施工事故多发的最主要的原因。因此，对冻土蠕变性质的研究，对于工程实践具有极为重要的意义。汪仁和针对用幂函数关系回归冻土蠕变方程中所存在的一些问题，提出采用加权最小二乘法来处理实验后期的数据，结果表明这一方法对确定冻土稳定蠕变的起始点和计算冻土结构变形量有一定的意义怛。；乾增珍提出了以时间增量法为基础的复杂应力状态下人工冻土蠕变有限元数值模拟计算公式，并运用ANSYS对陈四楼煤矿主井一304m水平冻结壁蠕变位移进行模拟计算，证明了数值模拟可检验蠕变本构关系的正确性，提供了一种实用的人工冻土蠕变

4、计算方法∞j；高广运对安徽临涣矿区黏土进行了冻土单轴蠕变试验，发现随着加载应力的增大，破坏时间缩短，最小蠕变速率加快，特别当压力大于1．3MPa时更为明显，破坏应变先增加后减小，加载条件相同时，冻结温度越低，破坏时间越长，最小蠕变速率越慢，一IO。C时破坏应变最大的结论”j；马小杰研究了高温一高含冰量冻土的蠕变特性，证明了无论应力多大、作用时间多长，高温一高含冰量冻结黏土单轴压缩蠕变过程都具有衰减特征，并得出了高温一高含冰量冻结黏土单轴压缩蠕变方程、应力一应变关系和长期强度方程的参数pj。综上，本

5、文主要对冻结黏土进行了蠕变试验研究，推出了一个适用于工程实践的蠕变本构关系式。作者简介：逯智超(1989一)，男，在读硕士研究生，主要研究方向：岩土工程。1冻土单轴蠕变试验本文试验方法严格按照MT／T593—2011《人工冻土物理力学性能试验》∞‘执行。试样尺寸均为∞0×100mm的标准试件，在低温箱内固结稳定后，恒温冻结养护24h，再进行试验。试验设备采用自行研制的WDT-100型微机控制电液伺服冻土单轴试验机，该试验机由加载系统、低温系统、伺服控制系统、量测系统及计算机系统五部分组成。设备主要

6、技术指标为：轴向最大加载能力1130kN，低温系统最大制冷能力为一40℃，温度不均匀度为±0．3℃，温度显示精度为0．1oC。为了确定蠕变试验的加载应力，首先，分别在一5，一10，一15℃条件下进行单轴试验，每组三个试样。单轴试验结果如表1所示。表1单轴破坏应力根据表l结果蠕变试验加载应力取5级，分别为0．1，0．3，0．5，0．7，0．9MPa。单轴蠕变试验采用多式样法进行，试验温度为一5，一10，一15℃。图l为蠕变试验结果。零＼∞斟倒时间，h时间，}l012345678时间，ll图1蠕变试验

7、结果2冻土蠕变本构推导冻土的蠕变是指在常值应力持续作用下，冻土的变形随时间而持续增长的过程‘7j。冻土的蠕变一般可分为两种类型，分别为衰减型蠕变和非衰减型蠕变。工程实践中一般只考虑衰减型蠕变，故本文对冻土衰减型蠕变的本构进行了分析。冻土蠕变本构的研究大多是基于流变的模型理论来进行的。常见的流变模型有西原体、开尔文体、广义开尔文体、伯格斯体和宾厄姆体等。不同的流变模型适应不同的变形情况，如开尔文体、伯格斯体属于粘弹性体，而宾厄姆体、西原体属于粘弹塑性体；广义开尔文体适于描述最终趋于稳定的蠕变，伯格斯

8、体适于描述有衰减和流动阶段的蠕变，宾厄姆体只适于描述流动阶段，而西原体既可以描述衰减蠕变也可以描述非衰减蠕变"j。图2所示为常用流变模型。西原体模型伯格斯体模型。四啦开尔文体模型广义开尔文体模型宾厄姆体模型图2常用流变模型根据图1试验结果，在开尔文体模型上串联一个粘壶元件得到了图3所示模型。此模型为粘弹性模型，通过调整叩。的大小可以控制蠕变曲线后期增长速率，而开尔文体可以控制初始阶段的变形，两者结合能过较好的模拟蠕变试验结果。由以上可得：图3粘弹性模型式中，or。、占。为粘壶所受应