文摘

探讨冻粉砂土的单轴抗压强度和变形特性与预制裂纹在不同应变率下,静态单轴抗压测试进行了冻结粉砂土使用三种粘结剂材料选择合适的预制裂纹的制造方法。之后,冻粉砂土的静态和动态应力-应变曲线具有不同预制裂纹数据得到基于静态和分裂霍普金森压杆(SHPB)测试。此外,高速相机来记录下冻粉砂土的压裂过程影响负载。结果表明,冷冻粉砂土标本没有粘结剂显示更高的静强度相对于其他两种粘结剂材料(石膏和凡士林)。冻粉砂土的强度增长率显示三级(fast-slow-rapid)变化特征。冻粉砂土在静态负荷的峰值应变范围相比是更高的动态载荷下,而动态的峰值应变与各种预制裂纹非常rate-dependent数量。冻粉砂土的吸收能量密度服从负(正)与预制裂纹数量的关系(应变率)。完整的冷冻粉砂土试样的裂纹主导终于提出了y形剪切破坏。然而,拉伸裂纹平行于应力波传播方向的观察冷冻粉砂土试样预制裂纹。

1。介绍

冻土是一个典型的四联复合材料(即。,rock or soil particles, air particles, liquid water, and ice particles) [1- - - - - -3]。冻土的力学性能是更复杂的比普通的土壤由于冰晶,显示高灵敏度在周围环境温度的变化(4,5]。季节性冻土覆盖中国约53.5%的土地面积(6]。率技术和工程领域的快速发展在前几年导致的数量逐渐增加建设项目在寒冷的地区,比如隧道、高速公路、铁路和管道,(7- - - - - -11]。此外,在设计、施工和服务时间的冻土结构、冻土受到不同的外部加载在一个巨大的应变率范围(12- - - - - -15]。

一般来说,研究冻土的物理和机械性能上对多个应变率(静态、准静态和动态的)被系统研究[16,17]。为确保冻结砾石土的极限承载力静载荷范围内,静态单轴压缩与应变率进行了测试,从10⁻⁵到10⁻³和测试结果表明,冻结砾石土的单轴抗压强度随应变速率增加而线性增加在不同冻结温度(18]。除了静态属性,理解冻土的动态行为可能帮助改善冻土工程的挖掘效率和稳定性在寒冷地区进行钻探,爆破、地震效应(19,20.]。因此,有越来越多的努力致力于更好地了解冻土的强度和变形行为承受动态载荷基于分裂霍普金森压杆(SHPB) [14,21,22),被认为是一个无价的和有效的设备提供各种材料(动态加载23- - - - - -25],测试结果表明,应变率和动态峰值应力可能被视为一个积极的线性关系时,冰点值确定(14),这说明rate-dependent冻土材料的动态抗压强度。Zhang et al。21)获得冻土的动态应力-应变关系和失效模式与不同的应变率,并建立了一种改进的ZWT本构模型来描述其破坏机制和应变率效应。傅et al。22)发现,对峰值应力和应变率表明积极影响最终应变加载下的冻土的影响。

调查在先前存在的裂缝对岩石的力学性能的影响,水泥、和其他材料进行分析和数值(26- - - - - -35]。实验和数值模拟结果表明,应力波传播、强度和变形特性,和材料的失效模式是受数量的影响,分布和角先前存在的裂缝。王等人。26)发现完整的花岗岩试样的单轴压缩应力峰值为3.2倍的标本缺陷倾角为0;此外,花岗岩的强度和失效模式都受到倾角的影响。研究岩石的应力波传播和压裂机理与各种角度进行动态应力波,李et al。27用红色砂岩)进行了SHPB试验四个关节角(即。,0°, 15°, 30°, and 45°) and captured its complete fracturing process by high-speed camera. Bai et al. [28]研究了冻结岩石材料的物理力学行为有两个预制裂缝在不同冻结温度恒定的倾角,和结果显示红色砂岩试样的弹性模量和峰值强度由于围压增加。

