文摘

在这项研究中,一个测试技术,使连续控制样本从冻结应力状态的测试,提出了调查的影响冻结压力冰单轴压缩下的力学性能。在这种方法中,水冻在冰标准圆柱试样在高液压三轴压力室,然后,冰的温度场和应力场调整标本测试的初始状态;最后,一个原位力学测试是在三轴室内进行的。冰的单轴压缩试验标本与温度−20°C和执行冻结-30 - 0.5 MPa的压力在5×10的应变率范围⁻⁵−1.5×10⁻⁶年代⁻¹。结果表明,随着冻结压力的增加,冰的ductile-to-brittle过渡区标本在故障转移到低应变速率范围内,和样品的失效模式的变化从剪切破坏分裂失败。此外,冰的脆性指数样本先增加,然后下降,然后冻结压力增加而增加。脆性指数达到最大(最小)时,冻结压力是30 MPa (20 MPa)。冰试样的峰值应力也增加,然后下降,然后冻结压力增加而增加。冻结压力的最大值也30 MPa,但冻结压力的最小值获得0.5 MPa。冰的破坏应变标本先增加然后减少冻结压力增加,和最大(最小)值达到0.5 MPa的冻结压力(10 MPa)。冰标本展览脆性破坏时,残余应力之间的关系和冻结压力之间的峰值应力和冻结压力是相同的,但是,当冰标本展览韧性失败,没有明显的残余应力和冻结压力之间的关系。

1。介绍

人工地层冻结法是最重要的施工方法来稳定开挖期间地面,防止地下水进入。它允许渗透深度、不稳定和含水地层含砂、淤泥和粘土。目前,人工冻结表土和富水地层的深度达到750米(1)和950米(2),分别。实测数据表明,静态(3)和动态(4)机械反应深度冻结壁与理论预期不同由于缺乏理解深度冻结土壤和岩体的形成机制。目前,最深的证明自然永冻土层深度超过1公里(5]。由于高压深环境的影响,仍有许多困难在钻井和取心深度永冻土层(6]。要解决这些问题,深冻土的力学性能7- - - - - -9和冻结岩石10,11)与实验研究,但研究的耦合问题ice-soil遗留物,基于deep-environment冰的力学性能,是不成熟的。与浅层条件相比,深地层压力显著增加(12- - - - - -14),深层地下水的冻结压力可以超过10 MPa由于高压力和限制冻胀现象的形成。因此,它的影响研究具有重要意义冻结压力冰的力学性能。

Vostok南极冰下湖是世界上最深的湖。上覆冰盖的厚度是近4公里15]。由于其悠久的历史和完全与外界隔离,这湖水的水具有重要的研究价值。获得湖水标本,俄罗斯的一个研究小组已经开始钻探项目巨大的本世纪初以来的厚冰层。然而,由于缺乏理解的力学响应的冰层底部,湖水突然涌出的频繁出现在钻井底部的冰盖,它带来了巨大困难抽样过程(16]。同位素研究表明,冰层底部由高压湖水冻(17]。因此,揭示冰冻结在高压的力学性能可以提高钻井技术的应用的厚冰层。此外,有一个高压冻结现象在含水的系外行星。例如,欧罗巴的液态水是存储在150公里厚冰壳,和高压水不断冻成冰底部的冰壳(18]。冰壳的观察流变学的主要手段之一是探索外星液态水资源,冻结压力是否会影响冰的流变特征值得研究。

单轴压缩试验是一个简单的方法,已被广泛用于研究冰的力学性能。使用这个测试,负温度在冰上力量的增强效应(19,20.和刚度21,22),加载速率的影响在故障特征23,24)及其机制(25,26),和冰的延脆转变失败在不同条件下(27,28)进行了调查。然而,上述研究中使用的冰被冻结,没有任何压力。很少有报道冰冻结压力下的力学性能。此外,在现有的技术形成冰冻结纯净水,水慢慢和单向冻结形成一个大冰的身体通过控制大量的热流梯度,低温箱(29日- - - - - -31日),然后,核心,加工成圆柱冰标本。该方法可以实现冻结通过改善设备的压力,但是冰标本需要减压,钻井和磨削。在这个过程中,冰试样的应力状态是不可控的,和不理想的条件如瞬时冻结压力将不可避免地产生,导致冰标本(微裂隙和其他缺陷32),不能完全反映冻结压力的影响。

