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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、溫度的分布符合實際狀態(tài)，而且其實際破壞形式往往是非線性的剪切破壞，所以本文采用了非線性凍土斷裂實驗?zāi)Ｐ�，對自然狀態(tài)下的原狀凍土進行了斷裂破壞實驗，著重對Ⅱ型斷裂（剪切）破壞的四點彎曲直裂紋試樣進行了實驗研究。實驗過程中改造了四點彎曲實驗臺，采用著色法測量預(yù)制裂紋尺寸。實驗原理采用基于能量平衡的方法，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別測出了原狀凍土四點彎曲試樣加力點處位移與力的關(guān)系曲線以及相應(yīng)的非線性參數(shù)，推導(dǎo)出裂紋擴展非線性能量釋放率計算公式，當試樣達到承載極限狀況時測試出Ⅱ型斷裂試樣非線性斷裂韌度。同時，提出了修正因子計算非線性斷裂韌度的方法，將能量方法測試結(jié)果與修正因子方法結(jié)果進行了對比，二者基本是一致的。以上提出的凍土Ⅱ型斷裂非線性斷裂韌度測試方法，及獲得的非線性斷裂韌度測試結(jié)果，為非線性理論研究和工程應(yīng)用提供了依據(jù)。
論文關(guān)鍵詞：原狀凍土，非線性斷裂韌度，實驗研究

　　1.前言
　　 凍土作為地基基礎(chǔ)材料，在上部建筑物荷載作用下，其受力破壞的基本形式是剪切破壞[1]，其強度準則即為眾所周知的莫爾－庫侖準則，已被廣泛應(yīng)用在凍土地基基礎(chǔ)設(shè)計中。近年來在開展常規(guī)的強度理論研究的同時，相繼開展斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等的研究，其中在斷裂力學(xué)研究方面取得了長足進展[2~4]。用斷裂力學(xué)理論研究凍土的剪切破壞，即為凍土材料Ⅱ型斷裂問題，它涉及了Ⅱ型斷裂強度因子的計算和Ⅱ型斷裂韌度的測試問題。凍土材料對溫度、內(nèi)部組織及時間因素的改變非常敏感，是一種性質(zhì)極不穩(wěn)定的特殊材料，對金屬材料、混凝土材料及巖石等的比較成熟的斷裂韌度測試方法[5~7]，對凍土材料均不是完全適用的，必須建立考慮凍土特性的測試方法。從凍土工程實際出發(fā)，首先應(yīng)考慮的是凍土非線性特征，其次應(yīng)考慮凍土在凍結(jié)過程中其組構(gòu)不被破壞，基于以上出發(fā)點實驗研究，確立了本文的研究宗旨：測定原狀凍土在剪力作用的非線性斷裂韌度。本文給出了Ⅱ型斷裂非線性斷裂韌度測試基本原理和方法；進行了原狀季節(jié)凍土的現(xiàn)場測試；給出了原狀凍土Ⅱ型非線性斷裂韌度測試結(jié)果。為進一步開展凍土非線性理論研究和工程應(yīng)用提供了依據(jù)。
　　2.凍土非線性斷裂韌度測試原理和方法
　　研究表明，凍土的破壞可分為脆性和塑性性質(zhì)，在特定的條件下，如低溫、高速率以及粗顆粒凍土破壞時呈脆性狀態(tài)，其特征是應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系基本是線性的，破壞時有斷裂面且有裂紋發(fā)展的痕跡并呈嚴重破碎狀，在這種情況，線彈性斷裂力學(xué)理論是適用的。但是在更一般情況，凍土的破壞通常都是非線性的，這種情況線彈性斷裂理論是完全不適用的，必須研究凍土的非線性斷裂破壞特征和性質(zhì)。因此，凍土非線性斷裂韌度的測試是研究凍土非線性破壞性質(zhì)的重要內(nèi)容之一。
　　2.1基于能量理論的非線性斷裂韌度測試方法
　　凍土材料在外荷載作用下，凍土中的微裂紋發(fā)展并形成微裂紋損傷區(qū)，最后形成宏觀裂紋，在這個過程中，外力做功為，假定它全部轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)的應(yīng)變能（彈性應(yīng)變能及塑性應(yīng)變能），而微裂紋損傷區(qū)形成及宏觀裂紋形成需消耗能量為，由貯存的應(yīng)變能來提供，從能量平衡的角度（無熱量損失）則有：
　　 （1）
　　當式（1）的能量平衡達到極限狀態(tài)時：
　　（2）
　　式中 即為非線性能量釋放率的臨界值，也稱為非線性斷裂韌度。
　　以Ⅱ型斷裂的四點彎曲試樣為例（見圖3），說明非線性斷裂韌度的測試方法期刊網(wǎng)。在加載過程中測試載荷和加力對應(yīng)點位移，得到曲線，如圖1所示。這條曲線的非線性特征可由三個參數(shù)來描寫：
　　 �。�3）
　　式中的是曲線中直線段的斜率，是裂紋長度的函數(shù)，有：
　　　 �。�4）
　　，是材料常數(shù)，和，同樣由實驗確定。由曲線可知，當位移達到時，應(yīng)變能�。ò�括彈性、塑性部分）為曲線下的面積，即實驗研究，對任意的則有：
　　　 （5）
　　將（4）代入（5）式得：
　　 （6）
　　
　　
　　將（6）式求導(dǎo)代入（2）式，并考慮到凍土中的微裂紋損傷區(qū)剛形成，當不把它作為微裂紋擴展量處理時，外力功不隨裂紋變化，則有，于是有[8]：
　　（7）
　　當載荷達到臨界值時，則由上式得到非線性斷裂韌度：
　　（8）
　　2．2基于修正因子的非線性斷裂韌度測試方法
　　用修正因子法確定非線性斷裂韌度可表達為：
　　（9）
　　式中：――Ⅱ型斷裂非線性斷裂韌度；――非線性修正因子；――Ⅱ型斷裂的表觀斷裂韌度，即未考慮非線性影響的斷裂韌度。
　　下面分別說明和的確定方法。
　�。�1）表觀斷裂韌度的測定
　　由四點彎曲試樣可知（見圖3），在裂紋面的剪切力，因此剪應(yīng)力可求：
　　 　　（10）
　　相應(yīng)的應(yīng)力強度因子為[5]：
　　（11）
　　當達到臨界值，也就是載荷達到最大值時，即為：
　　（12）
　　其中：，裂紋長度由著色滲透法確定。
　　（2）非線性修正因子的確定
　　修正因子可從曲線上求得，即在加載時同時測定剪力與裂紋嘴滑開位移，從而獲得曲線（圖2所示），它與曲線一樣反映了非線性的信息。
　　
　　

