温度效应下的冻结砂土经验蠕变模型分析

2021-12-15马祖飞高亚飞

水力发电 2021年9期

杨明，马祖飞，高亚飞，张雯

(1.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西榆林 719000；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

0 引言

随着我国隧道、深基坑等地下工程的不断发展，在地下工程建设过程中通常利用人工冻结法建立临时冻结壁，而温度是影响冻结壁强度与稳定性的主要因素，因此需要探究在低温条件下周围土体的强度特性、蠕变变形规律等物理力学行为[1- 4]，以此建立合适的本构模型并对其进行预测，以保证工程土体在开挖过程中的稳定性和安全性。

近年来，许多学者针对冻土进行了大量的试验探究，通过建立相应的本构模型来描述其力学性质，并取得了一定的的研究成果。赵晓东等[5]进行不同温度梯度的三轴蠕变试验，探究了温度对蠕变变形规律的影响。郭梦圆等[6]利用粒子群算法对S-M模型进行参数识别，将模型计算曲线与试验曲线进行对比，曲线吻合度较好，为预测土体蠕变变形提供了一种新的思路。罗飞等[7]为研究冻结砂土的蠕变特性，在元件模型的基础上，引入损伤变量，建立新的蠕变模型，较好地描述蠕变的全过程，尤其是加速度蠕变阶段。陈军浩等[8]考虑传统整数阶模型的不足，在广义开尔文中引入分数阶理论，模拟出人工冻土的稳态蠕变变形规律。刘萌心等[9]通过不同温度下进行的加载试验，并在一维蠕变模型中考虑应力历史的作用，采用回归分析的方式确定模型参数，与试验结果进行对比发现具有较高的精度。马冬冬等[10]对冻结砂土进行主动围压试验，并结合应力-应变曲线各个阶段变化特点，分析砂土破坏特征形态。杜海民等[11]通过分析三轴压缩试验数据，探究含水量对屈服面的影响，建立考虑含水量影响的偏应力-剪应变增量型函数关系式，通过该函数关系计算的模拟值与试验结果吻合度较高。

本文主要在冻结砂土单轴抗压强度试验基础上，对其进行不同温度以及加载应力下的单轴压缩蠕变试验，并进行影响因素分析。引入S-M经验蠕变模型，考虑温度和加载应力的影响，对模型参数进行识别，得到改进的冻结砂土S-M经验蠕变模型，为人工冻结法更好地应用于实际工程提供一种理论支撑。

1 单轴压缩蠕变试验

1.1 试验方案

本文采用西北地区的砂土作为研究对象，将含水率为16%的重塑砂土制作成尺寸为直径50 mm、高100 mm的圆柱试样，分别在-5、-10、-15、-20 ℃这4种温度水平下，采用分级加载的方式进行单轴压缩蠕变试验。基于冻结砂土单轴抗压强度试验，每个温度下试验的单轴抗压强度峰值为σ，分级加载应力分别为0.1σ、0.2σ，具体加载应力强度见表1。从表1可知，单轴抗压强度峰值随温度的降低不断增大。试验仪器采用WDT-100型冻土压力试验机，当试验满足试验力下降20.0%、应变超过8.0%、试验时间超过10 h这3种情形之一时，试验自动停止。

表1 冻结砂土加载应力强度σ

1.2 试验结果分析

冻结砂土单轴抗压强度峰值与温度拟合关系见图1。从图1可知，温度T与加载应力强度σ之间近似呈线性变化，函数表达式为

图1 温度与加载应力强度关系

(1)

不同温度及加载应力下的冻结砂土单轴蠕变试验曲线见图2。从图2可知，当加载荷载为低应力0.1σ和0.2σ时，试验曲线均表现为衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段，未呈现出加速度蠕变趋势。温度对蠕变变形量影响较大，在0.2σ加载等级下时较为明显。随着温度逐渐越低，试样中的未冻水逐渐减少，抗压强度增大，导致蠕变变形量逐渐减小。同一温度下，随着加载应力的增加，蠕变变形量也相应增加。不同温度及加载应力下的蠕变曲线均在较短时间内达到稳定状态。