多级循环荷载下饱和砾性土动三轴试验研究

为探究多级循环荷载下砾性土动力特性,以围压与动应力幅值为变量,开展了饱和砾性土动三轴试验,对轴向累积应变εd、回弹模量Ed、动孔隙水压力ud及滞回曲线的演化规律进行对比分析.研究结果表明:围压增加会促使砾性土Ed、ud增长,而使εd减小;随着动应力幅值的提高,Ed的发展趋势由随振次不断减小向逐渐增长转变;高动应力幅值(σd=150 kPa)下,ud均呈骤降→逐渐增大的变化趋势;在循环荷载下砾性土动应变主要是各阶段前期形变累积的结果,不同围压下各阶段前期(N≤1 500)动应变增量均占动应变总增量的90%左右;围压越大,土体的耗能作用越弱,刚度越大.     

低频振动下库区粉土的动力特性试验研究

针对三峡库区某滑坡粉质粘土,开展了等压固结下重塑试样在低频振动下三轴动力剪切试验,研究了不同频率下土体的应力应变关系、动弹模、阻尼比的变化特性.实验结果表明:轴向动荷载作用下,随着振动次数增加各土样的变形均逐渐累积增大,且频率在0.5~2Hz范围内,在振幅相同的动荷载条件下,频率越高,动应变的累积变形越慢.在此频率范围内,动孔压经历了逐步升高到骤降的过程.振动频率越高,动模量越高,且随着动荷载幅值的增大,动模量随变形逐渐降低.变形累积到一定时,阻尼比随着频率的增加而增大,阻碍了土体的变形发展.     

间歇性循环荷载作用下细粒土的变形特性

铁路路基承受的列车动荷载作用由列车通过时产生的周期性振动和无列车通过时的加载间歇组成, 针对此工程背景,开展不同围压、水的质量分数、动应力条件下的连续加载与加载-停振的动三轴试验,研究间歇性循环荷载作用下细粒土的超孔隙水压力、弹性应变、回弹模量和累积塑性应变的变化规律. 试验结果表明,加载间歇对路基变形特性有显著影响. 由于加载间歇阶段试样卸载以及排水作用,试样在加载阶段积累的超孔隙水压力在间歇阶段消散,土体内部颗粒及结构得到调整,试样抵抗后续荷载的能力得到提高. 此外,加载间歇显著减缓了后续加载阶段的塑性应变发展,降低了试样的累积塑性应变. 加载间歇对提高试样回弹模量、降低弹性应变的效果有限. 加载-停振的间歇加载方式可以更准确地模拟实际列车荷载作用,进而获得更具实际意义的试验结果.     

循环荷载作用下小间距加筋土动力响应特性试验研究

基于山西省太行一号风景道K43+175处加筋土桥台工程,开展不同加筋间距工况条件下加筋砂土的动三轴试验,分析循环荷载作用下加筋间距对加筋砂土动强度、动剪切模量、阻尼比、累积塑性应变等动力响应特性的影响,探讨加筋砂土动力响应特性的演化规律,从而为加筋土柔性桥台复合结构（Geosynthetic Reinforced Soil Integrated Bridge System,GRS-IBS）工程设计中的变形预测和稳定状态评估提供依据。结果表明：随加筋层数的增加,加筋砂土动应力-动应变曲线逐渐由双曲线型过渡为直线型,试样动强度和动模量也随之增大,且加筋越密,增幅越明显;增大围压和增加加筋层数均能减小动剪应变,提升动剪切模量,减小阻尼比;增加加筋层数能有效抑制轴向累积塑性应变随循环荷载作用增长的趋势,因此,在GRS-IBS结构中应控制加筋间距,以提高加筋土的临界循环应力比,保证其处于长期动力稳定状态。     

冻融对AS型固化剂改良土工程特性的影响

通过室内动静三轴试验,研究了Aught-Set（AS）型土壤固化剂改良土的抗冻融耐久性,分析了AS型固化剂改良土的应力应变关系、静强度、动模量和临界动应力与龄期、冻融次数以及冷却温度等影响因素的相互关系。结果表明,试样的7d无侧限抗压强度达到28d的75%;AS型固化剂改良土的应力应变关系为应变软化型曲线,呈脆性破坏形式;其静强度、临界动应力以及动回弹模量均随冻融次数增加呈指数形式衰减,且经历6次冻融后均趋于稳定;同一动应力水平下,冻融作用使得试样的累积塑性变形由变形稳定状态向变形破坏过渡;试样在经历多次冻融循环以后,负温越低对试样的力学特性影响越小。     

