不同含水率与围压下伊犁高温冻土三轴力学试验特性研究.pdf

DOI：10.12401/j.nwg.2023006不同含水率与围压下伊犁高温冻土三轴力学试验特性研究朱赛楠1，赵慧1，*，魏云杰1，郑剑锋2，王文沛1，张楠1（1.中国地质环境监测院，北京100081；2.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000）摘要：为了探究含水率与围压变化对高温冻土物理力学性质的影响，以新疆伊犁河谷高温冻结黄土为研究对象，开展了黄土的矿物成分、物理性质，以及不同含水率和围压条件下冻土的三轴压缩试验。结果表明：伊犁黄土的粉粒与黏粒粒组含量占比较高，对冻融作用的反应敏感。低含水率时表现为应变软化现象，破坏形态以脆性剪切破坏为主，饱和含水率时表现为应变硬化现象，破坏形态以塑性鼓胀变形破坏为主，软化系数随含水率增大而逐渐减小。随着含水率增大，峰残内摩擦角逐渐降低，峰残黏聚力逐渐增大，变形模量逐渐增大。随着围压增大，弹性模量和损伤演化特征参数均逐渐降低，引入的损伤力学本构模型能够较好地描述高温冻土在不同含水率和围压影响下的应力应变全过程。研究成果可为伊犁河谷冻融滑坡成灾机理研究提供力学参数与理论依据支撑。关键词：伊犁黄土；高温冻土；三轴试验；峰值强度；残余强度；损伤力学模型中图分类号：P642.3文献标志码：A文章编号：1009-6248（2023）05-0140-11Experimental Study on Triaxial Mechanical Properties of HighTemperature Frozen Loessunder Different Moisture Content and Confining Pressure in Yili,XinjiangZHU Sainan1，ZHAO Hui1，*，WEI Yunjie1，ZHENG Jianfeng2，WANG Wenpei1，ZHANG Nan1（1.China Institute of GeoEnvironment Monitoring,China Geological Survey,Beijing 100081,China；2.State Key Laboratory of Frozen SoilEngineering,Northwest Institute of EcoEnvironment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,Gansu,China）Abstract：In order to explore the influence of moisture content and confining pressure on the physical and me-chanical properties of hightemperature frozen loess,taking the loess as the research object in Yili valley,Xin-jiang.The mineral composition and physical properties of loess,as well as the triaxial compression tests underdifferent moisture content and confining pressure were carried out.The results show that the content of silt andclay is high in Yili loess,which is sensitive to freezingthawing.At low water content,the failure mode is strainsoftening and brittle shear failure,while at saturated water content,the failure mode is strain hardening and plas-tic bulging deformation failure.The softening coefficient decreases gradually with water content increasing.收稿日期：2022-05-17；修回日期：2022-11-23；责任编辑：贾晓丹基金项目：国家重点研发计划课题“重大崩滑灾害隐患精准识别与风险评价研究”（2021YFC3000404），“复合链生灾害监测与人工智能预测技术”（2022YFC3004302），中国地质调查局项目“重大高位远程地质灾害防治技术集成应用”（DD20179609、DD20190637、DD20221748）联合资助。作者简介：朱赛楠（1984），男，博士，高级工程师，主要从事工程地质与地质灾害等方面的研究。Email：。*通讯作者：赵慧（1981），女，高级工程师，主要从事地质灾害与防治方面的工作。Email：。