冻结黏土单轴与主动围压状态SHPB试验对比分析

马冬冬，马芹永，袁 璞，姚兆明

(1. 安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心, 安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大学 土木建筑学院, 安徽 淮南 232001)

冻结黏土单轴与主动围压状态SHPB试验对比分析

马冬冬1, 2，马芹永1, 2，袁 璞1, 2，姚兆明1, 2

(1. 安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心, 安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大学 土木建筑学院, 安徽 淮南 232001)

利用分离式Hopkinson压杆试验装置，进行了冻结黏土在单轴与主动围压两种状态下的动态冲击压缩试验，对比分析了单轴与主动围压状态下冻结黏土的动态应力-应变曲线、动态抗压强度和破坏模式。研究结果表明：单轴状态下，温度为-15 ℃时，动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段；主动围压状态下，-5 ℃和-15 ℃的动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。在相同应变率和冻结温度的条件下，主动围压状态下冻结黏土的动态抗压强度均高于无围压状态，动态抗压强度随着主动围压的增加而增大；当冻结温度和围压相同的条件下，动态抗压强度随应变率的提高而增大；单轴状态下，温度为-5 ℃时，冻结黏土呈塑性破坏，温度为-15 ℃时，冻结黏土呈脆性破坏。

动力学；冻结黏土；SHPB；围压；动态抗压强度

冻土的动力学性能是冻土力学的重要组成部分，主要研究动荷载作用下冻土的变形和强度特征及土体的稳定性[1]。为提高施工速度，减轻劳动强度，在各类冻土工程中，使用如钻爆法，盾构法等各种炸药或机械掘进的方法进行冻结土体开挖[2]，其实质是冻土在各种动荷载作用下的快速变形，致使冻土中的各种孔隙、裂纹不断快速发展、扩张，最终使冻土破碎，冻土冲击破坏问题是多学科的交叉问题。动荷载作用下土体的力学响应与静态和准静态提供的试验参数有很大区别，因此冻土的动态力学性能受到越来越多的关注和重视[3-4]。

分离式Hopkinson压杆(Splitting Hopkinson Pressure Bar，SHPB)可用于测试材料的动力学性能，很多国内外学者将SHPB技术应用到冻土材料方面的研究，国外如美国Sandia实验室研究了温度和应变率对冻结黏土动态力学性能的影响[5]。陈柏生等[6-7]研究了应变率、温度、含水率等参数对冻土动态单轴冲击压缩性能的影响，并建立了动态黏弹性损伤本构模型。马芹永等[8-9]对比分析了单轴和被动围压两种受力条件状态下人工冻土的动态破坏特征和强度特征。Xie等[10]在获得冻土动力学性能的基础上，从能量的角度建立了冻土动态本构方程。

由于冻土在开挖之前已经处于一定的应力状态，因此，研究围压状态下冻土的动态力学性能与实际工程情况更相符，以往对冻土动态力学方面的研究多为无围压或被动围压状态，而针对主动围压状态下冻土动力学性能的研究较少。

本文以山东济宁某矿冻结黏土为研究对象，采用直径50 mm的变截面SHPB试验装置，对单轴和主动围压状态下冻结黏土试件进行冲击压缩试验，将两种状态下冻结黏土的动态力学性能进行对比分析，为冻土工程中动力学参数的选取提供试验基础。

1 冻结黏土试样制备

土样为取自山东济宁某矿-174.2～-174.8 m处冻结黏土，采用重塑土进行试验，首先将原状土击碎后放入105 ℃烘箱中烘12 h，然后使用2.5 mm筛网筛除大粒径土颗粒，加入蒸馏水后均匀拌合，静置24 h，使土样各部分含水率均匀，重塑土含水率与原状土相同，为19.01%。为消除试样尺寸效应对SHPB试验结果的影响，冻结黏土试样长径比为0.5[11]。每次取105.34 g土样放入内径50 mm、高度25 mm的击实器中，分三层击实，抹平后拆模放入-5 ℃和-15 ℃的低温试验箱中，冻结24 h后进行冲击试验。重塑土干密度为1.75 g/cm3，重塑黏土颗粒级配如表1所示。