粉细砂改良土冲击荷载作用试验研究

粉细砂是我国内陆及西北地区广泛分布的一种砂土,其表层土承载力相对较低.为满足蒙华铁路北段沿线铁路路基基床强度的要求,蒙华铁路乌审旗铁路试验段尝试将粉细砂掺入适量的水泥进行改良.为进一步研究改良土在列车冲击荷载作用下的动力学特性,论文通过对不同掺入率的水泥改良土进行动三轴试验,重点研究了粉细砂水泥改良土累计塑性应变、临界动应力和回弹模量的变化规律.结果表明:当动应力高于临界动应力时,塑性应变迅速增长试样发生破坏,当动应力低于临界动应力时,塑性应变逐渐增长并趋于稳定;粉细砂经改良后,3%水泥改良土临界动应力相比原状土提高约9.5%,回弹模量相比原状土提高约66.7%;5%水泥改良土临界动应力相比3%水泥改良土提高约9.4%,回弹模量相比3%水泥改良土高约86.2%.     

单向循环荷载作用下饱和重塑红黏土的动力特性

为探究长期循环动荷载作用下红黏土的塑性累积应变效应,对南昌地区饱和重塑红黏土进行单向加载循环三轴试验,研究了动应力比、初始孔隙率、固结围压、加载频率、排水条件对红黏土塑性累积应变和动孔压的影响。结果表明：随着动应力比的增大,红黏土变形曲线由渐稳型向破坏型过渡;当动应力比小于临界动应力比时,随着循环振次的增加,红黏土的塑性累积应变和动孔压发展曲线均表现为起始快速增长,后出现拐点,最终趋于稳定;相同的动应力比下,试样的累积应变和动孔压随初始孔隙率、固结围压的增大而增大,随加载频率的增大而减小,不排水条件下的累积应变要大于排水条件下的累积应变;塑性累积应变越大,应变发展曲线拐点出现越滞后;随着动应力比的增大,土体的软化程度也越大,但在较高的循环振次下,软化程度减弱。     

交通荷载下加筋砾砂动力特性研究

为研究加筋对砾砂动力特性的影响,在多级长期循环荷载下无筋与加筋饱和砾性土动三轴试验的基础上,分析了加筋对饱和砾砂轴向塑性累积应变、回弹模量、体应变等动力特性的影响规律.试验结果表明:各级循环荷载下砾砂试样的塑性累积应变均呈现出加载前期(振次N≤100)骤然增长,然后逐渐平稳的发展模式.加筋能降低试样的塑性累积应变,提高砾砂的回弹模量.在循环动载作用下砾砂试样会出现体缩现象,且加筋试样的体缩现象更加明显.     

交通动载下砾性土动三轴试验分析

为了探讨交通动载下砾性土的动力特性,采用GDS高级动态三轴测试系统,对级配良好的砾性土进行了大尺寸动态三轴试验,分析砾性土的应力应变及动模量等参数的变化规律.试验结果表明:循环荷载作用下,砾性土的应力应变关系整体上呈递增的趋势,动应变ε_d≤2.36%时,砾性土动应变随动应力呈线弹性增长;ε_d2.36%后,土体出现塑性变形,砾性土动应变呈非线性加速发展趋势.砾性土轴向动应变随振动次数逐渐增大,动应变增长率随振次增加而增大.砾性土动弹性模量随着动应变增加整体呈现骤减→略增→减小的趋势,其中在1%ε_d3%范围时动弹模出现小幅增长.密实的饱和砾性土在多级短时荷载作用下,产生剪胀变形,对应动孔压随动应变呈局部振荡整体递减的趋势.     

