武广高铁无砟轨道路堑基床红黏土动剪应变门槛试验研究

 针对武广高铁无砟轨道红黏土路堑基床动力稳定性问题,首次利用改造后的应力控制式动三轴仪代替国内尚无的剪应变控制式共振柱仪测定土体的短时及疲劳动剪应变门槛。提出一套完整的短时及疲劳动三轴试验方案和数据处理方法,为动剪应变门槛的确定开辟新的试验途径。给出9种试验条件下红黏土短时动剪应变门槛、疲劳动剪应变门槛及相应的成果曲线。红黏土疲劳动剪应变门槛小于短时动剪应变门槛,且前者是后者的2/10～3/10。根据 曲线形态特征的不同,红黏土 曲线簇可分为稳定型、临界型、破坏型3类,且不同试验条件下同类型的曲线具有相似的走势特征。探讨含水比、围压对红黏土动剪应变门槛的影响,给出简单实用的动剪应变门槛经验估算公式。基于对比分析可以认为：采用应力控制式动三轴试验代替剪应变控制式共振柱试验测定动剪应变门槛是可行的,试验成果及数据处理方法是正确合理的。研究成果为高速铁路红黏土路基动力稳定性评价提供宝贵的第一手资料,也为类似工程提供有益的参考。     

地震P波和S波耦合的变围压动三轴试验模拟

地震发生时,尤其是直下型地震发生时,P波对场地土体的作用不可忽略。通过变围压动三轴设备施加的特殊应力路径, 模拟了P波和S波耦合对饱和软黏土动力特性的影响,即循环剪应力和循环正应力耦合对饱和软黏土动力特性的影响。试验结果表明：变围压动三轴试验得到的包括循环剪应力和循环正应力的应力路径可以较好地模拟P波和S波的耦合作用;循环剪应力和循环正应力的相位差对饱和软黏土的动强度有较大的影响,当相位差为180°时,土体的动强度最低,当相位差为0°时,动强度最高;随着循环正应力幅值的增大,土体的动应变发展速度与常规恒定围压动三轴试验下的动应变发展速度相比,差距逐渐增大。这些发现一方面表明强震过程中P波的作用不可忽略,另一方面表明,在某些情况下,常规恒定围压动三轴试验高估了饱和软黏土的动强度,对抗震设计不利。     

交通荷载引起的静偏应力对饱和软黏土不排水循环性状影响的试验研究

为研究交通荷载引起的静偏应力对饱和软黏土的不排水循环性状的影响,设计了室内不排水动三轴试验,将动应力简化为静偏应力与正弦荷载的叠加,研究了静偏应力对饱和软黏土变形、孔压发展规律以及动强度的影响。研究表明,静偏应力对土体动力特性影响很大,加快了塑性变形、残余孔压发展,降低了动强度曲线,减小了最小极限循环强度。且静偏应力的影响随着静偏应力的增大而显著。研究结果说明,交通荷载引起的动应力作用下,饱和软黏土更容易破坏。     

砂卵石土动强度与动弹性模量试验分析

通过砂卵石土动三轴试验,深入研究了砂卵石土动力特性,得到了砂卵石土的动强度和动模量在不同围压及固结应力比条件下的变化规律。试验结果表明,围压是动强度提高的重要影响因素,固结应力比不同的条件下,动强度及动模量变化也较大。     

土石坝黏土心墙的材料动力特性试验

以土石坝黏土心墙料为研究对象,结合工程实际情况,考虑不同固结围压对黏土心墙料动力特性的影响。通过循环振动三轴试验,对黏土心墙料在选定的5组固结围压状态下表现出来的动力特性进行研究,得出固结围压的变化对其产生的影响。在研究的固结围压范围内,固结围压对动弹性模量的影响较大,动弹性模量随固结围压的增大而提高;最大动弹性模量与平均主应力间具有良好的幂函数关系,随着平均主应力的增大呈指数增长;阻尼比曲线与动剪模量比曲线在不同的固结围压状态下表现出了良好地归一化特性。     

