冻结温度对不同粒径冻土石混合体劈裂特性的影响

为研究冻结温度与尺寸效应耦合作用下的冻土石混合体巴西劈裂特性,分别对经过-10、-15、-20、-25、-30、-35、-40℃冻结处理后的5~10、10~15、15~20、5~20 mm粒径冻土石混合体试件进行巴西劈裂实验;研究冻结温度和不同粒径块石对试件劈裂抗拉强度的影响规律,并进一步通过数字图像相关技术(digital imagine correlation,DIC)再现了冻土石混合体在巴西劈裂实验过程中的应变场演化过程。实验结果表明:在劈裂拉应力作用下,试件从中心开裂并产生初始裂纹,沿着土石界面向两加载端贯穿试件,试件破裂面裂纹呈弯曲折线型,且块石粒径越大,裂纹越曲折;冻土石混合体在破坏时会经历线弹性变形阶段,并随着拉应力的增大和冻结温度的降低会经历塑性-脆性破坏阶段;试件劈裂抗拉强度具有强温度敏感性,会随着冻结温度的降低而近似线性增加;块石尺寸效应会导致试件强度的差异性,试件劈裂抗拉强度大小依次为5~10、5~20、10~15、15~20 mm粒径试件。

冻土石混合体、冰石混合物和冻土在压、拉作用下的破坏特征对比

在寒区工程建设中了解冻混杂岩土材料,如冻土石混合体的力学性质是保证工程建设安全的前提条件。采用单轴压缩和巴西劈裂试验探讨纯冰、冰石混合物、冻土和冻土石混合体在不同冻结温度(-10℃,-20℃,-30℃)下的变形以及强度性质,同时借助显微成像技术观察试样内部的冰石、土石、冰土界面形态和受力开裂特征。试验得到以下结论:(1)在单轴压应力或劈裂拉应力作用下纯冰和冻土的破裂面相对平直;而冰石混合物和冻土石混合体的破裂面相对弯曲。(2)受块石形状的影响(外凸和内凹、锯齿边界),冰石混合物中可见对应的沿准确的冰石界面开裂和在界面附近冰体一侧开裂的2种裂缝类型;冻土石混合体中裂缝主要在冻土中和土石界面间发育。(3)试样的抗压和抗拉强度随冻结温度的降低呈现线性增加的趋势。随温度的降低冻土和冻土石混合体的压、拉强度增长速率要大于纯冰和冰石混合物的强度增长速率;各试样的压、拉强度比约为5。(4)在冻结温度为-10℃时,各试样的抗压、抗拉强度大小依次为冰石混合物>冻土石混合体>冻土>纯冰;然而在冻结温度为-30℃时,抗压强度大小依次为冻土>冻土石混合体>冰石混合物>纯冰,抗拉强度大小依次为:冻土石混合体>冻土>冰石混合物>纯冰。(5)冻土石混合体内部土石界面间除胶结冰的冻黏作用之外,还存在胶结冰的嵌入和互锁强化作用。在高含水量的冻土内部,土颗粒易溶于水中,在冰土界面土层一侧形成冰土混合交融层,该层强度大于纯冰强度,有效提高了冻土的强度。