表1 黏土颗粒级配Tab.1 Particle size distribution of clay mm

2 SHPB试验设计

2.1冻结黏土SHPB试验方案

冻结黏土SHPB试验方案如表2所示，其中，主动围压0 MPa代表单轴状态。

2.2SHPB试验装置和数据处理

试验采用Ф50 mm变截面SHPB试验装置，见图1，撞击杆、入射杆和透射杆均采用同一种高强度合金钢材料，撞击杆长度为0.6 m，入射杆和透射杆长度分别为2.4 m和1.2 m。围压装置主要由油缸、进油管、出油管和底座组成，见图2，试验时将土样放在入射杆和透射杆之间，手动施加围压，待读数表上的围压值达到预定值后，关闭进油阀和出油阀，打开出气开关，使撞击杆以一定的冲击速度撞击入射杆，在入射杆中产生一个入射脉冲，当应力波传播到土样表面时会产生反射脉冲和透射脉冲，通过入射杆上的电阻应变片采集入射和反射脉冲，通过透射杆上的半导体应变片采集透射脉冲，入射杆和透射杆上的应变片与土样的距离分别为1.2 m和0.3 m。

表2 冻结黏土SHPB试验方案Tab.2 SHPB tests design for frozen clay

图1 SHPB试验装置Fig.1 SHPB equipment

图2 围压装置Fig.2 Confining pressure device

由SHPB试验中的两个基本假定，将采集到的原始波形利用三波法进行数据处理[12]，得到试件的应力、应变和应变率。

3 冻结黏土SHPB试验结果与分析

3.1试验数据可靠性分析

图3为单轴和主动围压状态下试验获得的应变率时程曲线，可以看出，单轴和主动围压状态下冻土的应变率时程曲线都有一段近似的平台段，说明试验可以实现恒应变率加载[13-14]，试验数据具有可靠性。

图3 冻结黏土受冲击荷载时应变率时程曲线Fig.3 Strain rate-time curves of frozen clay in SHPB tests

3.2单轴状态动态应力-应变曲线

图4为单轴状态下，冻结黏土在-5 ℃和-15 ℃时的动态应力-应变曲线。

图4 冻结黏土动态单轴应力-应变曲线Fig.4 Dynamic stress-strain curves under uniaxial loading state of frozen clay

由图4可知，温度为-5 ℃，应变率为215 s-1时，冻结黏土的动态应力-应变曲线可分为4个阶段，分别为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和缓慢应变软化阶段。压密阶段反映冻土试样内部孔隙逐渐闭合，曲线呈上凹状；弹性阶段试样内部孔隙进一步被压密，应力-应变曲线呈线性关系；应力到达屈服点后进入塑性阶段，冻土材料发生不可逆的塑性变形；塑性阶段结束时达到峰值应力，之后应力并未迅速下降，而是在应变不断增加的情况下仍能保持一定的承载能力，此阶段为缓慢应变软化阶段。温度为-15 ℃，应变率为210 s-1时，冻结黏土的动态应力-应变曲线可分为3个阶段，分别为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段，应力-应变曲线达到峰值应力后，随着应变的继续增加，应力迅速下降，进入破坏阶段，与-5 ℃时相比，无压密阶段和缓慢应变软化阶段。

3.3主动围压状态动态应力-应变曲线

图5和图6分别为主动围压状态下，冻结黏土在-5 ℃和-15 ℃时的动态应力-应变曲线。

图5 -5 ℃时主动围压冻结黏土动态应力-应变曲线Fig.5 Dynamic stress-strain curves of frozen clay under confining pressure state at -5 ℃

图6 -15 ℃时主动围压冻结黏土动态应力-应变曲线Fig.6 Dynamic stress-strain curves of frozen clay under confining pressure state at -15 ℃