　　從圖2可見，圖中OA曲線受非線性影響曲線，而OA＇為未考慮非線性影響的曲線，CA為荷載加到時的缷載曲線，斜率為，而曲線的初始斜率為，由CA＇B與CAB的相似關(guān)系可得：
　　（13）
　　則定義修正因子為：
　　　 （14）
　　3．試驗設(shè)計
　　3．1土質(zhì)及試樣制備
　　試樣采用沈陽農(nóng)大實驗區(qū)的低液限粘土，分析得土壤顆粒成分及物性。凍土斷裂韌度采用四點彎曲試樣進行試驗，并根據(jù)凍土特性確定試樣尺寸，試樣尺寸及其受力如圖3所示。試樣尺寸：B×W×S=0.1m ×0.1m×0.4m， B為試樣厚度，W為試樣寬度，S為試樣跨距，為預(yù)制裂紋，且0.045m。
　　

　　圖3人工切口、預(yù)制裂紋的四點彎曲試樣尺寸及其受力圖
　　Fig.3 the dimension of four-pointbending specimen
　　 由于現(xiàn)場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)部微細觀結(jié)構(gòu)保持完整實驗研究，避免對其原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，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而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)被破壞,影響試驗結(jié)果，再在取土場人工開挖出長、寬、高分別為80cm×80cm×40 cm見方的較大土塊，然后用人工鑿取的辦法將大土塊做成略大于試樣尺寸的土塊，如圖4所示。最后用震動較小的電鋸人工切割成滿足試驗要求的光滑試樣。將切好的試樣迅速用塑料薄膜包好、編號并測量試樣尺寸，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)場取土照片
　　Fig.4 the photo of originalstate frozen soil at field
　　3.2 試樣初始裂紋的制作及測量
　　試樣的初始裂紋制備是個難點，按照平面應(yīng)變條件裂紋尖端要求極尖，這對原狀凍土來說極其困難，以往方法是先在制備試樣時插入楔型木片（涂潤滑油便于脫模），以制備初始缺口。在此基礎(chǔ)上，再用鉬絲鋸加工尖裂紋，裂尖半徑可達。此方法的缺點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確的反映出試樣裂紋尖端擴展的本質(zhì)。為了改進初始裂紋制備方法，本試驗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，隨后用鉬鋸鋸開初始裂紋，保證裂紋平直，而后將試樣放在試驗臺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)所得到的計算出值。這樣我們就可以將每一個試樣預(yù)先加載到值，使其在原有木鋸初始裂紋開口的基礎(chǔ)上制造出裂紋尖端。這樣制作出來的裂紋尖端比傳統(tǒng)的方法制作出來的裂紋尖端不僅能夠滿足按平面應(yīng)變條件要求的裂紋尖端極尖，而且能夠準確的反映出試樣裂紋擴展區(qū)的實際情況，因此，使試驗更復(fù)合實際、更具有可靠性。
　　

