文摘

识别实验,温暖的压缩和含冰载荷作用下冻土是非凡的,这将导致明显的变形和稳定性的影响在寒冷地区基础设施建设。本文的实时计算机断层扫描测试,温暖和含冰冻结粉土。装货过程中微观结构特征进行了研究,和macromechanical行为同时获得。测试结果表明,温暖和含冰冻结粉土的应力-应变曲线是对温度敏感的;峰值应力与温度的降低,极大的增强和部分地区增加随着轴向应变的增加;含水量主要随轴向应变的增加而减小−1°C;含水量的变化不是很明显在加载−2°C的过程。起初密度损伤变化小,然后随轴向应变的进一步增加。

1。介绍

约20%的土地在中国大陆被永久冻土层覆盖。在冻土地区,力学性能一直是最广泛研究的一个方面在很多工程问题。冻土的力学行为的稳定性至关重要堤防工程建设,如高速公路、铁路和其他工程活动在冻土地区(1- - - - - -5]。此外,随着气候越来越暖和,冻土地区的工程建设中会遇到很多问题路堤稳定的含冰冻土和温暖。因此在多年冻土地区路基稳定性的评价,温暖和含冰的可能影响冻土必须被认为是(6- - - - - -8]。为了研究冻土的力学性能,使冻土工程的设计更加科学、合理,在温暖的一系列研究和含冰冻土。考虑含水量和温度的影响,(6]研究了温暖和含冰冻结粘土的强度特性进行单轴压缩试验。测试结果表明,应力-应变曲线的类型的温暖和含冰冻结粘土加工硬化,和样品的形式失败是塑料。文献[9]对温暖的可压缩行为进行了实验研究和含冰冻结粘土,发现冻粘土本质上是敏感负载和温度。文献[10)研究了含冰冻结粘土的动力强度特性在不同温度和围压压力。温暖和含冰冻土的蠕变行为也被研究人员。文献[11]研究了冻粘土的单轴蠕变测试各种含水量(40%,80%,120%)在温暖的温度(−0.3°C,−0.5°C,和−1.0°C),发现增加的应变速率降低。文献[12)进行了一系列调查温暖和含冰冻结粘土的蠕变变形与各种水在不同温度下的内容。

上述研究的最新进展是温暖和含冰冻结粉土。可以看出,温暖的macromechanical特征和含冰冷冻已获得;然而,很少有研究涉及的微机械特点含冰冻土和温暖。冻土的力学性能是由组成颗粒的性质和结构。含冰冻土的显微组织如图1。


图1
电子显微镜扫描图像。

谷物属性包括其大小,形状,压碎,等等,而冻土结构可以用孔隙比、组构张量,晶粒的取向轴,等等。有必要知道macromechanical财产和变形过程中微观组织演化的冻土。最近开发的计算机能力使得它能够处理这样的微观性质。非侵入性成像技术的发展与计算机断层扫描已开始允许内部结构的研究冻土的传播和含水量的局部变化的测量。CT定量测量技术是基于数字技术,用于检测和描述测试材料的截面特性,并已应用于冻土的调查13]。

为了探索温暖的变形和破坏行为和含冰冻结土壤,有必要进行细观微结构力学研究。摘要单轴压缩试验的温暖和含冰冷冻淤泥进行,和实时计算机断层扫描测试的组织传播法律在整个变形过程已经完成。横截面的应力-应变曲线和CT图像分析,和横截面的面积,体积含水量和密度损伤得到了传播。这项研究的结果可能有助于解释为什么温暖和含冰冻土因此受到损害并显示这样一个对比温度行为,这是至关重要的设计可能的解决方案来减少他们的损失在寒冷地区工程。

2。测试方法和过程

2.1。样品和设备

本文中使用的土壤测试是取自青藏铁路建设的网站和粒度分布在图2。准备的标本与气缸直径6.18厘米,高12.5厘米。平均含水量和干密度测试的标本中分别为40.0%和1.43克/厘米3,分别。准备的标本被(给定一个详细介绍14]。试样的准备结束后,样品被放在装载设备。


图2
泥沙的粒度分布。

本研究中采用的计算机断层扫描设备螺旋扫描西门子SOMATOM-PLUS x射线(见图3)。这个测试系统包括4部分:冷却槽循环系统,加载系统,计算机断层扫描机器,和数据采集系统。特殊的加载器与冷洗澡管道缠绕。酒精用作冷浴介质。数字温度控制系统的温度范围是−20 ~ 25°C和我们有一个温度精度±0.1°C。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
(一)电脑断层摄影术西门子SOMATOM-PLUS x射线和(b)的装载设备匹配后冻土电脑断层摄影术(文献[15])。
2.2。测试方法和流程

标本放置到装载设备后,泡沫橡胶海绵的装载设备被包裹,这是用来保持加载装置和冻土的温度稳定性。然后,温度调整到指定温度的数字温度控制系统。样品是0.3毫米/分钟的速度加载。轴向压力0时,1、3、6、10和15%,标本位置被调整至适当的扫描层的位置,如图4;然后扫描,电脑断层摄影术方法在特定的地平线冻土的样本。力值,部分区域和CT值被记录对应的加载系统的计算机系统。


