冻融循环作用下冻结掺和土料动力特性研究

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0012

摘要/Abstract

摘要：

冻融循环作用是寒区土体力学性质改变的主要影响因素之一。为研究冻融循环作用下寒区冻结掺和土料的动力特性（包括动变形和动强度），以寒区高土石坝砾石掺和土坝料为研究对象，采用低温振动三轴材料试验机，对不同冻融循环次数（0、5、20次）下的冻结掺和土试样进行不同围压和不同动应力幅值比条件下的低温动力循环三轴试验，探讨冻融循环作用对冻结掺和土料的动应力-动应变关系，体变、滞回曲线，轴向累积应变，动回弹模量，残余应变以及动强度的影响。结果表明：随着冻融循环作用的增加，冻结掺和土料的动应力-动应变曲线和体变曲线逐渐稀疏，且试样达到破坏应变的振动次数呈线性减小。通过对不同冻融循环次数下冻结试样的滞回曲线、轴向累积应变、残余变形的研究，发现冻融循环作用使得试样抵抗变形的能力下降。随冻融循环次数的增加，试样的动回弹模量减小，动强度逐渐降低，试样更容易发生破坏。研究结果较好地解释了冻结掺和土料在冻融循环作用下动力变形的机制，可为基于动力变形控制的寒区工程基础设计提供科学参考。

关键词: 冻结掺和土料, 冻融循环, 动力循环三轴试验, 动力特征

Abstract:

To investigate the dynamic properties （including the dynamic deformation and dynamic strength） of frozen mixed soils subjected to the freeze-thaw cycles， a series of cyclic dynamic experiments were conducted through a cryogenic triaxial apparatus. With the variation of freeze-thaw cycles， a conspicuous influence on the dynamic stress-strain behaviors， volumetric strain curves， hysteresis loop， accumulative axial strain， dynamic resilient modulus， residual deformation， and dynamic strength of frozen mixed soil was analyzed. The results show that：（1） With the increase of the freeze-thaw cycles， the dynamic stress-strain curves and dynamic volumetric strain curves of frozen mixed soil gradually become looser， and the number of failures decreases linearly；（2） The action of freeze-thaw influences the variation of the hysteresis loop， the accumulative axial strain， the dynamic resilient modulus， and the residual deformation of frozen mixed soil， leading an unacceptable deformation；（3） The dynamic resilience modulus and the dynamic strength of frozen mixed soil are reduced with the number of freeze-thaw cycles increased.

Key words: frozen mixed soil, freeze-thaw cycle, dynamic triaxial test, dynamic mechanical properties

中图分类号:

P642.14

王丹, 刘恩龙, 杨成松. 冻融循环作用下冻结掺和土料动力特性研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 524-534.

Dan WANG, Enlong LIU, Chengsong YANG. Influence of the freeze-thaw cycles on dynamic mechanical properties of frozen mixed soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(2): 524-534.

