高温下饱和冻土一维融化热固结模型及解答

周扬; 武子寒; 许程; 卢萌盟; 周国庆

doi:10.11779/CJGE202112005

高温下饱和冻土一维融化热固结模型及解答 English Version

周扬^{1, 2,},
武子寒²,
许程²,
卢萌盟^{1, 2},
周国庆²

1.
中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏　徐州　221116
2.
中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏　徐州　221116

基金项目:

国家自然科学基金项目 51878657

国家自然科学基金项目 51204164

详细信息

作者简介:
周扬(1982— ),男,江苏扬州人,博士,副教授,从事矿山建设、冻土物理学方面的研究。E-mail：tod2006@126.com

中图分类号: TU445
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出版历程
- 收稿日期: 2020-11-29
- 网络出版日期: 2022-11-30
- 刊出日期: 2021-11-30

One-dimensional thaw thermo-consolidation model for saturated frozen soil under high temperature and its solution

1.
School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China
2.
State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China

摘要

摘要: 冻结法应用及寒区施工中常采用高温热水强制融化冻土,针对饱和冻土在高温下的一维融化过程,建立了理论模型并给出了模型的解析解答。模型包含传热及热固结两部分,前者为全区域考虑未冻水的相变热传导过程,后者为融区内土体在温度、荷载及自重作用下的热固结过程。传热部分在文献中已有温度场、融化界面的解析解答,而融区内超静孔压的解析解答由本文推导获得。在忽略土颗粒、水的热膨胀作用后,模型和解答可以退化为Morgenstern和Nixon的经典冻土一维融化固结模型。利用模型解答对冻土在高温下一维融化过程中超静孔压、沉降进行了计算分析,结果表明：热压作用在热固结强度因子ε为正时会减小超静孔压,该效果随着ε增加而增强；减小融化固结比R或增大导温固结比F均扩大热压作用的相对影响范围,但前者使热压作用在融区内趋于均匀,后者会增加整体的热压作用；增加自重时间因子W_r几乎不改变热压作用强度及相对影响范围；高温的净效果使融土产生膨胀,但其影响小于普通固结沉降,因此总体效果仍表现为沉降。
- 饱和冻土 /
- 融化固结 /
- 高温融化 /
- 热固结 /
- 解析解
Abstract: During the application of artificial ground freezing technique and construction in cold regions, high-temperature hot water is often used to melt the frozen soil manually. For the one-dimensional thawing process of saturated frozen soil under high temperature, a theoretical model describing the process is established and an analytical solution is developed for the model. The model comprises a heat transfer part and a thermo-consolidation part. The former is a heat conduction process of frozen soil with phase change of pore ice considering the unfrozen water effect, while the latter is a thermo-consolidation process of soil in the thawed region under the effects of high temperature, external load and self-weight. The temperature field and the melting interface for the heat transfer part have already been deduced in the existing literatures, which are adopted directly. For the excessive pore water pressure in the thawed region, an analytical solution is developed. By neglecting the thermal expansion of soil grains and water, the proposed model and the developed solution may degenerate to those of the classical one-dimensional thaw consolidation model for frozen soil developed by Morgenstern and Nixon. The analytical solution is then used to analyze the excessive pore water pressure and the settlement for one-dimensional thawing process of frozen soil under high temperature. The results show that the effect of thermal pressure reduces the excessive pore water pressure if the thermo-consolidation intensity factor ε is positive, and this effect increases with the increasing ε. Reducing the thaw consolidation ratio R or increasing the diffusion consolidation ratio F will expand the relative influence zone of the thermal pressure. However, the former leads to a more uniform thermal pressure effect in the thawed region, while the latter generally increases the thermal pressure effect in the thawed region. Increasing the self-weight time factor W_r barely changes the intensity and the relative influence zone of the thermal pressure. The net effect of high temperature is to expand the thawed soil, but it is weaker than the effect of normal consolidation settlement, thus the general effect is still settlement.
- saturated frozen soil /
- thaw consolidation /
- thaw under high temperature /
- thermal consolidation /
- analytical solution

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0. 引言

长期交通荷载作用下软黏土层发生过大变形，严重影响交通设施的安全运行。因此，有必要对交通荷载作用下软黏土地层中的隧道或基坑工程进行动力响应分析。阻尼比作为一个重要的动力分析参数，可以通过室内试验的方式获取。然而，以往研究中，主要采用恒定围压动三轴试验来获取黏土或砂土的阻尼比。例如，Ishibashi等^[1]考虑有效固结应力的影响，建立了一个阻尼比计算模型；Lee等^[2]提出了一个适用于台北黏土的阻尼比计算模型；Ling等^[3]针对冻土开展了恒定围压动三轴试验，研究了阻尼比随振次的变化规律，并发现了阻尼比随振次的增大呈减小趋势。