裂紋長度的測量也是個難點，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值后取平均值作為計算裂紋長度，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裂紋尖端，這樣一來當試樣被壓斷后實驗研究，在斷面處可以的看到由于柴油下滲到裂紋尖端而留下的清晰印記，以此為依據(jù)，便可以比較準確的測量出裂紋的尺寸了
　　3.3 試驗裝置
　　 本試驗對傳統(tǒng)的試驗裝置進行了改造，將三點彎曲試驗臺倒置懸掛于上端，在下端采用油壓千斤頂加力，這樣有利于對試樣應(yīng)用著色法測量裂紋尺寸。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展方向滲透，并留下清晰的印記，以便于裂紋尺寸的測量。而后利用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，繪出及曲線。
　　
　　圖5 試驗裝置照片
　　Fig.5 the photos of experimentalequipment
　　4.試驗結(jié)果
　�。�1）原狀凍土試驗除了要保持土的細觀結(jié)構(gòu)外，還考慮土的凍結(jié)歷史，可以測試在不同凍結(jié)歷史條件下的斷裂韌度，為此，對當?shù)囟�季地溫及凍脹量隨時間的變化規(guī)律進行了測量，進而使試驗?zāi)軌蚩刂圃谠撘?guī)律下進行。
　�。�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所示的曲線圖，從圖6中可以清楚的看出：荷載在達到破壞之前有明顯的塑性變形，說明此種凍土具有明顯的彈塑性屬性期刊網(wǎng)。 當載荷達到最大值時試樣斷裂，對于四點彎曲一般斷裂時會有一個開裂角，如圖7所示，開裂角的角度值列于表1中。
　　 　　
　　

　　（3）當凍深為110cm時，取距表層土60cm深的凍土體，制備Ⅱ型裂紋試樣，控制試驗溫度為-3.1℃,含水量為17%，獲得非線性斷裂韌度值。如表1所示。這個結(jié)果相應(yīng)于土體從凍結(jié)開始到2005年1月20日的凍結(jié)歷史。
　　表1 原狀凍土的Ⅱ型非線性斷裂韌度試驗計算結(jié)果
　　Tab.1 theexperimental results of nonlinear fracture toughness for frozen soil
　　

（3）按修正因子法計算結(jié)果
　　 對上述試樣同時做出了曲線，并用修正因子法計算出非線性斷裂韌度，結(jié)果列于表2中。
　　表2　原狀凍土的Ⅱ型非線性斷裂韌度試驗計算結(jié)果
　　Tab.2 the calculate value ofnonlinear fracture toughness forfrozen soil
　　

非線性斷裂韌度與非線性能量釋放率值都是表征凍土材料的非線性特征，二者應(yīng)有對應(yīng)關(guān)系。對于線彈性情況，能量釋放率與斷裂韌度有如下關(guān)系：
　　（15）
　　假定上述關(guān)系對非線性情況也同樣成立，若取－3℃時的＝400MPa，＝0.25，則將換算為實驗研究，并與實測比較，除兩個試樣誤差較大，其余的基本是一致的，其結(jié)果列在表3中。
　　表3　將換算為與實驗測得的相對比的結(jié)果
　　Tab.3 　the comparisonbetween the value of calculatedform andthe value of formthe experiment
　　

5.結(jié)論
　�。�1）本文的研究是針對沈陽地區(qū)的土質(zhì)所進行的原狀凍土斷裂力學(xué)試驗。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Ⅱ型斷裂（剪切）破壞的四點彎曲直裂紋試樣進行了實驗研究。并用染色劑對裂紋尺寸采用著色法觀測。通過對當?shù)赝临|(zhì)進行分層凍脹量的觀測，得出不同埋深處的凍脹量、凍融的關(guān)系，并以此來嚴格控制試樣制作、試驗時的溫度，對原狀凍土的Ⅱ型非線性應(yīng)變能量釋放率和非線性斷裂韌度進行測試研究，這是對原狀凍土非線性斷裂力學(xué)試驗的進一步的探索和嘗試，它為今后進一步的研究工作奠定了基礎(chǔ)。
　�。�2）本文給出了關(guān)于凍土的兩種非線性斷裂韌度測試方法的結(jié)果，分別是基于能量平衡的測試方法和基于修正因子的測試方法，在實際工程應(yīng)用中，可以相互參照，靈活運用。
　　 （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)部缺陷隨機性較大，實驗過程中所采集的數(shù)據(jù)有一定的離散性，因此需要更多的試樣和大量的實驗數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析，使結(jié)果與實際情況相符。

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