不同波形下饱和黏土耦合循环剪切特性的对比研究

海洋波浪荷载在海床内土体中引起的动应力的特点是动应力幅恒定,动主应力方向连续旋转。利用土工静力–动力液压三轴–扭剪多功能扭剪仪模拟海洋波浪的加载形式,针对饱和黏土进行了竖向和扭转耦合循环剪切试验,着重对比研究了在正弦波和三角波两种不同波形条件下饱和黏土的动强度、变形特性、广义临界循环应力比与应力洛德参数。研究表明:在相同破坏振次条件下,正弦波耦合试验比三角波的动强度小,且动剪应力越小,两者动强度的相对降低也越少;在相同动剪应力幅值下正弦波耦合循环剪切的变形大于三角波的变形;耦合循环剪切试验中的广义临界循环应力比受波形的影响,正弦波的广义临界循环应力比小于三角波的;应力洛德参数的变化曲线在不同波形下也有所不同。     

长期往复荷载作用下近海饱和软黏土强度和刚度的弱化特性

长期往复荷载作用下,饱和软黏土强度和刚度的衰减是近海桩基础设计必须考虑的,利用带弯曲元的循环三轴仪对原状饱和软黏土进行了一系列等向固结和非等向固结条件下不排水单调和循环加载三轴试验,并在循环加载过程中通过弯曲元测试土体剪切波速。试验结果表明,在相同的固结条件下,随循环次数的增加和动应力比的提高土体的强度和刚度衰减显著;在相同动应力比作用下较小的有效固结应力和偏压固结减缓了土体刚度的弱化。已有的相对偏应力水平参数不能反映不同固结条件下近海饱和软黏土强度和刚度循环弱化特性,为此引入了动偏应力水平参数,考虑了有效固结应力、固结静偏应力、动偏应力的相互影响,利用动偏应力水平对饱和软黏土的强度和刚度循环弱化特性进行描述。     

合肥原状和重塑黏性土动力特性对比试验研究

为研究土体扰动对土动力特性的影响，以合肥包河区的地基土为研究对象，采用GCTS STX-100双向振动三轴仪对不同钻孔和不同深度的原状和重塑黏性土进行动三轴试验，试验得出以下结果：(1)在相同围压下，原状和重塑黏性土动力特征参数(最大动应力τ_dmax、最大动剪切模量G_dmax)的差异性随着钻孔深度的增大逐渐增大；在低围压(50 kPa)下，原状样和重塑样的τ_dmax、G_dmax差异不大、关系曲线趋于重合。随着围压的增大，关系曲线快速分离，原状样的τ_dmax、G_dmax大于重塑样，且增大的幅度随着围压的增大逐渐增大，当围压达到300 kPa时，偏离幅度可达30%以上；(2)原状样和重塑样阻尼比λ_d在同一动应变下随着围压的增大而减小；λ_dmax范围在0.2～0.3;(3)土体的动强度和动剪切模量由于土体的扰动而减小。     

围压对黏土动力特性影响的试验研究

以某工程场地黏土为研究对象,结合工程实际,考虑不同固结围压对黏土动力特性的影响。通过循环振动三轴试验,对黏土在选定的5组固结围压状态下表现出来的动力特性进行研究,得出固结围压的变化对其产生的影响。在研究的固结围压范围内,固结围压对黏土最大动剪模量的影响显著,随围压的增大呈幂指数增长;对动剪模量比曲线与阻尼比曲线的影响均较小,简化起见,将其分别作归一化处理。数据处理过程中引入Darendeli M B等的研究成果,对试验成果进行统计回归分析,得到Gd/Gdmax-γd关系曲线的归一化表达式,间接得到了λd-γd归一化表达式。     

不同应变类型红黏土归一化特性分析

基于红黏土不排水三轴剪切试验,采用人工制备2种不同压实度红黏土试样,分别测定其变形特性,研究不同应变类型红黏土的应力应变曲线归一化特性。试验结果表明:试验过程中出现应变弱塑性与应变强塑性这2种应变类型曲线,压实度对红黏土应变类型存在较大影响;2种应变关系曲线皆可用双曲线函数模型进行拟合;利用主应力差渐近值对不同应变类型的红黏土进行归一化分析均取得了较为理想的效果,对应变强塑性红黏土的曲线拟合效果优于应变弱塑性红黏土;本次试验用红黏土在重塑过程中损失了部分结构性,宜继续对比原状红黏土即结构性红黏土的应力-应变关系,构建结构性土本构模型。     