另一方面，以往研究中通常采用轴向循环荷载来模拟交通荷载，这一简化与交通荷载引起的真实应力场不相符。实际上，交通荷载引起的真实应力场既包含循环变化的正应力，也包含循环变化的水平应力^[4-5]。当前，许多学者已经开展了大量的变围压循环三轴试验来研究循环围压对土体动力特性的影响。Gu等^[4]对比分析了有、无循环围压作用下土体的剪切模量变化规律。

从上述的研究成果来看，循环围压对土体动力特性的影响不能忽视。同时，以往研究大多针对正常固结土，对超固结土在变围压循环荷载作用下的动力特性研究较少，对其阻尼比的变化规律更是鲜有研究。因此，本文主要包含了两部分内容：①通过开展变围压动三轴试验，分析循环围压和超固结比对软黏土阻尼比的影响；②基于试验结果，建立一个能描述变围压循环荷载作用下超固结软黏土阻尼比变化规律的经验模型。

1. 试验土样及方案

1.1 试验土样

试验所用土样取自宁波地区，取土深度大约为28.0~30.0 m。按照《土工试验规程：GB/T 50123—2019》可获取天然土样重度为17.6 kN/m³，天然含水率、液限和塑限分别为43.9%，51.5%，23.3%。

1.2 试验方案

按照《土工试验规程：GB/T 50123—2019》制备重塑试样（直径38 mm，高76 mm），并采用真空和反压联合方式对试样进行饱和。当B值达到0.95以上时，认为达到饱和，此时施加在试样上的反压和围压分别为300，320 kPa。为得到不同超固结比的试样，首先，对饱和后的试样施加不同固结应力进行固结，当固结完成时施加在试样上的有效固结应力分别为100，200，400 kPa；随后，降低固结围压对试样进行卸载，当卸载完成时，施加在所有试样上的有效固结围压均为50 kPa。通过上述方法，最终可以得到超固结比OCR分别为2，4，8的试样。另一方面，为了得到正常固结土（OCR=1），将饱和后的试样在一定压力下进行固结，固结完成时施加在试样上的有效固结应力为50 kPa。随后，关闭排水阀门，开展动力加载试验，振动频率1 Hz，振动10000次。

本试验采用GDS变围压动三轴试验系统，该系统可独立控制循环轴向偏应力和循环围压。为模拟交通荷载，试验中循环偏应力和循环围压的加载波形均为半正弦波，且加载波形相位差为0。另一方面，采用应力路径斜率η和循环应力比CSR表征循环围压^[5]和循环偏应力^[6]，表达式如下：

${\text{CSR}} = {q^{{\text{ampl}}}}/2{p'_{\text{o}}} = {q^{{\text{ampl}}}}/2{\sigma '_3} \text{，}$

(1)

$\begin{gathered} \eta = \frac{{{p^{{\text{ampl}}}}}}{{{q^{{\text{ampl}}}}}} = \frac{{(\sigma _1^{{\text{ampl}}} + 2\sigma _{\text{3}}^{{\text{ampl}}})/3}}{{{q^{{\text{ampl}}}}}} = 1/3 + \frac{{\sigma _{\text{3}}^{{\text{ampl}}}}}{{{q^{{\text{ampl}}}}}} \hfill \\ {\text{ }} \hfill \\ \end{gathered} \text{，}$

(2)

式中，p^ampl，q^ampl， $\sigma _{\text{3}}^{{\text{ampl}}}$ 分别表征循环平均主应力幅值、循环偏应力幅值及侧向应力幅值， ${\sigma '_3}$ ， ${p'_{\text{o}}}$ 分别表示固结完成之后的有效固结围压、平均有效正应力。不同试样加载参数见表 1所示。

表 1 循环三轴试验方案

Table 1. Programs of cyclic triaxial tests

编号	OCR	CSR	q^ampl/kPa	$\sigma _3^{{\text{ampl}}}$ /kPa	η
C01	1	0.35	35	24	1.00
C02	2	0.35	35	24	1.00
C03	4	0.35	35	25	1.00
C04	8	0.35	35	24	1.00
C05	4	0.35	35	0	0.33
C06	4	0.35	35	41	1.50
Y01	8	0.35	35	0	0.33
Y02	2	0.35	35	41	1.50
Y03	8	0.35	35	41	1.50
Y04	2	0.35	35	0	0.33