众所周知,裂缝普遍存在在冻土的形成;此外,裂缝生成在设计,建设,运营时间为冻土工程(36,37]。因此,有必要对裂缝的影响进行研究冻土的力学行为和破坏过程。但是,先前的工作主要集中在完整的冻土的力学性能对静态或动态负载。在本研究中,wdt - 100模式压力测试系统和SHPB装置被用来研究预制裂纹数量和应变率的影响,在应力-应变曲线、强度、峰值应变、冻粉砂土吸收能量密度。此外,动态裂纹萌生,传播、扩张和连接冻粉砂土试样的过程与各种预制裂缝得到了基于高速摄像机。测试结果可以帮助提高开挖和粉碎效率和评估在冻土工程的安全与稳定。

2。制备预制裂纹的冻土和测试设备

2.1。制备预制裂纹的冻土

测试了冻土深基础工程在淮南,安徽。扰动土的基本物理参数描述表1。

冻土的制备方法与预制裂缝描述如下。土壤是首先干超过24小时的温度大约105°C的电烘箱、后压碎,已筛尺寸小于2毫米,然后存储在塑料袋,以防止水分的流失。冻结粉土的含水量在这项研究中是24.2%。每个标本准备静态和动态加载的维度Ф50 mm×100毫米和Ф50毫米×50毫米(6),分别。不同的绑定(即土壤准备。,gypsum, Vaseline, and no binder) with one prefabricated crack; after determining the suitable binder materials, we prepared frozen silty soil specimens with different number of prefabricated cracks at an angle of zero degrees; taking dynamic specimen as an example, the prefabricated crack production method was as follows: a half specimen (Ф 50 mm × 25 mm) and a quarter specimen (Ф 50 mm × 12.5 mm) were made using suitable corresponding moulds, and then two half specimens were placed together to make specimen with one prefabricated crack, while one half specimen and two quarter specimens were used for preparing specimen with two prefabricated cracks, and four quarter specimens were used for specimen with three prefabricated cracks. The soil specimens were later placed in a freezer with −20°C for more than 24 hours and then changed to the desired freeing temperature of −10°C. The prepared frozen silty soil specimens for static loads with different binder materials and prefabricated crack numbers are shown in Figure1。冻粉砂土标本进行动态测试与各种预制裂纹数量如图2。

2.2。静态和动态测试设备

wdt - 100型压力测试系统获得的静态力学性能进行了冻结粉砂土,在SHPB系统采用动态测试,如图3。

静态wdt - 100型压力测试系统包含低温控制箱,数据采集系统,上层传力杆,降低轴承的平台。之间的冻粉砂土试样被传力杆上部和更低的轴承平台;与此同时,两个位移米被安排在双方的标本准确收集其平均变形数据。在静态加载下,静强度和变形冻粉砂土试样的性能进行了测试和四个应变率(0.01 s⁻¹,0.02年代⁻¹,0.04年代⁻¹,0.08年代⁻¹)。使用SHPB动态压缩试验实现了系统与不同的空气压力(0.3 MPa, 0.4 MPa, 0.5 MPa, 0.6 MPa, 0.7 MPa,和0.8 MPa)。SHPB系统的目的是应用影响冻粉砂土试样放置压力事件和传播之间的酒吧和确定其动态行为在一个大的应变率范围。在该测试中,Memrecam HX-3 NAC图像技术公司生产的高速摄影机加上一个环形闪光灯被用来记录冻粉砂土的压裂过程动态载荷下预制裂纹。此外,温度控制箱采用降低冷冻的温度变化影响过程中粉砂土。在收集事件、反映和传播信号获得电阻和半导体应变仪,动态压应力σ(t),应变ε(t)和应变率(t)可以计算如下21,22]: 在哪里E₀,一个₀,C₀,一个_年代,l_年代杨氏模量、横截面积、弹性波速度的酒吧,和冻粉砂土的横截面积和高度标本,分别;ε_我(t),ε_R(t),ε_T(t)这一事件应变、反映应变和应变传播,分别;和t是弹性波的持续时间。

先前的调查表明,吸收能量密度( )能反映能量耗散冲击荷载下冻土的特征(38),可以计算 在哪里和是冻粉砂土试样的吸收能量和入射能量,分别和是冻粉砂土试样的体积。

3所示。选择合适的粘结剂材料

在该测试中,冻粉砂土的静强度三种粘结剂材料相比,如图4。它可以注意到,应变率强化效应观察冷冻粉砂土标本与各种粘合剂材料。然而,增加速度明显不同的各种粘合剂材料;例如,当应变速率增加从0.01 s⁻¹0.08年代⁻¹,冻粉砂土试样的平均抗压强度无粘结剂从2.63 MPa提高到3.37 MPa,大规模增加28.14%,而增加对标本的程度是23.6%使用凡士林作为粘结剂在相同条件下。冻粉砂土的强度标本与各种粘合剂材料是比这小得多,没有裂纹。此外,在相同的应变率下,冻粉砂土标本没有粘结剂显示更高的力量相对于其他两种粘结剂材料。

