温控动三轴试验装置的研制及应用

 为研究温度对土动力特性的影响,设计了内外联合加热的温控装置,研制了温控动三轴试验系统。该系统能实现10 ℃～100 ℃范围内试样温度的精确控制,并可线性调节、分级加温。最后,以宁波饱和淤泥质软黏土为例,初步开展了不同温度下的土动力特性试验,验证了其有效性和可靠性,试验结果表明：在不同温度下,试样的滞回圈形状及发展与常规动三轴试验结果一致;随着温度的升高,软黏土的塑性累积应变、动阻尼比和动孔压减小,动弹性模量增大,且各增量值均随温度上升而减小,反映了软黏土的热硬化特征;累积塑性应变与温度归一化结果呈指数关系。     

高速铁路路基粗粒土B组填料大型动三轴试验研究

为研究高速铁路路基粗粒土B组填料的动弹性模量与阻尼特性,进行了大型动三轴试验。结果表明:动应变是影响粗粒土B组填料动弹性模量和阻尼比最主要的因素。随着动应变增大,动弹性模量呈幂指数减小、阻尼比呈S型曲线增加。随着固结围压或加载频率的增加,动弹性模量和阻尼比均增大。随着振动次数的增加,动弹性模量呈减小的趋势,应力水平越低衰减幅度越小。根据试验结果,建立了考虑围压、频率影响的动弹性模量及阻尼比关于动应变的关系模型,为高速铁路路基粗粒土B组填料的动力参数取值提供参考。     

膨胀土与改性膨胀土的动力特性试验研究

在成都绕城路膨胀土路基改性试验研究的基础上,利用动三轴试验研究膨胀土及改性膨胀土在重复荷载作用下的永久变形及动力特性。分析了不同围压下弹性应变、累积塑性应变和动应变与荷载重复作用次数之间的关系,在双对数坐标系中比在普通坐标系中能更好地区分累积塑性应变的3个阶段。当忽略第1和3阶段时,累积塑性应变与荷载作用次数之间在双对数坐标系中近似呈线性关系。膨胀土的动应变与荷载作用次数之间也有类似的关系。比较了膨胀土与改性膨胀土的动力特性(如动弹性模量、动粘聚力、动摩擦角、阻尼比等),表明经改性后膨胀土的力学特性得到了明显增强。     

海底粉土动力特性的试验研究

为了对杭州湾海底粉质土在波浪荷载作用下的动力特性进行研究,选用杭州湾地区分布较广的粉土,通过一系列模拟不同振动频率的波浪荷载的动三轴试验,探讨了振动频率的变化对粉土动应变、动孔压和动强度的影响。试验结果表明:波浪荷载作用下振动频率的大小对土体的累积轴向应变和动强度有较大影响;振动频率的变化对动孔压的发展趋势的影响不明显,同时围压对动孔压比的影响很小,动孔压比与累积轴向应变的关系曲线具有良好的归一性。     

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。     

应变控制下舟山岱山海相软土动弹性模量及阻尼比试验研究

 为探究舟山岱山海域海底岩土地质层动力学特性,借助GDS动三轴系统对应变控制循环荷载作用下舟山原状海相软土动弹性模量和阻尼比变化规律进行研究。得到舟山岱山海相软土动应力、动应变、动孔压时程曲线以及应力–应变关系曲线,讨论各围压下动弹性模量和阻尼比随动应变幅值的变化趋势。结果表明：舟山岱山海相软土的应力–应变关系曲线为不完全封闭的滞回圈;循环加载过程中土样发生应变软化;同级加载下动弹性模量和阻尼比数据点围绕某恒值作小幅波动,故可采用代表该恒值的均值来表征该级加载下的动弹性模量和阻尼比,由此所得的各围压下动弹性模量–动应变幅值、阻尼比–动应变幅值关系曲线呈收敛趋势;由修正Hardin-Drnevich (H-D)模型建立的应变控制下舟山岱山海相软土动弹模及阻尼比归一化模型可揭示深海环境中海相土受围压影响的动力学机制。将共振柱试验结果与动三轴研究作比较,得到结论：两类试验成果可以互为补充,前者可揭示海相土的弹性特征,后者可反映海相土弹塑性阶段的动力学特性;舟山岱山海相软土在两类试验中均对围压敏感。     

