自动控温单轴蠕变仪研制

青藏铁路将要穿越的多年冻土大多属于高温冻土,其中近一半为高含冰量冻土。由于实验条件限制,人们对高温高含冰量冻土认识非常有限。对于青藏铁路沉降变形的预测却在一定程度上依赖于这部分力学参数确定。因此,研制适合高温冻土蠕变实验研究设备非常必要。该仪器利用现有冰箱制冷技术,外加一套控温技术和数据采集系统的技术。此设备设计新颖、控温精度高、加力系统稳定、节约能源、环保、移动方便等特点。很有实用价值,设备制冷控温部分和数据采集部分还可单独分开使用。     

冻结砂土的应力-应变关系及非线性莫尔强度准则

对于-6℃的冻结砂土进行一系列的试验,结果表明,当围压小于3.0MPa时,其应力–应变关系具有明显的应变软化现象;当围压大于3.0MPa时,其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述-6℃冻结砂土在围压大于3.0MPa时的应力–应变关系,邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0MPa时-6℃冻结砂土的应变软化特性,提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明,其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在,当围压大于一定值后,冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度,会产生较大的误差。为解决这一问题,提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明,其精度较高,比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

冻土动强度特性试验研究

在围压为0.3～16 MPa,频率为2 Hz,温度为-4和-6℃条件下,通过一系列恒应力幅循环动荷载试验,发现冻土动强度的变化不仅跟破坏振次的大小有关,而且与围压、循环荷载作用下土体吸收的有效能量(损失能)之间也存在一定关系。根据损失能获得试样温度的变化,将冻土动强度与温度直接联系起来,表明振动荷载作用下损失能累积造成的温度额外升高是控制冻土动强度变化特性的主要因素之一。     

用屈服与断裂配合模型对冻土力学行为的分析

为了对冻土实验研究中出现的各种现象给出符合力学原理的解释,提出一种屈服与断裂相配合的含裂纹材料模型。该模型在通常的连续介质模型中考虑了实际材料存在缺陷的因素。屈服的表征借助塑性力学的极限原理,断裂的表达应用了断裂力学中应力强度因子概念和断裂韧度的概念。先对各种常见影响因素进行分类,将影响因素分为强化性因素与软化性因素,再根据材料的一般特性研究两类因素对配合图上临界曲线所呈现的影响规律,最后应用模型分析得到的一般规律对冻土实验研究结果进行力学分析。本模型可以简明地给出材料失效的规律性,不仅可以进行线性化的单调变化趋势的分析,还可以进行非线性的极值变化趋势的分析。既可用于对已有试验结果的解释,也可进行影响因素的预测分析。     

低温作用下岩石基本力学性质试验研究

以江西红砂岩和湖北页岩为代表，分别进行不同冻结温度（-20℃～20℃）和不同含水状态（饱和与干燥）下的岩石单轴压缩试验与三轴压缩试验。试验结果表明，温度在-20℃～20℃变化时，红砂岩和页岩单轴抗压强度与弹性模量都基本随温度降低而增大，但温度变化对红砂岩强度的影响大于其对页岩强度的影响，且岩石的含水状态对岩石的冻结强度影响显著。温度在-10℃～20℃变化时，2种岩石的c，φ值都随温度降低而增大，但温度对红砂岩的影响大于温度对页岩的影响。通过对大量的试验数据进行分析，得到一系列有意义的拟合曲线及其关系表达式，可为研究低温及冻融循环影响的岩石基本力学性质研究提供可靠的试验依据。     

冻结粉土的动静蠕变特征比较

通过动、静荷载作用下冻结粉土的蠕变试验,发现在初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段,动蠕变的应变值小于静蠕变,而由于稳定蠕变阶段动蠕变的蠕变速率大,应变迅速增加,导致动蠕变的稳定蠕变阶段很短,迅速进入渐进流阶段,此时其应变值大于静蠕变;动、静蠕变的破坏特征与加载应力的变化趋势相同,但数值不同,动蠕变的破坏时间、破坏应变都小于静蠕变,最小蠕变速率值大于静蠕变,且加载应力越小,二者的差别越明显。     

冻土蠕变变形特征的细观分析

通过观测分析冻土单轴及三轴蠕变过程中细观结构的变化情况，发现蠕变过程中结构缺陷的增生与扩展制约着土结构的强化与弱化作用，控制着蠕变变形形态特征。易破坏区首先发生在样品的低密薄弱层面的薄弱区，对于单轴蠕变，在薄弱层面形成一环状低密带，然后向外扩展，最终导致整体结构的破坏；而对于三轴蠕变，在样品薄弱段的表面形成拉伸裂缝，然后向内扩展，最终导致整体结构的破坏。在单轴蠕变过程中冻土的体积随时间的发展而持续增加；三轴蠕变过程中冻土的体积随时间的发展而持续减小，仅当进入第三蠕变阶段后其体积有相对增大的趋势，但仍小于起始值。     

荷载振动频率对冻结兰州细砂蠕变特性的影响

通过一系列不同振动频率下的蠕变试验,分析冻结兰州细砂的蠕变变形特性以及频率对蠕变变形和蠕变破坏的影响。发现较高的频率对冻土的蠕变变形、应变速率影响较大;当动荷载应力幅值较大时,荷载大小的影响大于频率的影响,当应力幅值较小时,必须考虑频率的影响;当振动频率增加时,冻土更容易发生破坏,破坏时间变短;在此次试验条件下,土体的破坏应变较小,为2.8%～5.1%,破坏应变时大时小,总体上呈现变小的趋势;当最大加载应力不变而频率增加时,最小蠕变速率的变化幅值不大,都在一个量级范围内,当最大加载应力为4.5MPa时,最小蠕变速率为2.2×10-5～4.2×10-5s-1,而当最大加载应力为3.0MPa时,最小蠕变速率为2.9×10-6～6.8×10-6s-1;频率变化时,破坏振动次数并非单一地变化,存在临界频率,此时破坏振动次数最大。     

深部人工冻土抗变形特性研究

本文通过模拟深部人工冻结土体固结、冻结、受力的实际过程,研究了反映冻土变形特性的割线弹性模量在应变不超过0.5%时随应变变化的趋势,讨论了两种不同土质、加载卸载、冻结温度和初始围压对深部冻土割线弹性模量的影响以及对冻土屈服后割线弹性模量衰减速率的影响,得出以下结论:深部冻土应力-应变曲线的弹性变形范围约为0.05%左右,且不受土质类型、加载卸载、冻结温度和初始围压的影响;但深部冻土的抗变形能力、冻土屈服后其抵抗变形能力的衰减速率强烈的依赖于土质类型、加载卸载、冻结温度和初始围压的高低,研究表明屈服前提高冻土抗变形能力的诸因素在冻土发生屈服后,都将加快冻土抗变形能力衰减的速率。     

冻融循环作用对青藏粘土物理力学性质的影响

为研究冻融循环作用对土物理力学性质的影响,以青藏粘土为研究对象,通过对室内制备的粘土试样在经历0～21次完整冻融循环过程后,进行不同围压下三轴压缩试验,研究经多次冻融作用后,高度、试样含水量、应力–应变行为、破坏强度、弹性模量、抗剪强度指标等物理力学性质的变化。试验结果表明:冻融过程是使土体从不稳定态向动态稳定态的发展过程,反复的冻融循环改变了土体的性状,使得土体向新的动态稳定平衡状态发展。