冻粉砂土的静态失效模式使用三种粘结剂材料如图5。图5(一个)说明了冻结粉砂土试样,没有裂缝,失效模式是中间凸起,这是符合测试结果之前的调查(36]。标本没有粘结剂、小裂缝附近发现了疲软平面,如图5 (b)。另外,底部挤压和膨胀底失效模式观察使用石膏和凡士林作为粘结剂材料,分别。

从上面的强度和失效模式的结果,它可以注意到,该集团没有粘结剂显示与其他两种材料相比强度最高;此外,该失效模式使用石膏或凡士林显示没有明显的弱的表面特征。此外,产生的裂纹在本质上是在良好的协议与该组织没有粘结剂。因此,没有在本研究选择粘结剂的方法。

4所示。测试结果冻粉砂土的预制裂纹在不同应变率

4.1。应力-应变曲线

获得的冻粉砂土的应力-应变曲线与各种预制裂纹数量和应变率图所示6。图6显示如下:1(即)四级特征。,compression, elastic, hardening, and softening stages) were observed under static loads for different prefabricated crack numbers; however, obvious compression stage was not found for frozen silty soil under dynamic loads, and the failure stage under dynamic loads was apparent compared with that under static loads. (2) The deformation modulus of frozen silty soil, which was treated as the increase rate of elastic stage, increased with the increase of strain rate under static loads scope, while its values changed within a small range under dynamic loads. (3) Under static loading, the curves also clearly showed that slowly decreasing speed was observed after reaching peak stress, reflecting plastic failure characteristic, while under dynamic loading the abrupt decrease in softening stages was found, showing brittle failure characteristic.

4.2。强度和峰值应变

的力量和其相应的应变能反映冻粉砂土试样的能力抵抗外部静态和动态加载。在目前的研究中,冻粉砂土的强度与各种预制裂纹数量更大的应变率范围内获得,如图7。

图7说明预制裂纹数量有显著影响冻粉砂土的强度性能的标本。此外,“fast-slow-rapid”三阶段特征观察冷冻粉砂土的强度增长率基于静态和动态实验;具体来说,当应变速率增加从0.01 s⁻¹0.08年代⁻¹,第一阶段快速抗压强度增加,然后逐渐缓慢强度增量为第二阶段被发现。最后,一个普通的快速增加率的动态抗压强度冻粉砂土被发现,被认为是第三阶段。例如,冻粉砂土试样的静强度增加到2.68 MPa (0.01 s⁻¹)到3.56 MPa (0.08 s⁻¹一个预制裂纹),0.88 MPa的增量;作为对比,上升为1.84 MPa时获得了应变率从134年代⁻¹到266年代⁻¹。

图8演示了冻结粉砂土的应变峰值与各种预制裂纹数量和应变率。它可以清楚地注意到,在静态负载下冻粉砂土的应变峰值范围明显高于在动态载荷下,价格相比,这一现象表明,在静态负载下冻粉砂土试样的变形达到故障状态大于,在动态加载。从上面的分析结果与之前的理论是一致的(6]。在静态负载的情况下,当应变速率增加从0.01 s⁻¹0.08年代⁻¹,没有明显的峰值应变的变化规律,不同的从0.085到0.146。作为对比,冻粉砂土的动态应变峰值与各种预制裂纹数量非常rate-dependent,它随应变速率的增加而线性增加。此外,预制裂纹数字峰值应变的影响并不明显。

4.3。预制裂纹降解效果

退化系数(ζ)定义来描述强度降低程度由预制裂纹引起的,这是表示如下: 在哪里σ₀是冻粉砂土的强度没有预制裂纹,σ_n与预制裂缝冻粉砂土的强度(即。1、2和3)。

降解系数的平均值计算不同预制裂缝和应变率图所示9。在动态载荷下,冻粉砂质土壤退化系数随应变速率增加而降低。此外,预制裂纹的性能影响冻粉砂土的强度降低由于裂缝的数量的增加,以及预制裂缝降低了强度从5%到35%较完整的冷冻粉砂土试样。在0.04秒⁻¹应变率、降解系数的平均值和三个预制裂缝是27%,这是高于11%和17%的值与一个或两个裂缝。冻粉砂土的三个预制裂缝,在静态和动态负载下最大的降解系数分别可达27%和35%。