由图5和图6可知，主动围压状态下，-5 ℃和-15 ℃时冻结黏土的动态应力-应变曲线均可分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。随着围压的增大，冻结黏土峰值应力逐渐增加，但极限应变并未随着主动围压的增加而改变，不同主动围压的应力-应变曲线表现出汇聚现象，汇聚点趋向于低围压状态。

3.4单轴和主动围压状态动态抗压强度

取动态应力-应变曲线峰值应力作为冻结黏土的动态抗压强度。不同冻结温度和应变率时，单轴和主动围压状态冻结黏土的动态抗压强度见图7。

图7 单轴和主动围压状态冻结黏土动态抗压强度Fig.7 Dynamic compressive strength under uniaxial loading and confining pressure states of frozen clay

由图7可知，在相同应变率和冻结温度的条件下，主动围压状态下冻结黏土的动态抗压强度均高于无围压状态，动态抗压强度随着主动围压的增加而增大，但不同温度条件下的增加幅度有所不同，冻结温度为-5 ℃、应变率为215 s-1时，主动围压为0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa时的动态抗压强度分别为无围压状态下的142%、152%和170%。在冻土试样周围施加0.5 MPa的主动围压后，动态抗压强度增幅较大，但随着围压的增大，其增幅减小。分析可知，围压对冻土的影响主要体现在两个方面[15-16]，首先，与无围压状态相比，施加围压后会导致冻土变形过程中内部裂隙和孔洞的发展受到限制，颗粒之间的胶结作用得到一定程度的增强，宏观上表现为冻土强度提高；但随着围压的进一步增大，将会引起冻土内部冰发生压融，导致未冻水含量增加和冻土内部微裂纹的扩展，从而降低冻土强度。对于-5 ℃时的冻结黏土，无围压状态下动态抗压强度仅有1.7 MPa，当围压施加到1.5 MPa时将会导致冻土内部损伤，造成冻土动强度增幅减小。温度为-15 ℃、应变率为210 s-1时，主动围压为0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa时的动态抗压强度分别为无围压状态下的108%、121%和161%，可以看出，围压在1.0 MPa以下时，动态抗压强度增幅较小，当围压从1.0 MPa增大到1.5 MPa时，动态抗压强度增幅较大。对于-15 ℃时的冻结黏土，由于其单轴抗压强度较高，1.5 MPa以内的围压对其的影响主要体现在促进其强度增长方面，因此动态强度随着围压的增加增幅较大。

在相同主动围压和相近应变率条件下，-15 ℃冻结黏土动态抗压强度均大于-5 ℃，这是由于温度的降低会导致冻土中未冻水含量降低，土颗粒的胶结强度变强，强度增大。

3.5主动围压状态下应变率效应

图8为温度为-5 ℃，主动围压为1.0 MPa时，不同应变率条件下冻结黏土的动态应力-应变曲线。由图8可知，温度相同时，主动围压状态下冻结黏土的峰值应力、峰值应变和极限应变均随应变率的增加而增大。

图8 主动围压状态不同应变率动态应力-应变曲线Fig.8 Dynamic stress-strain curves with different strain rates under confining pressure state

图9为冻结黏土动态抗压强度与应变率的关系。可以看出，当冻结温度和围压相同的条件下，冻结黏土的动态抗压强度均随应变率的提高而增大，表明冻土是一种应变率敏感性材料。主动围压分别为0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa状态下，冻结温度为-5 ℃时，冻结黏土在265 s-1时的动态抗压强度分别为170 s-1的1.56倍、1.40倍和1.25倍；冻结温度为-15 ℃时，冻结黏土在245 s-1时的动态抗压强度是160 s-1的1.26倍、1.38倍和1.24倍。

图9 冻结黏土应变率与动态抗压强度的关系Fig.9 Relation between dynamic compressive strength and strain rate of frozen clay