为了解决上述问题,在这项研究中,提出了一种有效的方法冻结的圆柱形水标本三轴压力室形成一个标准的圆柱冰标本。然后,冰的温度场和应力场调整试样的初始条件测试,执行和原位力学测试实现连续控制应力状态的标本在冻结和测试的整个过程。该方法用于准备冰标本30 MPa冻结在0.5 MPa的压力,和单轴压缩试验进行以恒定应变率和温度−20°C。此外,冻结压力的影响的本构规律和强度特征冰标本了。

2。实验方法

2.1。测试设备

准备的测试方法在这项研究是基于高压冷冻岩土材料的原位测试方法。冻结和机械压力测试的整个过程进行三轴压力室。实验设备是TAS-LF400低温三轴系统,由中国矿业大学联合开发和技术和西安KTL仪器有限公司,有限公司,如图1。最终的轴向力加载框架是400 kN,控制器的最大围压压力/体积是64 MPa,和控制精度为0.05%。样品的温度场是由顶部的三个流通渠道,一面,和底部的三轴压力室和常数,低温循环槽,B和C与他们分别。最低温度是60°C,温度控制精度是0.1°C。两个铅孔排列压力室的侧壁上安装传感器的密封铅连接器。

2.2。冰标本的制备技术

2.2.1。冻结过程

标本是由冻结的冰圆柱形水标本在三轴压力室33]。水样本的大小是Φ61.8×114.7毫米²。使用控制技术,冷冻增长9% (34)将被迫沿高度方向发展,与目标大小和冰标本Φ61.8×125毫米²获得了。控制冷冻过程分为两个阶段:冷冻标本增压和稳定的压力。增压期间,水的高度标本是由负载保持不变的框架,以避免凹折叠由于轴向压缩,和围压增加目标受到体积压力压力值的控制器。在稳定压力冻结,在三轴围压介质腔的数量由压力控制器体积力锁定冻结扩张发展沿高度方向的标本,然后标本压力由负载控制的框架,这将施加一个恒定轴向压力。水标本冻结在寒冷的温度场梯度较低和热循环恒温器生成的上层和c试样的径向变形受到围岩介质的体积稳定,和冰冷的扩张发展沿高度方向的扩张压力释放。冰冻结后试样如图2。直径测量三次从底部的冰标本沿向上的轴,沿着标本和每个测量圆周间隔的120°(图3(一个))。测量结果(图3 (b))表明,冰标本的最大和最小直径62.01和61.68毫米,分别和最大绝对误差和最大相对误差的径向尺寸是0.33毫米,0.5%,分别,满足几何精度的测试规范(35]。

2.2.2。温度场的调整

冰是一种热敏材料,其温度分布对力学性能有很大的影响。获得真正的冰试样的温度场,联合分布式光纤的温度测量和热阻是工作,和相应的布局如图4。

纤维是密封在碳纤维管直径3毫米,沿着轴的标本。管阻止压力的扰动情况下的测试结果。碳纤维材料的热导率相对较低,这意味着冰的原始温度分布标本不会干扰(36]。分布式光纤测试设备是ODiSI测量系统,卢娜公司,它可以测量温度分布沿纤维长度,和温度测量精度为0.1°C。三个热电阻沿轴向方向排列的绝缘薄膜试样外,和温度测量精度为0.05°C。试样的径向温度分布可以同时分析了光纤的测量结果和热电阻。

自从冰标本是由单向冻结从下到上,冰冷的温度分布在完成上冷的和热。在测试之前,需要调整温度场均匀分布根据设计温度。测试的设计温度是−20°C,温度场是通过调整三个常数低温循环坦克,B和C(图1)。在调整过程中,七个测温点相等的间距设置在分布式光纤(图4)监测冰试样的温度场的变化。测量结果(图5)表明,冰的温度场标本约8 h后会达到一个稳定状态。分布式光纤的温度测量值和热敏电阻稳定状态图所示6。冰试样的最终温度稍高的中心,在结束和双方略低。之间的差异的内部最高温度和最低温度为0.51°C,平均温度是−20.08°C,符合测试规范。

