冻土原位旁压蠕变试验粘弹性模型分析

张虎 张建明 苏凯 刘世伟

摘要：研究高温高含冰量冻土的蠕变特性，采用Menard旁压仪在青藏高原多年冻土区开展了大量的旁压蠕变试验，利用Merchant粘弹性模型对蠕变曲线进行回归分析并得到模型参数。结果表明，温度对高温冻土力学性质的影响要大于含水量。随着压力的增加，每级压力下冻土的瞬时应变在总应变中所占的比例逐渐减小。回归分析发现，瞬时剪切模量与负温的绝对值呈线性关系，而延迟剪切模量和粘滞系数与负温的绝对值之间为幂函数关系；当冻土的含水量达到46%时，各参数均出现峰值，而后缓慢减小，此结果与低温冻土有所差别。

关键词：青藏高原；高温高含冰量冻土；旁压仪；粘弹性

中图分类号：TU413.3文献标志码：A文章编号：16744764（2013）06002206

高温冻土由于含有大量的未冻水，所以物理力学性质非常的不稳定，具有强度小，压缩性大，对温度非常敏感的特性[12]。在青藏高原，高温冻土的分布是非常广泛的[3]，同时近年来高温冻土区的工程活动也在不断增加。为了保证该地区工程建筑的安全运营，对高温冻土尤其是高温高含冰量冻土物理力学性质的深入研究也变得越来越重要。

旁压仪作为一种方便操作的原位试验装置在冻土力学领域已经得到了非常广泛的应用[47]。利用旁压仪不仅可以得到冻土的应力应变曲线[89]，还能得到冻土的一些蠕变参数[1011]。Ladanyi[12]在冻土区开展了大量的旁压蠕变试验后提出了一种幂函数模型来描述旁压试验的衰减蠕变。Murat等[13]采用这种幂函数模型分析了海冰中旁压蠕变的试验结果，并对此模型进行了改进。马小杰等[14]在青藏高原冻土区开展了短期旁压蠕变试验，采用此模型进行了参数反演，分析了模型参数与温度、含水量之间的关系。

上述蠕变模型为经验模型，其参数并没有明确的物理含义。为了更方便地进行高温冻土的变形计算，从实际工程角度出发，选择一种表述简单、参数意义明确的模型成为亟待解决的问题。Merchant模型是一种能够反映一般线性粘弹性材料全部特性的模型，该模型参数较少，使用简便，在土力学中得到非常广泛的应用[15]。本研究利用旁压仪在青藏高原冻土地区进行了原位旁压蠕变试验，并利用Merchant模型对试验结果进行了分析，得出各试验的模型参数，并得到了参数与影响因素的关系。张虎，等：冻土原位旁压蠕变试验粘弹性模型分析1试验场地

1.1场地介绍

试验场地位于青藏高原腹地风火山北坡北麓河盆地，见图1。此地平均海拔4 618 m，寒冷干旱，年平均气温为-3.8℃，极端最高气温23.2℃，极端最低气温-37.7℃[16]。该地区地表平坦、植被稀疏，表面多粉砂，附近多热融湖塘。据试验前钻探资料显示，该场地多年冻土厚度大于15.0 m，天然上限深度一般为2.5～3.0 m，上限以下3.0～3.5 m范围内地下冰比较发育，冻土年平均地温为-0.3～-1.2℃，属高温不稳定多年冻土区。

1.2试验点冻土条件

由于冻土地温观测的需要，此场地内安装有很多的测温电缆，为了得到旁压试验处冻土的真实温度，我们尽量将试验孔位靠近测温电缆。除了温度外，含水量也是影响冻土力学性质的主要因素之一。因此，为了得到冻土的含水量，我们在钻孔时将试验深度处的冻土取样、烘干，测量含水量。所有试验点的深度、土质、温度和含水量见表1。由表中可以看出，所有试验的土质均为粘土；试验深度范围为2.6～6.4 m，平均深度为4.2 m；试验点温度范围为-0.23～-1.26℃，平均值为-0.59℃；含水量范围为15.9～94.2%，平均值为34.8%。从冻土条件来看，旁压试验结果能够反映高温-高含冰量冻土的特征。2试验仪器与操作