4.4。吸收能量密度

根据公式的计算方法(2),冻粉砂土的吸收能量密度的变化与应变率在不同预制裂纹数量得到,如图10。

可以看出,在相同的应变率,冻粉砂土的吸收能量密度是受负面与预制裂纹数量之间的关系。这一现象表明,预制裂纹削弱冻粉砂土的能量吸收效率和更多的预制裂纹的标本数量达到破坏阶段需要更少的能量。此外,随着应变率的增加,吸收能量密度的值的冷冻粉砂土线性增加,这是由于数量的增加和扩张引起的裂缝较大的应变率(6]。应变率和吸收能量密度之间的关系可以表示为一个二次函数: 在哪里一个,b,c拟合参数,它们的值与各种预制裂纹数见表2。

4.5。失效模式和压裂过程

裂纹萌生和扩展强烈影响预制裂纹的数量下应力波的影响。冻粉砂土的压裂过程动态载荷作用下高速摄影机记录,完整的最终失效模式和预制裂纹冻粉砂土标本表中列出3。

它可以注意到完整的冷冻粉砂土试样的裂纹主导终于提出了y形的剪切破坏。标本倒塌,此外,一些的角落失败成碎片在加载过程中,和标本被摧毁成三块。对冻粉砂土试样预制裂纹,拉伸裂纹平行于应力波传播方向开始从表面标本1 - 2和事件之间的酒吧,然后传播到标本1 - 1和生成的一个扩展的裂纹;与此同时,一些平行的小裂缝同时出现在双方之前的主导裂纹试样1 - 2。最后,底部被毁,逐渐脱离冻粉砂土试样。的标本有两个和三个预制裂缝,拉伸断裂过程中出现裂缝,整个详细的断裂过程中提供数据11和12。

图11说明了体积膨胀发生在标本2 - 1在加载的初始阶段,和两个主要拉伸裂缝(T_{1 - 1}和T_{1 - 2})同时出现在标本2 - 3。与动态应力的增加,试样的曲面2:1剥落的主要部分,而新的裂纹T₂出现在标本2 - 2,和前两个裂缝(T_{1 - 1}和T_{1 - 2})继续扩大。最后,标本2 - 1失败和新生儿的曲面裂缝T₃出现了,与之前的裂缝T_{1 - 2}和T₂。

冻粉砂土试样的典型压裂过程有三个预制裂缝响应动态应力波如图12。拉伸裂缝T_{1 - 1},T_{1 - 2},T_{1 - 3}在标本3 - 4同时出现较大的变形,然后角落标本3 - 1之间的表面剥落发生和传播造成酒吧冻粉砂土的应力集中和摩擦表面。后来,剥落发生在试样的表面3 - 1和标本3 - 2和3 - 3之间的接触面积。此外,样品3 - 4在动态负载下倒塌,失败成碎片。

5。结论

(1)冻粉砂土的失效模式使用石膏或凡士林作为粘结剂材料显示在静态负载的情况下没有明显的弱的表面特征,和该组织没有粘结剂显示最高强度比其他两种材料。预制裂纹数量有显著影响冻粉砂土的强度性能的标本。此外,“fast-slow-rapid”三阶段特征观察冷冻粉砂土的强度增长率。(2)在相同的应变率下,吸收能量密度的冷冻粉砂土受负面与预制裂纹数量之间的关系。应变率和吸收能量密度之间的关系可以表示为一个二次函数。(3)完整冻粉砂土试样的裂纹主导终于提出了y形的剪切破坏,和一些标本倒塌和失败成碎片在加载过程。然而,对于冷冻粉砂土与预制裂纹试样拉伸裂纹平行于应力波传播方向观察和最终确定的故障模式标本。

数据可用性

生成的数据集和分析在当前研究可从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作获得金融支持从安徽省自然科学基金(没有。1908085 qe212),该项目由中国博士后科学基金会(没有。2019 m652162),安徽科技大学博士基金项目(没有。11695)。我们应感谢安徽科技大学提供的静态和动态测试条件。