2.2.3。应力场的调整

在测试前,冰的应力状态的标本应该从冻结状态的压力改变了初始状态。有必要限制的应力状态和变异率转换过程避免裂缝(37,38]。根据三轴试验的结论因et al。39),当加载速率低于1 MPa / s,冰开始时裂纹偏应力达到0.25最终偏应力的-0.5倍。时装的卸载实验,Schulson [40)建议卸载率不应大于0.17 MPa·s⁻¹确保不出现在冰裂缝标本。在这项研究中,采用更保守的约束,即。,the deviatoric stress should not be greater than 0.2 times the ultimate deviatoric stress during the process of stress state transformation, and the adjustment rates of axial pressure and confining pressure should not be greater than 0.05 MPa·s⁻¹。

2.3。实验程序

使用上面的样品制备技术,原位加压冻结冰的单轴压缩试验在−20°C下恒定应变率。考虑应变率5×10⁻⁵,1.5×10⁻⁵5×10⁻⁶和1.5×10⁻⁶年代⁻¹。自冰试样径向精度依赖于样本之间的交互和封闭介质在冻结,冻结过程中的压力不能小于0.5 MPa。因此,冰的冻结压力的标本被设置为0.5,10、20和30 MPa。进行了测试使用所有上述参数的组合。每组包含两个标本,共32个样本进行测试。

具体测试过程如下:首先,标本被冻结的冰压力环境下利用冷冻过程控制。保持冻结应力场变化,冰的温度场标本被调整到一个统一的价值−20°C。冰的温度场标本后变得稳定,冰的冻结压力标本的速度被0.05 MPa·s⁻¹条件下,三维压力相等。恒应变速率的单轴压缩试验后立即进行卸货过程。

3所示。结果与讨论

所有测试的32组的应力-应变曲线进行分类和总结根据冻结压力图7。测试条件和特征对应于每个曲线的结果如表所示1。曲线相同的测试条件表示在相同的颜色,和两个重复是区分不同的标记(圆圈和三角形)。根据表1峰值应力的重复错误,破坏应变、残余应力的测试在同样条件下4 - 14%,0 - 14%,0 - 8%,分别低于大部分的早些时候报道值冰单轴压缩试验(41- - - - - -44)和接近precisive测试的重复错误由拉姆齐(45]。上述结果证明该测试技术是可靠的高控制精度和很强的可重复性。

3.1。应力-应变行为

3.1.1。故障特征

由于冰的流变特性,故障特征后加载应变速率变形密切相关。当应变速率慢,有足够的时间错位冰晶之间的滑动,所以冰弹塑性应力-应变关系,导致韧性断裂。当应变速率快,冰晶之间的错位滑动不能发生,导致占主导地位的内部裂纹和破碎。应力-应变曲线达到高峰,之后突然下降,发生脆性破坏。在图7(一),当应变率5×10⁻⁵年代⁻¹,冰的故障特征标本冻结压力为0.5 MPa展览脆性和韧性,而冰与高压冷冻标本尽显脆性破坏,这表明冻结压力的影响冰的故障特征类似于低温,导致ductile-to-brittle过渡区搬到一个慢应变速率范围。

具体的故障模式如图8。测试完成后,液压油排放压力室,同时保持低温,然后,冰标本了,花了近1小时。在上述过程中,冰的标本是由一个热收缩管,紧紧包裹在一定程度上和内部裂纹愈合再结晶的影响下,导致自我修复的冰标本可能是由于压缩破坏瓦解。因此,所有损坏的冰标本后仍持续热收缩管被拔掉了。每个标本的失败典型图像处理使用Photoshop软件内部裂缝清晰。这些图像数据所示8(一)-8(d),揭示了变化在冰的失效模式标本冻结-30 - 0.5 MPa的压力和不同的应变率。冻结压力较低时,裂缝少冰试样内部,形成一个垂直或倾斜主要裂纹(见图8(b)为0.5 MPa和图8(d)为0.5 MPa)。随着冻结压力的增加,试件的裂缝的数量逐渐增加(见图8(一)10 MPa),形成一定的断裂带的标本(见图8(c) 20 MPa)。此外,随着冻结压力的增加,裂纹浓度顶部和底部的标本(参见图变得越来越明显8(c) 30 MPa)。在低应变速率,冻结压力高的标本显示横向膨胀失败(见图8(d) 30 MPa),在高应变率,高的标本冻结压力仍然倾向于表现出剪切破坏(见图8(一)30 MPa)。一般来说,随着冻结压力的增加,冰的失效模式标本从剪切破坏变为分裂失败,并随着应变率的增加,这种现象变得越来越明显。