循环荷载下冻融路基黏土长期塑性行为

采用室内试验的方法,考察了冻融循环次数和应力水平对路基土静剪切强度和塑性变形的影响规律。结果表明：围压降低和冻融循环的累积导致路基土静剪切强度发生衰减,且当动应力水平升高时,路基土的永久变形逐渐由塑性安定向塑性蠕变或增量失稳状态发展。综合分析测试结果,明确了避免冻融路基土永久变形出现失稳状态的临界应力水平和各类型判别准则,提出了考虑围压和冻融循环次数的临界动应力描述公式,并以动应力产生的剪应力与抗剪强度的比值表征剪切作用,建立并验证了适用于冻融路基黏土永久变形的力学-经验模型。本文研究成果可为季冻区路基的稳定及耐久运营予以理论支持。     

冻融饱和粉砂动力性能试验

在软土地区,例如上海,98%的地铁联络通道、地下泵房以及越江隧道采用冻结法施工,但土体的冻胀融沉对地下建筑及周围环境的影响显著.尽管冻土的物理、力学特性得到较多关注,关于饱和冻融土动力特性的研究还不是很充分.试验设计了制样-脱模装置和饱和-冻融方法,采用动三轴系统进行冻融饱和粉砂动力试验.结果表明:制样-脱模装置和冻融、饱和方法满足粉砂制样、冻融和饱和要求.重塑粉砂高度、体积冻胀率随温度降低而增大,原状粉砂规律不明显.轴向应变与动孔隙水压力密切相关,动孔隙水压力前期迅速增加,随后震荡调整,约275次附近出现峰值,随后下降并维持一个相对恒定值.冻结温度-30℃时,土样累积塑性变形最大,冻结温度-20℃时,土样累积塑性变形最小,-10℃取得中间值.总体上,累积塑性应变随振动频率增加而减小,围压增大、动应力幅值减少能显著减小粉砂的累积塑性变形.提出的改进Stewart半对数累积塑性变形模型可以预测冻融饱和粉砂的累积塑性变形.     

地铁隧道基底饱水风化软岩动力特性试验研究

为探究在列车长期循环荷载作用下地铁隧道基底风化软岩的累积塑性应变变化规律,以南昌地铁基底泥质粉砂岩为研究对象,开展不同风化程度饱水泥质粉砂岩在动应力比、静偏应力比、围压和频率等工况的室内动三轴试验,研究在不同影响因素下饱水风化泥质粉砂岩的动力变形特性规律。结果表明：在不同影响因素下,全、中风化泥质粉砂岩累积应变分别在加载1 000、100次开始趋于稳定;全风化泥质粉砂岩的临界动应力比在0.3~0.4之间;与不同动应力比和静偏应力比情况相比,改变围压和频率对两种风化泥质粉砂岩累积应变影响不大;通过分析试验结果数据,提出考虑加载次数、动应力比等因素的累积塑性应变数学模型。     

不同频率循环荷载下大理岩动力学特性试验研究

利用MTS 815岩石力学试验系统,对大理岩进行了单轴压缩和不同振动频率、不同动应力幅值的循环加卸载试验,探讨循环荷载的振动频率和动应力幅值对大理岩的动弹性模量和动泊松比的影响.研究结果表明,在不同应力幅值的循环荷载作用下,大理岩的动应力-动应变曲线不完全重合,形成了滞回环;随着动应力级别的提高,滞回环面积增大,能量耗散增加;随着循环周次的增加,累积不可逆变形增大.当动应力幅值的范围分别处在岩石弹性变形阶段和塑性变形阶段时,振动频率和动应力幅值对动弹性模量和动泊松比的影响不同.随着循环应力级别的提高,动弹性模量减小,而动泊松比呈现出逐渐增加的趋势;当动应力幅值处在岩石的屈服点以上时,随着振动频率的增大,动泊松比增加、动弹性模量减小.     

盐岩损伤测试中卸载模量研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对盐岩和大理岩进行了单轴压缩下的7级加卸载试验和低周循环加卸载试验测试,对盐岩和大理岩的卸载模量进行了探讨。低周循环试验加载波形采用正弦波,频率1Hz,循环应力幅值小于其平均抗压强度,单级应力幅值为30个振动循环。通过试验,得到了盐岩应力应变滞回环均为条带状,大理岩则均为尖叶状;盐岩在加卸载部位具有较大不可逆变形,对应弹性响应较慢,大理岩则反之;盐岩卸载模量变化趋势受加载测试方法影响较大,而大理岩在2种试验条件下得到的卸载模量变化趋势相似;加载应力幅值比加卸载循环数对盐岩不可逆变形增量影响更加显著。损伤变量研究结果表明,利用低周循环加卸载方法测试具有显著时间效应变形岩石的损伤弹性模量,能更真实反映其损伤特征。     