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2. 试验结果

2.1 循环围压的影响

为便于研究，利用第一次振次对应的阻尼比 ${D_1}$ 对不同振次对应的阻尼比 ${D_N}$ 进行归一化处理。为不同应力路径斜率η条件下归一化阻尼比随累积塑性应变 ${\varepsilon _{\text{p}}}$ 的变化曲线。表明，不同应力路径斜率下的 ${D_N}$ / ${D_1}$ – ${\varepsilon _{\text{p}}}$ 曲线趋势一致，即 ${D_N}$ / ${D_1}$ 随 ${\varepsilon _{\text{p}}}$ 的增长而逐渐减小，同时在变围压应力路径（η=1.00，1.50）条件下试样阻尼比均小于恒围压应力路径（η=0.33）下对应阻尼比，例如当振动次数N=10000，应力路径斜率η为0.33，1.0，1.5时，对应的归一化阻尼比分别为0.17，0.18，0.26。

图 1 不同循环围压下归一化阻尼比随累积塑性应变变化曲线

Figure 1. Relationship between normalized damping ratio and cumulative axial strain under different cyclic confining pressures

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2.2 超固结比的影响

当CSR=0.35，应力路径斜率η=1.0时，不同超固结比土样在变围压动三轴试验中阻尼比随累积塑性应变的关系曲线与图 1类似。不同超固结比土样对应的归一化阻尼比均随累积塑性应变的增加逐渐减小，且衰减速率呈减小趋势。一定累积塑性应变条件下，归一化阻尼比的衰减量随超固结比的增大而增大，意味着正常固结土的归一化阻尼比较超固结土的归一化阻尼比大。例如，当试验完成时，正常固结土的归一化阻尼比为0.34，而超固结比OCR=2，4，8时对应的归一化阻尼比分别为0.27，0.19，0.18，归一化阻尼比随超固结比OCR由1增大至8时，分别减少了20.6%，44.1%，47.1%。

2.3 阻尼比模型

基于上述试验结果，本文提出了一个可以考虑阻尼比随累积塑性应变的变化规律的表达式：

$\frac{{{D_N}}}{{{D_1}}} = \frac{1}{{1 + {{(a{\varepsilon _{\text{p}}})}^b}}} \text{，}$

(3)

式中，参数a，b为拟合参数，受循环围压和超固结比影响， ${D_N}$ ， ${D_1}$ 分别为第N次和第1次循环对应的阻尼比。

利用式（3）对试验结果进行拟合，得到不同试验条件下对应的拟合参数取值。在此基础上，为进一步研究参数a， ${D_1}$ 与应力路径斜率η、超固结比OCR的关系，假设超固结比和循环围压对上述两个参数的影响独立，则有：

$a = {a_1}({\text{OCR}}){a_2}(\eta ) \text{，}$

(4)

${D_1} = {D_{11}}({\text{OCR}}){D_{12}}(\eta ) \text{，}$

(5)

式中，a₁，D₁₁表征超固结比的影响，a₂，D₁₂表征循环围压的影响。

进一步的，对相同应力路径斜率，不同超固结比试验条件下得到的拟合参数 ${a_1}$ ， ${D_{11}}$ 进行分析，建立上述两个拟合参数分别和超固结比的相关关系，如所示。从中可以看出，参数 ${a_1}$ ， ${D_{11}}$ 分别与OCR满足对数和幂函数关系：

${a_1} = 22.834\ln {\text{OCR}} + 2.162 \text{，}$

(6)

${D_{11}} = 0.232{\text{OC}}{{\text{R}}^{ - 0.321}} 。$

(7)

图 2 拟合参数随超固结比变化曲线

Figure 2. Relationship between fitting parameters and OCR

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然后，为了考虑循环围压的影响，需要先将超固结比的影响从式（4），（5）中去除。当应力路径斜率η=1.00，超固结比OCR=4时，通过式（6），（7）可以得到对应的 ${a_1}$ ， ${D_{11}}$ 值分别为33.817和0.149，则超固结比OCR=4，应力路径斜率η=0.33，1.00，1.50时对应的拟合参数a， ${D_1}$ 分别利用33.817和0.149进行归一化，即为a₂，D₁₂的取值。最后，即可得到归一化参数a₂， ${D_{12}}$ 分别随归一化应力路径斜率（η/ ${\eta _0}$ ， ${\eta _0}$ =1.00）的关系曲线，见图 3所示，从图中可以看出，参数a₂， ${D_{12}}$ 与η/ ${\eta _0}$ 满足线性关系：