3.1.2。脆性指数

试样的应变率为1.5×10⁻⁵-1.5×10⁻⁶年代⁻¹所有显示延性失败,所有的本构曲线显示应变软化特性,但prepeak上升的利率和postpeak下降的曲线明显受到冻结压力的影响。压力变化的本构曲线密切相关的脆性材料,它可以定量评估的脆性指数(46,47]。有四种方法提取脆性指数根据总应力-应变曲线(表2),指数越大,材料的脆性更重要。该指数B₁提出了由主教(48),建议材料的脆性可以表现为应力降幅度标本的失败后,即postpeak的比例下降的压力峰值应力。随后,周et al。49)被认为是绝对减速基于postpeak压力下降的相对大小,其对数价值系数提出另一种脆性指数B₂。夏et al。50)考虑的影响prepeak脆性特征应力-应变状态;他们使用的比例释放弹性能量在标本未能峰值前的总变形能量存储描述脆性指数。基于变形能的计算方法Tarasov和波特凡51),该指数B₃是派生的。Tarasov和波特凡51]认为脆性程度应该反映在试样的变形能之间的相对关系本构曲线的峰值,前后和索引可以表达高峰前后模量参数之间的关系,即B₄。

脆性指数计算表2,模量参数如表所示3。计算脆性指数图所示9。在所有的应变率下,四个脆性指数的变异与冻结压力是类似的:指数增加,然后下降,然后再次增加。四个脆性指标平均值的增加冻结压力的按照以下顺序: 在哪里的算术平均价值吗 。括号中的数字代表了冻结压力。

脆性指数计算根据本构关系可以反映冰静载荷下的变形规律,为工程师提供一个基础预测冻结壁的变形趋势。此外,脆性指数是一个重要的参数来评估动态响应。材料的脆性指数越高动力作用下更容易被破解。

当冻结方法用于构造深富水地层的井,钻探和爆破方法需要挖掘轴的内部空间。图9表明根据静压头的区别,冰的脆性显著大于1000米的深度浅的部分,应谨慎爆破的设计过程;尤其是孔周围的布局应该优化,以避免造成的潜在安全隐患的开裂和渗漏冷冻墙。冰脆性与深度的变化也可以扮演一个角色在有效的厚的冰层钻探。工程师可以提高钻头形式根据脆性指数的变化,和钻井压力,转速等参数可以优化钻井过程中提高破冰效率。

3.2。机械性能

3.2.1之上。峰值应力

根据测试,峰值应力的变化作为冻结压力的函数图所示10。散射点的测量值是每组测试。折叠线代表的变化重复测试结果的平均值。点和线的颜色对应的应变率。在相同的冻结压力下,冰试样的峰值应力随应变速率的增加而增大,这是符合nonpressure冻结冰的测试结果在相同的应变率范围内(28,52]。在四个应变率下,冰标本的峰值应力的变化规律相似,和峰值应力不单调变化冻结压力增加,但它增加,然后下降,然后再增加。当冻结压力从0.5 MPa提高到10 MPa,峰值应力平均增加2.50 - -4.19 MPa,和相对增长20 - 38%。冻结压力上升到20 MPa时,峰值应力不继续上升,并降低其平均价值1.10 - -2.01 MPa的6 - 20%的相对减少。冻结压力增加到30 MPa时,峰值应力增加,平均值是2.47 - -3.39 MPa高于20 MPa,和相对增加15 - 36%。

冻结压力区间选择在这个实验中很大,和10 MPa和20 MPa的冻结压力不一定是连续变化曲线的拐点冰单轴抗压强度的标本。有必要进行更详细的研究通过缩小区间获得全面、准确的变化规律。然而,虚线图10为工程应用和科学研究仍然是有价值的。以人工冻结工程为例,计算地下水压力根据头部的区别。试验结果表明,人工冻结冰的强度与深度的增加显著增加,0 - 1000米的深度范围。这些结果可以提供一个依据纯冰的厚度减少轴承壁深岩溶的人工冻结工程(53和深水54),可减少能源消耗和缩短工期。此外,冰,岩石和土壤冻结壁的一个重要组成部分,很大程度上决定了冻结壁的力学性能。因此,冷冻冰抗压强度的变化规律可以起到至关重要的作用的研究或ice-soil耦合问题,提高利用率的遗留物,深度冷冻墙的承载力。