粉质黏土冻土三轴强度及本构模型研究

通过对南京典型粉质黏土10℃冻土在不同围压、固结方式、应力路径条件下的三轴试验,分析不同因素对三轴强度影响,结果表明：最大轴向偏应力随围压增大而线性增大,且重塑粉质黏土冻土的最大轴向偏应力随围压的增大速度大于原状粉质黏土冻土的增大速度;固结方式对内摩擦角影响较大,对黏聚力影响不大,先等压排水固结再冻结试样强度会大幅度提高;强度和弹性模量受应力路径影响,其中常规加载应力路径强度及弹性模量要大于卸载应力路径强度及弹性模量;基于Duncan-Chang模型建立考虑围压影响的冻结粉质黏土本构模型,参数a、b与围压呈负相关,获得原状粉质黏土以及先等压排水固结再冻结、先等压不排水固结再冻结和先冻结后固结重塑粉质黏土的破坏比均值分别为0.87、0.89、0.93和0.87。     

重塑黏土真三轴试验强度特性及本构模型研究

土体的强度特性是岩土工程稳定性分析的重要依据。本文分析了不同含水率重塑粘土在复杂应力路径下的强度变化规律,获得以下主要结论:含水率较小时重塑粘土的应力应变曲线呈强硬化型,含水率较大时呈弱硬化型,含水率一定时随着中主应力比的增加应力应变曲线向外扩张;重塑粘土强度随着中主应力比的增加而增大,中主应力比小于0.5时增幅较大,大于0.5时增幅有所减小;不同含水率下重塑粘土强度在π平面上的破坏线为一族相似曲线,随着含水率的减小破坏线向外扩张且圆润度增强,破坏曲线的形态逐渐接近加权双剪强度理论。鉴于考虑轴对称应力条件下的邓肯-张模型不能反映中主应力变化的影响,通过重塑粘土的真三轴试验结果结合邓肯-张双曲模型建立了能够考虑中主应力比的改进邓肯-张模型,并与复杂应力路径的试验结果进行比较,验证了改进邓肯-张模型的有效性。     

木屑混合粘土动强度试验研究

对木屑混合粘土的动三轴试验进行了研究,通过最大动剪切模量以及动强度曲线两个指标,分析了结构性和木屑含量对软粘土动强度特性的影响,试验结果表明:软粘土的结构性可以明显影响粘土的抗剪强度,木屑含量对软粘土动强度的影响呈现出两面性。     

加载频率对粘性土动力特性影响的试验研究

通过在不同的振动频率1Hz、4Hz、8Hz、10Hz情况下,研究了粘性土的应力应变曲线、动模量曲线和阻尼比曲线与振动频率的关系,讨论了振动频率对粘性土的动力特性的影响。结果表明：在这四种频率作用下,粘性土的动本构关系均服从双曲线模型;振动频率在应变较小时对土的动模量影响较小、在应变较大时影响较大;振动频率对于粘性土的阻尼比则具有较大的影响。     

不同加载速率下冻结黏土的强度及破坏特性

冻土在不同加载速率下的强度和变形特性,是改进冻土机械开挖方法和设备所需的重要参数。通过对冻结黏土进行单轴压缩试验,研究了不同温度和加载速率条件下冻结黏土的强度特性、模量特性和破坏特性。通过分析试验,得到以下结论:(1)冻结黏土的抗压强度和起始屈服应力均随温度的降低和加载速率的增大而增大,且起始屈服应力与抗压强度有很好的线性关系。(2)温度和加载速率对起始屈服模量和切线模量影响很大,不同温度条件下切线模量与加载速率存在对数函数关系。(3)在不同温度条件下,破坏应变和破坏时间均随加载速率的增大而减小。(4)在较大加载速率条件下,温度对冻结黏土的破坏应变和破坏时间影响不明显。     