图4
样品的扫描层的位置。

3所示。分析测试结果

我们回顾观测在照亮的弹塑性变形行为的进化机制的微观结构,从而失败。我们现在应当关心的完整发展整个应力-应变-位移曲线或事件。压力是通过计算平均的部队和除以适当的区域。轴向方向的应变计算使用当前试样长度和原样本长度。为了准确地研究温暖和含冰冻结粉土的应力-应变特征,部分地区冻土的进化样本应该研究。研究了截面变形受到加载使用CT扫描。从图5,可以看出有明显变化的部分地区的温暖和含冰冻结粉土加载过程。部分地区随着轴向应变的增加而增加。的最大截面面积增加约20%。


图5
横截面的传播温暖和含冰冻结粉土。

温暖和含冰冻结粉土的应力-应变曲线如图所示6。可以看出,名义应力之间存在显著差异,真正的压缩过程中压力。真正的压力是大大超过名义应力与轴向应变的增加。结果还表明,应力的计算应考虑截面面积的变化。温暖和含冰冻结粉土的应力-应变行为大约经历两个阶段:最初的线弹性阶段,压力与轴向应变的增加线性增加,并在这个阶段,几乎没有塑性应变和塑性阶段,塑性变形是控制在进一步加载过程中,弹性变形是相对次要。


图6
温暖和含冰冻结粉土的应力-应变曲线。

干密度和含水量可以反映冻结粉土的微观结构的变化与变形过程,涉及相关孔或微裂纹。非弹性密度变化是指定为体积膨胀或压缩取决于是否有增加或减少,分别。温暖和含冰冻结粉土可能被视为弹塑性材料,其中加载下的压缩性是非凡的。考虑到塑料材料没有明显的裂纹在加载过程中,准确的损伤不能直接从视觉形象传播。可以确定准确的损害传播相应的CT扫描片的价值观。更重要的是调查的CT值的变化规律加载过程。下面的方程显示CT值和x射线吸收系数之间的关系的测试材料(16]: 在哪里 单位是x射线吸收系数测试材料质量; 是水的x射线吸收系数。 测试材料的CT值。

x射线吸收法符合原则。冻土的x射线吸收系数可以表示为下列方程(16]: 在哪里 是体积含水量; 干密度; 和 水和土壤的x射线吸收系数是粒子。

表1包含扫描片相应菌株的CT值0,1、3、6、10和15%。有人指出每个切片扫描的CT值有一定的规律与破坏传播的冰冻的淤泥。轴向应变的CT值增加而增强;随着轴向应变的进一步增加,CT值降低。

表1
CT扫描片的值的分布规律。

图7描述了水的规律性内容来自地震断层。温暖和含冰冻结粉土的含水量−1°C最初随轴向应变的增加而减小;然后水含量增加。随着轴向应变的进一步增加,水分含量降低。温暖的含水量和含冰冻结粉土在加载−2°C的变化小的过程。


图7
的体积含水量分布含冰冻结粉土和温暖。

图8显示了温暖和含冰冻结粉土的CT图像。很明显,边缘的标本 有点光滑;然而,一旦压力增加 ,变得粗糙,边缘有很多毛边,这意味着冻土的结构已被破坏。CT图像不能代表准确的视觉观察内部结构的变化。为了更好地描述传播的内部结构,密度损伤定义了下列方程(16]: 在这 土的干密度粒子; 克/厘米3; 是体积含水量; 是有效的扩张。


图8
CT图像与 和 温暖的和含冰冻结粉土。

基于水的分析内容,温暖和含冰的密度损伤冻结粉土在不同的加载阶段已在图9。


图9
分布密度损伤的温暖和含冰冻结粉土。

结果表明,初始密度损伤样品在不同片不同,但变化趋势是相似的。一般来说,起初密度损伤变化小;然后随轴向应变的进一步增加。密度损伤曲线的非线性特征明显−1°C;然而,损失曲线表现出几乎是线性的增加,轴向应变的增加−2°C。

4所示。结论

电脑断层摄影术的非破坏性技术被用来评估内部结构传播的温暖和含冰冻结粉土。温暖和含冰冻结粉土的峰值应力,这是对温度敏感,可以极大地增强了随温度的降低从−1°C到−2°C。温暖和含冰冻结粉土的真正压力明显大于名义应力,所以温暖和含冰冻土的力学分析应该考虑截面面积的变化。随着轴向应变的增加,部分区域增加,和最大数量的截面面积增加约20%;含水量主要随轴向应变的增加而减小−1°C,和含水量的变化不是很明显在加载−2°C的过程。刚开始的密度损伤变化小;然后随轴向应变的进一步增加。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51204161)和中央大学的基础研究基金(2012 qna57)。