图/表 17

图1

表1

图2

图3

图4

图5

图6

表2

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

参考文献 29

1	Zhang Ga， Zhang Jianmin. Study on behavior of coarse grained soil and its modeling［J］. Rock and Soil Mechanics， 2004， 25（10）： 1587-1591.
	张嘎，张建民. 粗颗粒土的应力应变特性及其数学描述研究［J］. 岩土力学， 2004， 25（10）： 1587-1591.
2	Wang Shengnian， Zhu Yin， Ma Wei， et al. Effects of rock block content and confining pressure on dynamic characteristics of soil-rock mixtures［J］. Engineering Geology， 2021， 280： 105963.
3	Hu Feng， Li Zhiqing， Tian Yifan， et al. Failure patterns and morphological soil-rock interface characteristics of frozen soil-rock mixtures under compression and tension［J］. Applied Sciences， 2021， 11（1）： 461.
4	Zhang Ze， Ma Wei， Qi Jilin. Structure evolution and mechanism of engineering properties change of soils under effect of freeze-thaw cycle［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2013， 43（6）： 1904-1914.
	张泽，马巍，齐吉琳. 冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理［J］. 吉林大学学报（地球科学版）， 2013， 43（6）： 1904-1914.
5	Wang Dan， Yang Chengsong， Cheng Guodong， et al. Experimental study on pore water pressure and microstructures of silty clay under freeze-thaw cycles［C］//Transportation Soil Engineering in Cold Regions， Volume 2， 2020： 239-254.
6	Wang Dayan， Ma Wei， Chang Xiaoxiao， et al. Physico-mechanical properties changes of Qinghai-Tibet clay due to cyclic freezing and thawing［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2005， 24（23）： 4313-4319.
	王大雁，马巍，常小晓，等. 冻融循环作用对青藏黏土物理力学性质的影响［J］. 岩石力学与工程学报， 2005， 24（23）： 4313-4319.
7	Qi Jilin， Ma Wei， Song Chunxia. Influence of freeze-thaw on engineering properties of a silty soil［J］. Cold Regions Science and Technology， 2008， 53（3）： 397-404.
8	Chang Dan， Liu Jiankun. Review of the influence of freeze-thaw cycles on the physical and mechanical properties of soil［J］. Sciences in Cold and Arid Regions， 2013， 5（4）： 457.
9	Liu Jiankun， Chang Dan， Yu Qianmi. Influence of freeze-thaw cycles on mechanical properties of a silty sand［J］. Engineering Geology， 2016， 210： 23-32.
10	Broms B B， Yao L Y C. Shear strength of a soil after freezing and thawing［J］. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division， 1964， 90（4）： 1-25.
11	Chuvilin E M， Yazynin O M. Frozen soil macro-and-microstructure formation ［C］//Proceeding of the 5th International Conference on Permafrost. Norway： Trondheim， 1988， 320-323.
12	Wang Jiacheng， Xu Xiaozu， Wang Yujie. Thermal sieve effect and convectional migration of soil particles during unidirectional freezing［J］. Journal of Glaciolgy and Geocryology， 1996， 18（3）： 252-255.
	王家澄，徐学祖，王玉杰. 单向冻结时土颗粒位移的热筛效应及对流迁移［J］. 冰川冻土， 1996， 18（3）： 62-65.
13	CHRISTOPHER S， CHRISTOPHER G. Freeze-thaw effects on Boston blue clay［J］. Journal of Engineering and Applied Science， Soil Improvement for Big Digs， 1998， 81： 161-176.
14	Lu Zheng， She Jianbo， Wu Xiaowen， et al. Cumulative strain characteristics of compacted soil under effect of freeze-thaw cycles with water supply［J］. Transportation Geotechnics， 2019， 21： 100291.
15	Kong Xiangxun， Tian Shuang， Tang Liang， et al. Dynamic behavior of coarse-grained materials with different fines contents after freeze-thaw cycles under multi-stage dynamic loading： Experimental study and empirical model［J］. Cold Regions Science and Technology， 2020， 175： 103078.
16	Tian Shuang， Tang Liang， Ling Xianzhang， et al. Experimental and analytical investigation of the dynamic behavior of granular base course materials used for China’s high-speed railways subjected to freeze-thaw cycles［J］. Cold Regions Science and Technology， 2019， 157： 139-148.
17	Su Yongqi， Ma Wei， Zhong Xiumei， et al. Experimental study of influence of freeze-thaw cycles on dynamic nonlinear parameters of Qinghai-Tibet silty clay［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2020， 39（）： 2973-2985.
	苏永奇，马巍，钟秀梅，等. 冻融循环对青藏粉质黏土动力非线性参数影响的试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2020， 39（）： 2973-2985.
18	Li J C， Baladi G Y， Andersland O B. Cyclic triaxial tests on frozen sand［J］. Engineering Geology， 1979， 13（1/2/3/4）： 233-246.
19	Ma Wei， Wang Dayan. Mechanics of frozen soil［M］. Beijing： Science Press， 2014.
	马巍，王大雁. 冻土力学［M］. 北京：科学出版社， 2014.
20	Lai Yuanming， Xu Xiangtian， Dong Yuanhong， et al. Present situation and prospect of mechanical research on frozen soils in China［J］. Cold Regions Science and Technology， 2013， 87： 6-18.
21	Ling Xianzhang， Li Qionglin， Wang Lina， et al. Stiffness and damping radio evolution of frozen clays under long-term low-level repeated cyclic loading： experimental evidence and evolution model［J］. Cold Regions Science and Technology， 2013， 86： 45-54.
22	Zhang De， Li Quanming， Liu Enlong， et al. Dynamic properties of frozen silty soils with different coarse-grained contents subjected to cyclic triaxial loading［J］. Cold Regions Science and Technology， 2019， 157： 64-85.
23	Liu Enlong， Lai Yuanming， Liao Mengke， et al. Fatigue and damage properties of frozen silty sand samples subjected to cyclic triaxial loading［J］. Canadian Geotechnical Journal， 2016， 53（12）： 1939-1951.
24	Zhao Yanhu， Lai Yuanming， Pei Wansheng， et al. An anisotropic bounding surface elastoplastic constitutive model for frozen sulfate saline silty clay under cyclic loading［J］. International Journal of Plasticity， 2020， 129： 102668.
25	Xu Xiangtian， Zhang Weidong， Fan Caixia， et al. Effect of freeze-thaw cycles on the accumulative deformation of frozen clay under cyclic loading conditions： experimental evidence and theoretical model［J］. Road Materials and Pavement Design， 2021， 22（4）： 925-941.
26	Fan Caixia， Zhang Weidong， Lai Ying， et al. Mechanical behaviors of frozen clay under dynamic cyclic loadings with freeze-thaw cycles［J］. Cold Regions Science and Technology， 2021， 181： 103184.
27	Mu Yanhu， Zhu Xinyi， Yue Pan， et al. Monitoring investigation on winter freezing-thawing of dam core wall soils in cold regions［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2018， 40（4）： 756-763.
	穆彦虎，朱忻怡，岳攀，等. 寒区大坝心墙土料冬季冻融与防控监测［J］. 冰川冻土， 2018， 40（4）： 756-763.
28	Jiao Guide. Dynamic characteristics of warm frozen soils under long-term cyclic loading［D］. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2011.
	焦贵德. 长期循环荷载下高温冻土的动力特性研究［D］. 北京：中国科学院大学， 2011.
29	Zheng Yun， Ma Wei， Bing Hui. Impact of freezing and thawing cycles on structure of soils and its mechanism analysis by laboratory testing［J］. Rock and Soil Mechanics， 2015， 36（5）： 1282-1287， 1294.
	郑郧，马巍，邴慧. 冻融循环对土结构性影响的试验研究及影响机制分析［J］. 岩土力学， 2015， 36（5）： 1282-1287， 1294.

