基于侧装式弯曲元法的正融土剪切模量特性研究

摘要

冻土融化导致其抗变形和承载性能劣化，不利于工程结构的稳定，认识冻土融化过程力学性能的演变规律，对于寒区工程及人工冻结工程中的融沉灾害防治有重要意义。为获得正融土剪切模量的变化规律，本文研制了冻融弯曲元试验装置，进行了无载、有载条件下正融黏土和正融砂土的剪切模量特性研究。 论文取得的主要成果如下： （1）研制了冻融弯曲元试验装置，该装置的试样筒采用双层结构，筒体侧面开孔，弯曲元探头安装于开孔处。筒体外层为钢质结构，内层为聚四氟乙烯材料，可满足高压和隔振要求。该装置可实现单、双向控温，最大承压能力达10MPa。 （2）研究了冻土剪切模量的弯曲元测试方法。利用标准有机玻璃试件分析了声时的判断方法，结果表明初达波法测试精度较高。分析了不同条件下弯曲元测试系统的响应频率，确定激发信号频率范围为3kHz~7kHz。对不同激发波形进行测试，结果显示激励信号为方波时，声时受频率影响小。 （3）无载条件下正融土剪切模量弯曲元试验结果表明，温度为-25℃~-1℃条件下，正融黏土和砂土的剪切模量随温度的升高而降低，两者呈对数关系。 （4）无载条件下正融黏土和砂土的剪切模量随着干密度的增大而增大。初始冻结温度越低，相同温度和密度条件下正融黏土的剪切模量越小。正融砂土的剪切模量随着含水量的增大而增大，而正温阶段已融砂土的剪切模量随着含水量的增大而减小。 （5）有载条件下冻结黏土融化的起始温度约为-5℃，温度为-25℃~-5℃条件下，正融黏土的剪切模量随温度的升高而减小。相同温度条件下轴向荷载越大，剪切模量也越大。相同荷载条件下，融沉系数随着剪切模量（温度=-5℃）的增大而减小。 （6）相同试验条件下，原状正融土的剪切模量要高于重塑正融土，融化时原状土孔隙比变化值相比于重塑土要小。 （7）总体上正融砂土的剪切模量大于正融黏土的剪切模量，当温度为-25℃时，两者差值约为 3500MPa，当温度为 20℃时，两者差值约为 70MPa，两者的差异程度随着冻土融化逐渐减小。 （8）相同试验条件下有载条件测定的剪切模量远高于无荷载条件下测定的剪切模量，同时两者的差值随着冻土融化逐渐增大。

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