3.2.2。残余应力

冰的残余应力的变化标本与冻结压力在不同的应变率图所示11。在高应变速率、残余应力的变化与峰值应力的冻结压力是一致的,因为冰标本展览在这种情况下脆性破坏(图7)。残余应力的值是秋天的应力-应变曲线,并冻结压力影响的机制,通过应力值仍然是相同的峰值应力。当应变速率降低,冰的失效模式标本失败转变为韧性,和残余应力变化的稳定应力值下降的峰值应力-应变曲线。在这种情况下,冰的残余应力试样与冻结压力的增加变化不明显。

在厚冲积层人工冻结施工,冻结壁通常是在低速流变状态,变形大,可以达到超过5%,在严重的情况下3]。在这种情况下,冷冻墙的承载力是反映在其残余强度。结合峰值应力(图的变化规律10)和残余应力(图11)冰冻结压力,可以看出,小变形条件下,冻结壁的阻力与深度的增加显著增加,这有利于减少冻结壁的厚度。然而,进入大变形阶段后,深度冷冻墙的承载力优势消失,导致加速变形在高地的压力下,这是不利于施工的安全。因此,深厚表土冻结项目中,它可能是有用的调整施工部分的高度和缩短曝光时间的冷冻墙限制冻结壁的变形,这可能促进承载力的优势。

3.2.3。破坏应变

破坏应变的变化与冻结压力如图12。压力强度的变化规律不同,没有明显的破坏应变和应变速率之间的关系,这与实验结果是一致的nonpressure冻结冰在相同的应变率范围(28,51]。在四个应变率下,破坏应变降低,然后增加冻结压力的增加。冻结压力是0.5 MPa时,破坏应变最大,并将其值在0.43%和0.53%之间,这是符合无压冷冻冰的破坏应变(28,51,55]。当冻结压力上升到10 MPa,破坏应变减少到最低的0.33 - -0.4%。然后,破坏应变增加到0.36 -0.43%和0.40 -0.45%当冻结压力上升到20 MPa和30 MPa,分别,但仍低于冰试样的测试结果冷冻0.5 MPa的压力下。

就像前面提到的3.2。110 MPa的冻结压力不一定是最低的破坏应变的连续变异曲线,但失败的折线法应变仍值得关注的工程师。自冻结压力显著降低了冰的破坏应变,很可能冻结壁的变形形成的高压下过早进入塑性阶段。尤其是当地下水压力达到10 MPa,深冰的破坏应变相比可以减少26%的浅层冰。冻结壁的收敛变形应严格限制,以防止其承载力的快速下降。

4所示。结论

在这项研究中,提出了一种有效的方法来准备标准冰标本在高液压三轴压力室。使用这种技术,原位冰的单轴压缩试验标本20°C和冻结压力随温度范围-30 - 0.5 MPa。应变率范围是5×10⁻⁵-1.5×10⁻⁶年代⁻¹。主要研究结果总结如下:(1)拟议中的样品制备技术不断控制整个过程中试样的应力状态的冻结和测试,这是适用于原位力学试验加压冻结冰。制备试样的几何精度和温度分布符合测试规范。(2)冰的失效模式标本从剪切破坏分裂失败冻结压力的增加。冻结压力的影响冰标本的失败特征类似于低温,和延脆转变区搬到一个缓慢的应变率范围。(3)脆性指数的变化趋势和冰标本的峰值应力冻结压力是相同的:都先增加,然后下降,然后又增加了。然而,极端点的位置是不同的。脆性指数增加的值按照以下顺序:(20 MPa) < (0.5 MPa) < (10 MPa) < (30 MPa),峰值应力的价值关系σ_p(0.5 MPa) <σ_p(20 MPa) <σ_p(10 MPa) <σ_p(30 MPa)。(4)冰试样表现出脆性破坏时,冻结压力对残余应力的影响与峰值应力是一致的。当冰试样表现出韧性失败,没有明显的残余应力和冻结压力之间的关系。(5)冰的破坏应变标本先降低,然后增加冻结压力增加,并按照以下顺序值增加:ε_p(10 MPa) <ε_p(20 MPa) <ε_p(30 MPa) <ε_p(0.5 MPa)。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现可以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。

作者的贡献

宝生王、培新太阳和Yaodan张执行实验;宝生小王和鑫黄测试数据进行了分析;宝生王、陈Fengjun写的手稿;杨Weihao构思实验,提供了指导和建议。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号51874286)。