3.6冻结黏土SHPB破坏形态

单轴和主动围压状态下冻结黏土SHPB破坏形态如图10所示。单轴状态下，温度为-5 ℃时，呈塑性破坏，温度为-15 ℃时，呈脆性破坏。冻土是一种由固体颗粒、冰、液态水和气体组成的非均质、各向异性的四相复合体，由于冰的存在，导致冻土的物理力学性能和未冻土相比有很大差异[18-19]，随着温度的降低，未冻水含量减小，土体内部颗粒之间黏结力变强，材料变脆，在高应变率下土体破坏形态由塑性转变为脆性。主动围压状态下，-5 ℃和-15 ℃时冻结黏土均无明显破裂，这是由于主动围压的存在，冻结黏土试样在破坏时内部裂纹扩展受到约束。

由图10(a)中单轴加载条件下，-5 ℃时冻结黏土的破坏形态可知，在加载后期，土样的横截面积大于杆的横截面积，因此图4应力-应变曲线中后期阶段的划分尚有待进一步研究。

4 结 论

通过进行单轴和主动围压两种状态下冻结黏土的动态冲击压缩试验，对比分析了两种状态下冻结黏土动态力学性能的变化规律，主要结论如下：

(1) 单轴状态下，温度为-15 ℃，应变率为210 s-1时，动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。主动围压状态下，-5 ℃和-15 ℃时冻结黏土的动态应力-应变曲线可分为弹性阶段，塑性阶段和破坏阶段。随着主动围压的增大，冻结黏土峰值应力逐渐增加，但极限应变并未随着主动围压的增加而改变。

(a) -5 ℃、215 s-1时冻结黏土SHPB破坏形态

(b) -15 ℃、210 s-1时冻结黏土SHPB破坏形态
图10 冻结黏土SHPB破坏形态
Fig.10 Failure mode of frozen clay in SHPB tests

(2) 在相同应变率和冻结温度的条件下，施加围压后会使冻土变形过程中内部裂隙和孔洞的发展受到限制，主动围压状态下冻结黏土的动态抗压强度均高于无围压状态，动态抗压强度随着主动围压的增加而增大，当冻结温度和主动围压相同的条件下，动态抗压强度随应变率的提高而增大。

(3) 单轴状态下，温度为-5 ℃时，冻结黏土呈塑性破坏，随着温度的降低，未冻水含量减小，土体内部颗粒之间黏结力变强，材料变脆，温度为-15 ℃时，冻结黏土呈脆性破坏。

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ComparisonanalysisandSHPBtestsonartificialfrozenclayinuniaxialloadandconfiningpressurestates

MA Dongdong1, 2, MA Qinyong1, 2, YUAN Pu1, 2, YAO Zhaoming1, 2

(1. Engineering Research Center of Underground Mine Construction, Ministry of Education, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Dynamic impact tests on artificial frozen clay in uniaxial loading and confining pressure states were carried out by using the splitting Hopkinson pressure bar(SHPB) equipment. The dynamic stress-strain curves, the dynamic compressive strength and failure modes of artificial frozen clay under the two experiment conditions were analyzed. The results show that in the uniaxial loading state at -15 ℃, the dynamic stress-strain curves can be divided into three stages: elastic stage, plastic stage and failure stage. In the confining pressure state at -5 ℃ and -15 ℃, the dynamic stress-strain curves can be divided into three stages: elastic stage, plastic stage and failure stage. At the same strain rate and freezing temperature, the dynamic compressive strength in the confining pressure state is larger than that in the uniaxial loading state, and it exhibits a positive sensitivity between the confining pressure and strain rate. In the uniaxial loading state, the failure modes are plastic failure and brittle failure for artificial frozen clay at -5 ℃ and -15 ℃, respectively.

dynamic mechanics; artificial frozen clay; splitting Hopkinson pressure bar(SHPB); confining pressure; dynamic compressive strength

P642.14

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.19.039

国家自然科学基金(50874003)；安徽理工大学研究生创新基金(2017CX1001)

2016-05-20 修改稿收到日期：2016-08-08

马冬冬 男，博士生，1991年生

马芹永 男，博士，教授，1964年生