2.1试验仪器

试验所用的旁压仪为Menard预钻式旁压仪，试验时首先在土中钻一竖向钻孔，再将旁压探头下放到孔内预定的试验深度进行旁压试验。旁压仪由3部分组成： G型旁压探头、压力控制系统，压力源，如图2。本仪器的工作原理是由外部压力源提供压力，然后利用压力控制系统调节由液体介质传递到旁压探头的压力值，从而使得孔壁在压力下水平扩张。为了防止仪器中的液体在试验过程中发生冻结，传压介质采用的是稀释了一半的防冻液。

2.2钻孔与试验操作

旁压探头外径为74 mm，高度为40 cm。在钻孔时，选取的钻头外径为76 mm，那么钻取的孔径略大于旁压探头外径而使得探头很方便放入孔中。钻孔深度一般比预定试验深度略深30 cm左右，以保证旁压探头上下两端能够同步受压膨胀。本次共开展了17个旁压蠕变试验：分为第3组和第4组（如表1中试验号所示）。试验均采用等压力加载形式，第3组加载等级为0.15 MPa，每次加载后持续约60 min。第4组加载等级为0.3 MPa，加载后持续时间各不相同，最长为420 min，最短为120 min。加载期间每隔1～10 min记录一次压力和体积读数。当旁压仪体积读数达到750 cm3时停止试验。 3试验结果

在旁压蠕变试验中，蠕变应变在每级压力下的变化特征如图3所示 （图中旁压蠕变应变ε是指孔洞的半径变化量与孔洞初始半径之比）。从曲线整体趋势来看，冻土的应变随压力增大不断增加，而且其应变速率也逐渐增大；而在每级压力下，冻土首先发生瞬时变形，然后发生蠕变，蠕变曲线均呈现衰减型。观察发现，试验开始后在前1或2级压力下的瞬时应变较后面几级压力下的瞬时应变要大得多，这说明钻孔过程中孔壁周围的原始地应力得到释放而使冻土的结构产生了一定的改变；当试验压力达到冻土的原始地应力水平时，冻土的结构才基本恢复。所以在分析试验结果时一般要将受到扰动下的数据点排除掉。

3.1不同温度、含水量下蠕变曲线对比

以0.9 MPa压力下的蠕变试验为例，图4表示不考虑冻土瞬时变形时，在温度或含水量相近的情况下冻土的蠕变曲线对比。试验41与试验49的含水量相近而温度相差较大，分别为-1.13、-031℃。明显可见，在某一相同时刻前者的应变速率及应变量均远远小于后者，这说明温度对冻土的流变性影响很大，温度越高流变性越强。试验48与试验49的温度相近，而含水量分别为621%和28.8%。可以看出，前者的应变速率与应变量要大于后者，不过相差幅度却并不大，说明含水量对冻土流变性有一定的影响，但是影响程度不如温度显著。故可得出结论：与冻土含水量相比较，温度是影响冻土变形性质的主要因素。

3.2瞬时应变与总应变分析

从图5中可以看出，将受到扰动下的数据点排除后，在较低压力时冻土的瞬时变形较小，而且每级压力下的数值基本保持不变；而当压力增加到一定数值时瞬时应变迅速增加。造成这种变化特征的原因是在压力较小时，冻土的结构虽然发生改变，但是仍在承受范围内没有发生破坏；当压力达到一定值后其结构逐渐发生破坏，导致变形急剧增加。然而，每级压力下的总应变随压力的增加一直呈现增加趋势，且增加速率不断加大。与瞬时应变趋势相对应，总应变也出现了明显的转折点，转折点之前总应变的增加速率较小，转折点之后总应变的增加速率明显增大而且几乎保持恒定。

5结论

通过对高温高含冰量冻土开展原位旁压试验，得出以下结论：

1）含水量相近时温度越高冻土的流变性越大；温度相近时含水量越高冻土的流变性越大，然而其对冻土流变性的影响不如温度显著。

2）当压力较小时，冻土大体表现为弹性变形，其应变随压力按比例增加；当压力超过一定值后，其结构逐渐发生破坏，导致变形加速增长。在每级压力下冻土的瞬时应变在总应变中所占的比例平均为4%，此比例随着压力持续时间的延长而减小。

3）利用Merchant粘弹性模型对试验曲线进行回归分析得到了模型中的力学参数。分析发现，G1与负温的绝对值呈线性关系，而G2和η与负温的绝对值为幂函数关系；当含水量增加到46%时，各参数均出现峰值，而后缓慢减小，此结果与低温冻土有所差别。

4）本文是对原位试验数据结果的一个定性分析，将模型中各参数与影响因素之间的关系定量化是下一步工作的重点。

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