原狀凍土Ⅱ型非線(xiàn)性斷裂韌度實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究-

1、原狀凍土型非線(xiàn)性斷裂韌度實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究*論文導(dǎo)讀:：由于原狀凍土處于自然狀態(tài)下，其本構(gòu)關(guān)系及水分、溫度的分布符合實(shí)際狀態(tài)，而且其實(shí)際破壞形式往往是非線(xiàn)性的剪切破壞，所以本文采用了非線(xiàn)性?xún)鐾翑嗔褜?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)自然狀態(tài)下的原狀凍土進(jìn)行了斷裂破壞實(shí)驗(yàn)，著重對(duì)型斷裂當(dāng)式式中 即為非線(xiàn)性能量釋放率的臨界值，也稱(chēng)為非線(xiàn)性斷裂韌度。以型斷裂的四點(diǎn)彎曲試樣為例式中的是曲線(xiàn)中直線(xiàn)段的斜率，是裂紋長(zhǎng)度的函數(shù)，有： ，是材料常數(shù)，和，同樣由實(shí)驗(yàn)確定。由曲線(xiàn)可知，當(dāng)位移到達(dá)時(shí)，應(yīng)變能將將當(dāng)載荷到達(dá)臨界值時(shí)，那么由上式得到非線(xiàn)性斷裂韌度：22基于修正因子的非線(xiàn)性斷裂韌度測(cè)試方法用修正因子法確定非線(xiàn)性斷裂韌度可表達(dá)為：式中：

2、型斷裂非線(xiàn)性斷裂韌度；非線(xiàn)性修正因子；型斷裂的表觀斷裂韌度，即未考慮非線(xiàn)性影響的斷裂韌度。下面分別說(shuō)明和確實(shí)定方法。1表觀斷裂韌度的測(cè)定由四點(diǎn)彎曲試樣可知見(jiàn)圖3，在裂紋面的剪切力，因此剪應(yīng)力可求：相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子為【5】：當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界值，也就是載荷到達(dá)最大值時(shí)，即為：其中：，裂紋長(zhǎng)度由著色滲透法確定。那么定義修正因子為：3試驗(yàn)設(shè)計(jì)31土質(zhì)及試樣制備 W 圖3人工切口、預(yù)制裂紋的四點(diǎn)彎曲試樣尺寸及其受力圖Fig.3 the dimension of four-pointbending specimen由于現(xiàn)場(chǎng)施工取原狀凍土難度極大，采用了多種方案，盡量將原狀土的內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)保持完整實(shí)驗(yàn)研究，防

3、止對(duì)其原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，取土前先去掉30cm厚的表層土以免由于表層土因受到人為活動(dòng)而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)被破壞,影響試驗(yàn)結(jié)果，再在取土場(chǎng)人工開(kāi)挖出長(zhǎng)、寬、高分別為80cmx80cmx40 cm見(jiàn)方的較大土塊，然后用人工鑿取的方法將大土塊做成略大于試樣尺寸的土塊，如圖4所示。最后用震動(dòng)較小的電鋸人工切割成滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的光滑試樣。將切好的試樣迅速用塑料薄膜包好、編號(hào)并測(cè)量試樣尺寸，放入保溫箱中以防止試樣溫度改變和水分的散失。將其在保溫箱中恒溫至少24h以上 圖4 現(xiàn)場(chǎng)取土照片 Fig.4 the photo of originalstate frozen soil at field3.2 試樣初始裂紋的制

4、作及測(cè)量試樣的初始裂紋制備是個(gè)難點(diǎn)，按照平面應(yīng)變條件裂紋尖端要求極尖，這對(duì)原狀凍土來(lái)說(shuō)極其困難，以往方法是先在制備試樣時(shí)插入楔型木片涂潤(rùn)滑油便于脫模，以制備初始缺口。在此根底上，再用鉬絲鋸加工尖裂紋，裂尖半徑可達(dá)。此方法的缺點(diǎn)是制作的初始裂紋尖端并非極尖，而且這樣的初始裂紋并不能準(zhǔn)確的反映出試樣裂紋尖端擴(kuò)展的本質(zhì)。為了改良初始裂紋制備方法，本試驗(yàn)借鑒了巖石斷裂力學(xué)中所采用的制作方法，先從保溫箱中迅速取出一組試樣，隨后用鉬鋸鋸開(kāi)初始裂紋，保證裂紋平直，而后將試樣放在試驗(yàn)臺(tái)上先加載到最大力直到試樣破壞，可以得到它們的最大值，再根據(jù)所得到的計(jì)算出值。這樣我們就可以將每一個(gè)試樣預(yù)先加載到值，使其在原有