试样编号	围压/MPa	冻融循环次数N_F-T	动应力幅值比R
DT-M-01~12	0.3	0， 5， 20	0.80， 0.90， 0.98
DT-M-13~24	1.0	0， 5， 20	0.80， 0.90， 0.98
DT-M-25~36	1.4	0， 5， 20	0.80， 0.90， 0.98

[1]	张亮, 牛富俊, 刘明浩, 鞠鑫. 冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 366-375.
[2]	解邦龙, 张吾渝, 孙翔龙, 刘乐青, 刘成奎. 不同温控曲线对石灰改良黄土强度影响研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 262-274.
[3]	刘艺阗, 姚济敏, 赵林, 肖瑶, 乔永平, 史健宗. 青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1073-1082.
[4]	刘富荣,马巍,周志伟,张淑娟,穆彦虎,何鹏飞. 渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 523-534.
[5]	黄永庭, 马巍, 何鹏飞, 栗晓林. 不同荷载条件下冻土融化沉降过程试验研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 184-194.
[6]	程博远, 张玉芝, 王天亮, 温安, 尹赵爱. 基于荧光素和图像追踪技术的冻融循环作用下土体水汽迁移量测装置系统研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 322-330.
[7]	张向东, 任昆, 刘家顺. 不同冻结条件下辽西风积砂土动力参数试验研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1229-1237.
[8]	陈鑫, 张泽, 李东庆. 基于不同分形模型的冻融黄土孔隙特征研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1238-1248.
[9]	赵茜, 苏立君, 刘华, 杨金熹. 冻融循环对黄土渗透系数各向异性影响的试验研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 843-853.
[10]	路亚妮, 李新平, 韩燕华. 各向异性砂岩冻融力学特性研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 889-898.
[11]	原黎明, 赵林, 胡国杰, 马露, 周华云, 刘世博, 乔永平. 青藏高原中部典型下垫面活动层水热动态及其热扩散率研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 378-389.
[12]	张经双, 段雪雷, 马冬冬. 氯盐和冻融耦合下水泥土的强度和破坏特征[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 515-522.
[13]	恽晴飞, 张泽, 明姣, 付翔宇, 周成林, MELNIKOV Andrey. 冻融作用下砂土颗粒形态变化规律研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(1): 205-215.
[14]	程培峰, 王佳康. 冻融循环对原状过湿土固结变形特性的影响[J]. 冰川冻土, 2019, 41(4): 858-864.
[15]	陈涛, 毕贵权, 陈国良, 杨晗, 牛富俊, 穆彦虎, 罗京. 冻融循环对黏质粗粒土单轴抗压性能影响的试验研究[J]. 冰川冻土, 2019, 41(3): 587-594.