${a_2} = 0.555{\eta \mathord{\left/ {\vphantom {\eta {{\eta _0}}}} \right. } {{\eta _0}}} + 0.602 \text{，}$

(8)

${D_{12}} = - 0.177{\eta \mathord{\left/ {\vphantom {\eta {{\eta _0}}}} \right. } {{\eta _0}}} + 1.131 。$

(9)

图 3 拟合参数随应力路径斜率变化曲线

Figure 3. Relationship between fitting parameters and η/η₀

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由于参数b随超固结比OCR的变化没有一致性规律，且其变化量较小。因此，为方便模型的使用，式（3）中参数b取一定值，即 $\bar b$ =0.677。

最后将式（6），（7），（8），（9）和 $\bar b$ 代入式（3）中即可得到不同超固结土在变围压循环荷载作用下阻尼比与累积塑性应变的关系表达式：

${D}_{N}=\frac{0.232{\text{OCR}}^{-0.321}\cdot (-0.177\eta /{\eta }_{0}+1.131)}{1+{\left[(22.834\mathrm{ln}\text{OCR}+2.162)\cdot (0.555\eta /{\eta }_{0}+0.602)\cdot {\epsilon }_{\text{p}}\right]}^{0.677}}。$

(10)

将不同试验条件对应的OCR和η代入式（10）中，即可得到不同试验条件下阻尼比的计算值随累积塑性应变的变化曲线，见图 4所示。从图 4可以看出，由式（10）得到的阻尼比计算值与试验值较为接近，表明式（10）能够较好地描述阻尼比随累积塑性应变的变化规律。

图 4 拟合和实测的

${D_N}$ –

${\varepsilon _{\text{p}}}$ 曲线对比

Figure 4. Comparison between measured and predicted curves of

${D_N}$ –

${\varepsilon _{\text{p}}}$

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3. 结论

（1）不论试验条件如何，归一化阻尼比均随累积塑性应变的增大而减小。循环围压和超固结比对归一化阻尼比的变化规律有一定影响，且归一化阻尼比随循环围压和超固结比的增大而减小。

（2）不同超固结土在变围压循环荷载作用下，其归一化阻尼比和累积塑性应变满足关系表达式 ${D_N}/{D_1} = 1/[1 + {(a{\varepsilon _{\text{p}}})^b}]$ 。

（3）超固结比和循环围压对阻尼比的影响由拟合参数a，D₁体现，其中表征超固结比影响的参数a₁，D₁₁与超固结比OCR分别满足对数和幂函数关系，而表征应力路径斜率影响的参数a₂，D₁₂则随应力路径斜率η的变化分别呈线性增长和线性减小关系。

图 1 高温下饱和冻土一维融化过程示意图

Figure 1. Schematic diagram of 1-D thawing process of saturated frozen soil under high temperature

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图 2 超静孔压解答中g函数的变化

Figure 2. g function in analytical solution of excessive pore water pressure

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图 3 ε对 $\bar{P}$ 影响

Figure 3. Effects of ε on $\bar{P}$

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图 4 R对 $\bar{P}$ 影响

Figure 4. Effects of R on $\bar{P}$

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图 5 F对 $\bar{P}$ 影响

Figure 5. Effects of F on $\bar{P}$

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图 6 W_r对 $\bar{P}$ 影响

Figure 6. Effects of W_r on $\bar{P}$

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图 7 各部分无量纲沉降随W_r的变化

Figure 7. Variation of different dimensionless settlements with W_r

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图 8 各部分无量纲沉降随F的变化

Figure 8. Variation of different dimensionless settlements with F

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图 9 各部分无量纲沉降随R的变化

Figure 9. Variation of different dimensionless settlements with R

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表 1 文献[29]中材料参数及A的计算值

Table 1 Material parameters and computed values of A in Ref.[29]

材料 a_w/(10^-4℃^-1) a_s/(10^-6℃^-1) a_sm/(10^-6℃^-1) n E/MPa v A/(10^-4MPa℃^-1)

A 3 3 3 0.25 5.0 0.2 -4.2083
B 3 3 3 0.375 2.880 0.2 -3.6120

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施引文献(11)

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