A fatigue damage model for rock salt considering the effects of loading frequency and amplitude

With the large-scale construction of underground gas storage in salt deposit, much more efforts have been made to assess the fatigue properties of rock salt. The fatigue damage processes the primary, steady,and accelerated phases, which is similar to the axial irrecoverable deformation compiled from the loci of the loading cycles of rock salt. The cumulative fatigue damage increases with a decrease in the loading frequency and with an increase in the stress amplitude within the range tested. To take into account the effects of loading frequency and amplitude on the fatigue behavior of rock salt subjected to cyclic loading, a low cycle fatigue damage model was exclusively established combined with the Manson–Coffin formula. The proposed damage evolution equation was validated with experimental results and proved to be efficient in the prediction of fatigue damage tendency of rock salt under different loading frequencies and amplitudes.     

飞机荷载作用下超载预压软土地基的长期沉降

为了研究超载预压地基在飞机荷载作用下的长期沉降,通过对温州淤泥质黏土进行室内循环三轴试验,建立饱和软黏土的累积塑性应变模型和累积孔压模型.利用层状弹性理论计算地基中的动偏应力,结合已建立的经验模型得到在交通荷载作用下软土地基的累积塑性应变和孔压消散应变.采用分层总和法计算飞机荷载作用下温州机场跑道超载预压地基的长期累积沉降,将计算沉降值与实测沉降值进行对比,验证了饱和超固结土不排水累积塑性应变模型和累积孔压模型的合理性.     

砂土动应力-应变发展特性试验

对福建标准砂和南沙群岛珊瑚砂进行了不同初始固结条件下的循环剪切试验.试验结果表明,在不同固结条件下动应力-应变发展模式显著不同.在均等固结条件下,动应力-应变关系的循环效应和对称累积特性均十分显著,随着砂土强度的完全丧失累积变形迅速发展;而在非均等固结条件下,当动应力作用平面上具有扭剪应力预剪作用时,剪应变则以单向累积变形为主,当动应力作用平面上只有轴向应力作用时,剪应变循环效应相对较大,累积变形并不显著,即使在循环扭剪荷载作用下,变形仍以轴向变形为主.这种特征似乎与中主应力系数没有显著的依赖关系.     

考虑颗粒破碎的堆石料动力变形特性模拟

颗粒破碎是影响堆石料强度和变形特性的重要因素,但目前针对颗粒破碎的模拟研究多在静力荷载条件下。为研究颗粒破碎对小应变条件下堆石料的动力变形特性的影响,采用多个等粒径小球按最密六方排列随机组合模拟不规则形状的堆石颗粒,通过碎片替换法模拟颗粒破碎,研究了花岗岩堆石料不同围压下的动力响应,探索了孔隙率对动弹性模量的影响,分析了振动过程中的颗粒破碎规律及配位数的频率分布。结果表明模拟的骨架曲线与室内试验结果具有较好的一致性,数值模拟可以较好地再现不同围压下堆石料的动力变形特征。在相同围压和动应力条件下,考虑颗粒破碎的试样会产生更多不可恢复的变形,动应变会明显增大,动弹性模量降低。振动过程中集合体的有效配位数会减小,与不考虑颗粒破碎的情况对比,考虑颗粒破碎的试样具有更多的力学不稳定颗粒,有效配位数的降低更显著。颗粒破碎对最大动弹性模量的影响较小,但会加快动模量随动应变增长而衰减的速率。孔隙率小的试样有效配位数高,且受力性能更好。在相同动应力条件下颗粒破碎较少,动弹性模量随动应变的增加而衰减的速率较慢,最大动弹性模量约为大孔隙率试样的1.2倍。最大动弹性模量主要与有效平均主应力和孔隙率相关,Hardin等提出的经验公式可以较好地描述最大动弹性模量与孔隙比和平均有效主应力的关系。该成果有助于认识粗粒料动荷载下的变形规律,为研究动荷载下的颗粒破碎行为提供参考。