5、木鋸初始裂紋開(kāi)口的根底上制造出裂紋尖端。這樣制作出來(lái)的裂紋尖端比傳統(tǒng)的方法制作出來(lái)的裂紋尖端不僅能夠滿(mǎn)足按平面應(yīng)變條件要求的裂紋尖端極尖，而且能夠準(zhǔn)確的反映出試樣裂紋擴(kuò)展區(qū)的實(shí)際情況，因此，使試驗(yàn)更復(fù)合實(shí)際、更具有可靠性。 裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量也是個(gè)難點(diǎn)，從前的方法是將試樣壓斷后，在斷口平面等間距直接量出三個(gè)值后取平均值作為計(jì)算裂紋長(zhǎng)度，這種做法由于裂紋尖端的模糊不清而存在著很大的誤差。為了克服由此產(chǎn)生的誤差，我們同樣參照巖石斷裂測(cè)試方法，利用在低溫下仍然有較好液性的柴油作為染料，在裂紋切口處均勻噴灑少量柴油，使其均勻沿裂縫下滲直達(dá)裂紋尖端，這樣一來(lái)當(dāng)試樣被壓斷后實(shí)驗(yàn)研究，在斷面處可以的看到由于柴油

6、下滲到裂紋尖端而留下的清晰印記，以此為依據(jù)，便可以比擬準(zhǔn)確的測(cè)量出裂紋的尺寸了3.3 試驗(yàn)裝置本試驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了改造，將三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)臺(tái)倒置懸掛于上端，在下端采用油壓千斤頂加力，這樣有利于對(duì)試樣應(yīng)用著色法測(cè)量裂紋尺寸。如圖5所示，這樣做的好處是使得采用著色法的液體染料能夠沿著裂紋擴(kuò)展方向滲透，并留下清晰的印記，以便于裂紋尺寸的測(cè)量。而后利用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，繪出及曲線(xiàn)。圖5 試驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.5 the photos of experimentalequipment4.試驗(yàn)結(jié)果1原狀凍土試驗(yàn)除了要保持土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)外，還考慮土的凍結(jié)歷史，可以測(cè)試在不同凍結(jié)歷史條件下的斷裂韌度，

7、為此，對(duì)當(dāng)?shù)囟镜販丶皟雒浟侩S時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了測(cè)量，進(jìn)而使試驗(yàn)?zāi)軌蚩刂圃谠撘?guī)律下進(jìn)行。2試樣在相同的加載速率、相同的天然含水率為和相同的溫度變化規(guī)律與該種土質(zhì)在實(shí)際相同深度處的凍土溫度變化規(guī)律相同情況下，可以得到如圖8所示的曲線(xiàn)圖，從圖6中可以清楚的看出：荷載在到達(dá)破壞之前有明顯的塑性變形，說(shuō)明此種凍土具有明顯的彈塑性屬性。 當(dāng)載荷到達(dá)最大值時(shí)試樣斷裂，對(duì)于四點(diǎn)彎曲一般斷裂時(shí)會(huì)有一個(gè)開(kāi)裂角，如圖7所示，開(kāi)裂角的角度值列于表1中。 圖7試樣斷裂后的開(kāi)裂角 Fig.7 the crack angle of the specimen 試樣尺寸 臨界荷載 等效剪切力 非線(xiàn)性斷裂韌度 開(kāi)裂角 KT-

8、1 4.32 39.9 9.7 11.2 8.33 2.78 56.69 61 KT-2 4.17 42.4 10.4 9.8 6.11 2.04 24.61 64 KT-3 4.02 39.3 11.1 9.6 9.47 3.16 41.92 65 KT-4 4.69 41.3 10.4 10.8 8.27 2.76 57.71 78 KT-5 4.11 39.5 9.9 10.2 9.07 3.02 61.01 55 KT-6 4.26 41.0 10.2 10.5 8.07 2.69 53.37 58 KT-7 4.34 41.5 11.3 10.3 5.33 1.78 14.19 49

