【摘 要】
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人工冻结法以封水效果好和绿色环保等优点被广泛应用在深厚表土层矿山井筒工程和城市地下工程中。冻结壁在其与构筑物之间相互作用力和地应力的复合作用下通常处于三向不等的复杂应力状态,深部井筒开挖过程引起冻结壁内部应力重分布,是典型的加卸载过程,常规三轴试验得到的冻土力学参数不能全面反映复杂应力状态和应力路径对深部冻土强度特性、变形破坏特征和能量耗散特性的影响。论文以矿山冻结工程人工冻结砂土为研究对象,利用
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人工冻结法以封水效果好和绿色环保等优点被广泛应用在深厚表土层矿山井筒工程和城市地下工程中。冻结壁在其与构筑物之间相互作用力和地应力的复合作用下通常处于三向不等的复杂应力状态,深部井筒开挖过程引起冻结壁内部应力重分布,是典型的加卸载过程,常规三轴试验得到的冻土力学参数不能全面反映复杂应力状态和应力路径对深部冻土强度特性、变形破坏特征和能量耗散特性的影响。论文以矿山冻结工程人工冻结砂土为研究对象,利用冻土真三轴试验系统,开展了不同中主应力状态下的单向加载试验、真三轴应力状态下的加载卸载试验以及不同小主应力、负温和含水率条件下冻结砂土的等小主应力（σ3）等中主应力系数（b）试验,分析了中主应力、加载速率、卸载速率和中主应力系数对冻结砂土强度和变形特性及能量耗散特性的影响,构建了全应力空间下冻结砂土的广义非线性强度准则。主要结论如下:通过开展不同中主应力状态下冻结砂土的加载试验,发现中主应力（σ2）对冻结砂土的力学特性存在强化和弱化双重效应,存在临界中主应力(σ2c),且小主应力对临界中主应力影响显著。当σ2＜σ2c时,强化效应占主导;当σ2＞σ2c时,弱化效应占主导。随着中主应力的增加,起裂应力呈现出先增大后趋于稳定的变化规律,损伤应力表现出先增加后降低的变化趋势。初始切线模量和变形模量均随中主应力的增大而减小。随着中主应力的增加,中主应力方向与小主应力方向之间的变形差异程度逐渐增大,而与大主应力之间的变形差异程度逐渐降低,冻结砂土的变形各向异性系数显著增大。小主应力较中主应力对冻结砂土能量耗散特性的影响更为显著。真三轴应力状态下冻结砂土的加载、卸载试验研究表明,在加卸、卸载应力路径下,冻结砂土的(σ1-σ10)-ε1曲线特征受加载速率、卸载速率以及初始应力状态共同影响。当小主应力为2.5 MPa和4.0 MPa及加载速率为0.75 mm/min时,(σ1-σ10)-ε1曲线表现出应变硬化特征。随着小主应力和加载速率的增加以及卸载速率的降低,(σ1-σ10)-ε1曲线的破坏应变逐渐增大。相同大主应变下,中主应变和小主应变的幅值及变化速率随加载速率的增大和卸载速率的降低而减少。幂函数能够较好的反映加载、卸载速率与冻结砂土强度之间的关系。加载速率、卸载速率和初始应力状态对冻结砂土能量耗散特性的影响程度依次降低。冻结砂土等小主应力等中主应力系数试验发现,中主应力系数可显著提高冻结砂土的破坏应力和变形模量。在不同试验条件下冻结砂土的偏应力-大主应变曲线均呈现应变硬化特征,冻结砂土在真三轴应力状态（b＞0）下的的破坏强度和曲线斜率均大于常规三轴应力状态（b=0）。随着b的增大,冻结砂土的强度和内摩擦角表现出先升高后降低的变化趋势,而对黏聚力影响较小。当b从0增加到1时,中主应变由负值向正值转变,小主应变始终为负值;中主应变与小主应变之间的差值逐渐增大,而与大主应变之间的差值逐渐缩小;冻结砂土的变形各向异性系数随b的增大而增大。基于幂函数形式的子午面函数和扩展的SMP准则偏平面函数,构建了综合考虑摩擦材料的压拉强度比、静水压力效应及中主应力效应的广义三维非线性强度准则,其中子午面函数反映出冻土的黏聚力效应、摩擦效应和静水压力效应;通过改变偏平面函数的参数可以转换为经典三维强度准则的偏平面函数,对比分析表明,建立的强度准则能够反映冻结砂土在复杂应力状态下的强度变化规律。图[171]表[27]参[223]
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