[发明专利]一种确定人造多晶冰的动力学参数的试验方法

说明书

技术领域：

本发明基于低温动三轴试验研究轨道交通动力荷载作用下人造多晶冰的动力本构关系与力学参数指标，为青藏铁路列车行驶高温高含冰量路基振动反应定量评价积累基础资料。

背景技术：

    冻土动力学研究从上世纪七十年代开始，国内外学者主要针对冻土地震工程而开展，基于室内外试验，提出了各种经验公式，获得了大量非常有意义的成果，大力促进了冻土地震工程学的发展。但是，交通荷载作用下冻土的动力特性研究，因荷载的特殊性而有别于地震荷载作用下的研究。目前，关于轨道交通动力荷载作用下的冻土动力本构关系与参数的研究工作较少。朱占元、凌贤长等基于冻土动三轴试验，引入等效线性化模型，研究了北麓河路基冻结粘土在轨道交通动力载荷作用下的动力本构关系与力学参数指标，据此研究了青藏铁路等列车行驶冻土路基动力反应特性。然而，青藏铁路134km高温高含冰量路段含有大量含土冰层，列车行驶对含土冰层或者冰层有何影响至今罕见于文献。冰是一种比较特殊的固体材料，在自然状态的多数情况下，所处环境的温度接近冰的融点；从物理性质考虑可以将冰分为单晶冰和多晶冰，而在自然界中冰的主要存在形式为多晶冰。

发明内容：

试验时快速取冰样安装至低温三轴试验机，放进三轴低温压力腔中等压固结10 min，进行试验。轴向动荷载为压-压型正弦波，由最大应力、最小应力及频率决定。为了更好地模拟交通荷载对应变速率的影响，将最大应力作为变量，采用分级循环加载每级循环加载振动12圈，见图1。加荷级数为12级以上，各试件的动荷载相同以资对比研究，见表1，以轴向应变5%为终止标准。试验控制条件见表2，共考虑3种不同温度、频率下的本构关系与动力学参数试验。

(4) 应力-应变轨迹线所围成的面积等于一周往返荷载作用期间耗损的能量，即粘性元件耗损的能量（弹性元件不耗能）。土的粘性系数c由式(7)计算。

不同负温条件下的动弹性模量、粘性系数见表2，温度变化对动弹性模量E_d、粘性系数c的影响见图4。可以看出，随着温度的升高，冰的动弹性模量降低，粘性系数增大，表现出高温冰强度低，耗能能力强。低温冰的强度高、耗能能力弱的主要原因是随负温下降冰晶体中未冻水含量减少、冰水比增大、冰颗粒间的胶结力加强。

频率：当相同时，3种不同频率条件下的关系的骨干曲线见图5，由图可见频率在2Hz、3Hz时对冰的动应力－动应变关系影响不显著，振动频率在1Hz时冰的强度有所降低。由于在高振动频率下冰柱中的冰晶胶结体对轴向动荷载反应不敏感，所以相同动应变情况下，高振动频率作用下冰的动应力相对较高，骨干曲线较陡，详见图5。

不同频率条件下的动弹性模量、粘性系数见表2、频率变化对动弹性模量E_d、粘性系数c的影响见图6。可以看出，动弹性模量随频率增大而增大，频率为1Hz时动弹性模量最小，频率为2、3Hz时动弹性模量相差不大；粘性系数随频率的增大而降低。主要原因在于冰的强度随加载持时延长而衰减，故此，加荷速度显然对冰的强度有很大影响。频率越小，加载和卸载的速度都慢，冰的各种动强度也就越小，刚性差，动剪切模量小，变形大耗能能力强。当加载频率越高，加载和卸载的速度都比较大，上述时间效应都不明显。

 基于上述试验结果，不难看出，冰的动弹性模量、粘性系数指标应该受负温、频率等因素的联合影响，可以表示为各因素之间的函数。据此，对以上试验成果，采用多元回归分析方法，可以获得E_d、c与各影响因素之间关系如式(10)～(13)所示。

 

受试验条件所限制，试验数据有一定的离散性，根据以上所给出的拟合公式计算出冻土的动弹性模量、粘性系数的回归值与试验值之间误差均在5%之内。温度与频率等因素对冰的动力性能影响，值得进一步深入试验研究。

附图说明：

    图1 轴向分级循环动压应力加载示意图；

图2 冰的动力学本构关系与参数确定方法概念图；

图3 不同负温T条件下冰的骨干曲线；

图4 温度变化对动弹性模量Ed、粘性系数c的影响；

图5 不同频率f条件下冰的骨干曲线；

图6 频率变化对动弹性模量Ed、粘性系数c的影响。