9、 KT-8 4.35 41.1 10.4 10.0 4.67 1.56 12.61 52 假定上述關(guān)系對(duì)非線(xiàn)性情況也同樣成立，假設(shè)取3時(shí)的400MPa，0.25，那么將換算為實(shí)驗(yàn)研究，并與實(shí)測(cè)比擬，除兩個(gè)試樣誤差較大，其余的根本是一致的，其結(jié)果列在表3中。表3將換算為與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相比照的結(jié)果Tab.3 the comparisonbetween the value of calculatedform andthe value of formthe experiment 試樣編號(hào) 換算的 實(shí)測(cè)的 誤差 KT-1 0.153 55.07 56.69 2.94% KT-2 0.103 24.84 2

10、4.61 0.94% KT-3 0.136 43.38 41.92 3.37% KT-4 0.16 60.23 57.71 4.19% KT-5 0.166 64.67 61.01 5.66% KT-6 0.135 42.91 53.37 24.39% KT-7 0.077 13.82 14.19 2.70% KT-8 0.085 16.96 12.61 25.66% 5.結(jié)論1本文的研究是針對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)的土質(zhì)所進(jìn)行的原狀凍土斷裂力學(xué)試驗(yàn)。由于凍土工程中經(jīng)常發(fā)生剪切的破壞形式，所以著重對(duì)型斷裂剪切破壞的四點(diǎn)彎曲直裂紋試樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。并用染色劑對(duì)裂紋尺寸采用著色法觀測(cè)。通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)進(jìn)行分層凍

11、脹量的觀測(cè)，得出不同埋深處的凍脹量、凍融的關(guān)系，并以此來(lái)嚴(yán)格控制試樣制作、試驗(yàn)時(shí)的溫度，對(duì)原狀凍土的型非線(xiàn)性應(yīng)變能量釋放率和非線(xiàn)性斷裂韌度進(jìn)行測(cè)試研究，這是對(duì)原狀凍土非線(xiàn)性斷裂力學(xué)試驗(yàn)的進(jìn)一步的探索和嘗試，它為今后進(jìn)一步的研究工作奠定了根底。2本文給出了關(guān)于凍土的兩種非線(xiàn)性斷裂韌度測(cè)試方法的結(jié)果，分別是基于能量平衡的測(cè)試方法和基于修正因子的測(cè)試方法，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以相互參照，靈活運(yùn)用。3由于原狀凍土完全處于自然狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)及內(nèi)部缺陷隨機(jī)性較大，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所采集的數(shù)據(jù)有一定的離散性，因此需要更多的試樣和大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使結(jié)果與實(shí)際情況相符。參考文獻(xiàn)【1】吳紫汪，馬巍.凍土

12、強(qiáng)度與蠕變。蘭州：蘭州大學(xué)出版社，1994。(WuZ W, Ma W. Frozen soil strength and creep. Lanzhou, Lanzhou UniversityPress.)【2】李洪升，朱元林.凍土斷裂力學(xué)及其應(yīng)用。北京：海洋出版社，2002.Li H.S., Zhu Y.L, FractureMechanics of Frozen Soil and Its Application. Beijing, China Ocean Press. 2002.?！?】李洪升，劉增利，朱元林。凍土斷裂韌度測(cè)試的理論和方法。巖土工程學(xué)報(bào)，2000，221：61-65。(Li

13、H.S., Liu Z L, Zhu Y.L. Theory and methods on testsof the fracture toughness K_(c) of frozen soil. Chinese Journalof Geotechnical Engineering, 2000，221：61-65.)【4】Wang Yuedong，Li Hongsheng，Liu XiaoZhou. The experiment research of nonlinear mode fracturetoughness for the original state frozen soil，the 11thexperimental mechanics conference of china，2005：377-386【5】王鐸.斷裂力學(xué)，南寧：廣西人民出版社，1982，74-76。(Wang F. Fracture Mechanics. Nanning: Guangxi PeoplePress.)【7】Xu, X-P andNeedleman, A. Numerical simulations of