第 56 卷 第 5 期西 北 地 质Vol.56No.52023 年（总 231 期）NORTHWESTERN GEOLOGY2023（Sum231）With the increase of water content,the peak residual friction angle gradually decreases,the peak residual cohe-sion gradually increases,and the deformation modulus increases.With the increase of confining pressure,theelastic modulus and characteristic parameters of damage evolution gradually decrease,and the damage mechan-ics constitutive model introduced can better describe the whole process of stress and strain of hightemperaturefrozen loess under different water content and confining pressure.The research results can provide mechanicalparameters and theoretical basis for the study of mechanism of freezethaw landslide in Yili Valley.Keywords：Yili loess；hightemperature frozen soil；triaxial test；peak strength；residual strength；dam-age mechanics model 新疆伊犁河谷地区广泛发育黄土冻融滑坡，据有时间记载的 380 处黄土滑坡中，发生在冻融期内的有161 处，占总数的 42%（徐张建，2007；朱赛楠等，2019）。冻融黄土滑坡的形成一方面是由于冻融循环作用破坏了冻土内部结构，降低了土体的力学强度；另一方面是冻土温度变化改变了土体的渗透性，阻断了地下水 渗 流 排 泄 通 道（Chamberlain，1979；Othman et al.，1993）。与黄土高原的黄土相比，伊犁黄土的粉粒含量较高，砂粒含量低，干密度偏低，含水率较高，存在一定数量的大孔隙，结构较疏松（叶玮等，2005；尹光华等，2009）。其中，多数冻融滑坡发生时处于高温冻土的状态，高温冻土是一种由土、冰、未冻水和空气等多相介质组成的复合多孔集合材料，温度的微小波动都会引起冻土中未冻水含量发生较大变化，从而导致冻土力学性质发生明显的变化，高温冻土的温度一般为1.50（赖远明等，2007）。高温冻土的物理力学性质具有强烈的不稳定性，极易在温度变化的影响下发生实质性改变。因此，对高温冻土工程地质特性的研究，特别是物理力学性质的研究对黄土冻融滑坡失稳机理具有重要意义（宋友桂等，2010；刘世伟等，2012；张艳玲等，2021；王海芝等，2022）。高温冻土又称近相变区冻土，与常规冻土本质的区别是未冻水的存在，高温冻土本质上是塑性冻土，具有较大的压缩性，常规冻土以脆性为主，压缩性较差。高温冻土中含水率的不同，表现出来的物理力学性质也具有较大差异，也直接影响冻土的工程地质性质。崔托维奇（1985）通过研究认为，常规冻土的体积压缩系数随着含水率增大而增大。朱元林等（1982）、苏凯等（2013）发现高温高含冰量冻土具有较大的压缩性，体积压缩系数随着土体温度升高而增大，随着含水率的增大而减小。研究人员通过大量现场试验与室内试验，逐步加深了含水率变化影响高温冻土强度和变形这一问题的认识。Jessberger（1981）、赖远明等（2007，2009）分析了不同温度和围压下砂土强度随含水率的变化规律，给出了相应的冻土强度屈服准则。并从高温冻土内部缺陷随机分布角度，建立了高温冻土的单轴随机损伤本构模型，进行了高温冻土强度可靠性分析。马巍等（1994，1995，1998）通过不同温度和围压条件下冻土蠕变试验，给出了冻土蠕变及蠕变强度随时间降低的方程式，并提出了冻土蠕变强度的抛物型屈服准则。证实了冻土蠕变过程中其变形不为零的事实，而且分析了剪应力强度与冻土的变形的关系。关于冻土本构关系的研究，早期大都是将冻土作为连续介质来看待，通过简单的弹性理论、塑性理论或其他线性理论建立本构模型，忽略了冻土内部多相介质与多孔缺陷的集合特性。近年来，经过大量学者深入研究，将损伤力学理论引入了冻土力学的研究中从微细观角度解释冻土强度与破坏特征，较好的还原了冻土力学的应力应变关系（马巍等，2012；尹光华等，2009）。Gurson 等（1975）从微孔洞损伤对材料变形行为的影响角度，建立了细观本构模型。葛修润等（2000）、任建喜等（2001）通过单轴和三轴荷载作用下岩石破坏全过程的 CT 扫描试验分析了岩石细观损伤扩展规律和损伤破坏特性，定义了基于 CT 数的损伤变量。朱赛楠等（2016）结合 CT三轴试验研究了三峡库区侏罗系泥岩破坏过程中的细观损伤特性，提出将不同围压下泥岩在屈服点的应变值作为岩石损伤的门槛应变值。曹文贵等（2011）从岩石微元强度合理度量方法研究入手，引进统计损伤理论，建立了能模拟应变软硬化全过程的岩石统计损伤本构模型，并提出了参数确定方法。张慧梅等（2010）提出了冻融损伤、受荷损伤与总损伤的概念，运用损伤力学理论建立了冻融受荷岩石损伤模型。颜荣涛等（2018）引入有效水合物饱和度、温压条件参数来考虑温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物力学特性的影响，建立了考虑赋存模式、温度和孔隙压力影响的损伤本构第 5 期朱赛楠等：不同含水率与围压下伊犁高温冻土三轴力学试验特性研究141 模型。基于以上分析，笔者以伊犁高温冻土的物理力学性质为切入点，通过伊犁黄土的物理性质、矿物成分试验，以及不同含水率和围压条件下高温冻土的三轴压缩试验，获取了应力应变曲线，深入分析了含水率和围压变化对高温冻土峰残强度与变形特征、剪切强度参数和剪切破坏形态等方面的影响。基于损伤力学本构模型，表征并验证了伊犁高温冻土三轴压缩变形的力学行为。研究成果可为伊犁河谷冻融滑坡成灾机理研究提供力学参数与理论依据支撑。1伊犁黄土矿物成分与物理性质伊犁黄土取样地点位于新疆伊宁县皮里青河“324”滑坡，该滑坡发生时正值冬末春初气温回暖之际，受季节性冻融作用影响强烈，具有多期次、渐进式的滑动特点，并且形成了堵溃型滑坡-泥石流灾害链，滑坡发生前三天最低气温为20，处于高温冻土环境下。此次试验试样为第四系晚更新世（Qp）伊犁黄土，黄褐色，均匀无层理，垂直节理裂隙发育。