红黏土在卸荷状态下的力学特性试验研究

选取工程中常见的3种应力路径,进行不同稠度状态的原状及重塑红黏土的力学特性试验,以研究在不同稠度状态下结构性红黏土在侧向卸荷条件下的变形破坏特性。通过将卸荷比的概念应用于贵州红黏土进行红黏土在卸荷开挖状态下其卸荷比与变形关系的研究,研究结果表明:初始卸荷比可以很好地描述红黏土剖面在不同应力路径下的变形破坏特征。不同含水率、不同应力路径和不同固结围压下红黏土的初始卸荷比有很大的规律性及差异性,其与红黏土的变形具有密切的联系,可以用来作为一种研究手段建立和描述红黏土在工程中的受力变形破坏规律。     

Residual Strength Characteristics of Naturally and Artificially Cemented Clays in Reversal Direct Box Shear Test

The naturally cemented clay preserving chemical bonds that was gradually disintegrated by weathering is a soil exhibiting a progressive failure such as a landslide. The residual strength of soil possessing cementation properties given by diagenesis has not yet been investigated. The objective of this study is to clarify the residual strength characteristics of naturally and artificially cemented clays using an improved reversal direct box shear test apparatus. Based on the test results of reconstituted Kaolin clay, undisturbed, remolded and reconstituted samples of three natural clays, this paper describes the influence of normal stress, shear displacement rate, consolidation and shear histories on the residual strength of cemented clay. Especially, to simulate the same mechanical behavior as the naturally cemented clays, the cementation was artificially reproduced by adding cementing agents to slurry clay. Consequently, 1) the residual strength of cemented clay is independent of consolidation yield stress and initial void ratio. 2) The residual strength of cemented clay as well as non-cemented clay increases with increasing the shear displacement rate. 3) The residual strength of cemented clay as well as non-cemented clay is not affected by any stress history.     

基于振次影响的软土动力参数模型

为了深入研究软土的软化现象,对软粘土进行了一系列的动三轴试验。在软土动力三轴试验的基础上,采用最大动剪模量的计算公式,对软土进行了计算和比较,建立了考虑频率影响因素的经验公式。同时,给出了振次曲线的动态参数的拟合公式,计算分析了软土的动态参数,并验证了该公式的适用性。结果表明,考虑频率影响因素的计算公式能更准确地计算出动态参数,提出的曲线拟合计算公式对不同地区土的适用性较好,可以推广使用,便于进行理论分析以及工程运用。     

列车荷载下考虑频率影响的软黏土破坏标准研究

列车荷载在地基土体中引发一种心形线主应力轴旋转动力路径,考虑频率作用时,会对地基土产生更为复杂的影响。以南京河西典型重塑软黏土为对象开展数组不同频率f和动应力比η的不排水空心扭剪试验。试验发现,不同动应力比下,土体变形随振动频率的变化趋势主要分为两种情况。另外,随着频率f的提高,试样发生破坏的临界动应力比η'先减小后增大。频率f在1.0~2.0 Hz范围内,孔压发展曲线受频率影响较小,当f=0.5 Hz时,孔压发展显著增大。提出一种适用于列车荷载下考虑频率影响的重塑软黏土破坏评价方法。该标准以孔压–应变耦合曲线为主要辨识曲线,可以判别试样所属的稳定、临界或破坏型状态,为后续开展列车荷载引起的软黏土地基承载力研究提供理论支持。     

循环荷载作用下结构性软粘土的变形和强度特性

采用萧山原状和重塑软粘土在不同压力下固结后进行动力试验,探讨结构性软粘土在循环荷载作用下,合适的动应变破坏标准。文中比较了按本文提出的破坏标准与破坏应变标准取为5%和10%时的动强度差异,结果表明,在破坏振次较小时,本文提出的应变破坏标准更为合理;随着振次的增大,不同应变标准下的动强度差异性逐渐减小并趋于同一个稳定值--土体的最小动强度。固结压力对结构性软土动强度的影响较大,当固结压力小于土体结构屈服应力时,原状土动强度明显高于重塑土;而当固结压力超过土体结构屈服应力时,两者的动强度基本趋于一致。