基于修正Iwan模型的软黏土动应力–应变关系研究

在循环荷载作用下,饱和软黏土由于孔压上升和结构重塑会发生应变软化;同时会产生累积塑性应变。而且,当存在初始偏应力时,累积塑性应变的发展速率加快,并随着循环次数的增加,滞回圈明显向右滑移。正基于此,本文通过对杭州正常固结饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,首先建立考虑不同动应力、初始偏应力下正常固结软黏土的软化指数经验模型;然后将软化模型引入Iwan串联模型中考虑循环软化的影响;同时再串联一理想刚塑性元件,模拟循环过程中产生的累积塑性应变;最后结合Masing准则对软黏土的动应力–应变关系进行了描述。通过对试验值进行模拟以及与其他模型的对比分析,初步证明了模型的合理性和有效性。     

排水条件对不同固结度软黏土动力特性影响试验研究

地铁隧道下卧土层由于施工扰动通常存在不同固结度,列车荷载下土体应变规律也有所差异,进而产生不均匀沉降。通过室内动三轴试验系统对杭州饱和软黏土进行动力测试,研究了排水条件、固结度、振动次数对软黏土动孔压和应变的影响,在试验和现有研究成果的基础上建立了考虑初始固结度、振动次数、排水条件的应变软化模型。结果表明:固结度愈高的土体,孔压发展愈缓慢,并且随振动次数增加,在较低的孔压水平就可达到稳定,排水条件下的孔压发展规律可由不排水试验获取。土体应变随循环次数的增加而增加,随固结度的增加而降低;提出的应变模型考虑了荷载循环过程中土体的排水,可以较好地模拟不同固结度下饱和软黏土的应变发展规律。     

循环荷载饱和风积土累积塑性变形模型

为了研究在不同初始静偏应力、动应力和围压作用下累积塑性应变变化规律,采用GDS三轴试验系统对饱和风积土进行不排水动三轴试验;并结合现有饱和土体累积塑性变形模型和疲劳损伤模型理论,建立一种新的循环荷载饱和风积土累积塑性变形预测模型;通过与试验数据进行对比,验证了所建立模型的正确性,进而揭示饱和风积土在循环荷载作用下的疲劳损伤和损伤与累积塑性应变之间的变化规律。结果表明:在相同动力幅值作用下,累积塑性应变随着静偏应力增大而增大,其应变增长速率也越大;同时,曲线变形趋于稳定时对应的循环次数也越大。模型曲线与试验数据具有良好的吻合度,证明了该模型可更好地分析在循环荷载作用下土样的动力特性,也可进一步分析土样的损伤演化规律和疲劳损伤变化规律,为路基土的动力灾害治理提供理论依据。     

不同频率影响下结构性软黏土动力特性试验研究

为研究频率对结构性软黏土动力特性的影响,以天津滨海新区结构性海积软土为试验材料,基于两种波形,进行了一系列动三轴试验,研究不同振动频率作用下结构性软黏土应力–应变关系、动力塑性累积应变以及孔压特性。试验结果表明,总体上振动频率越低,土体的软化程度越高,土体产生的变形越大,累积应变增速快最终值大,相同条件方波作用下的动应力应变软化程度高于正弦波。频率对孔压有影响,在相同振次下,孔压随频率的增大而减小。振幅对于孔压变化的影响表现为低幅值上升速度快,数值也大于高幅值作用下的孔压值,有明显的高幅滞后现象。     

单幅值循环动载下饱和砾砂动力特性试验研究

为探究动应力比和围压对饱和砾砂动力特性的影响,通过一系列饱和砾砂动三轴试验,分析了动应力比和围压对饱和砾砂轴向累积应变、回弹模量、动孔隙水压力以及滞回曲线的影响。结果表明:在同一围压下,动应力比增加时,砾砂的轴向累积应变、回弹模量增大,而动孔隙水压力减小;不同围压下,饱和砾砂的轴向累积应变、回弹模量以及动孔隙水压力均随围压的增加而增大;围压的增大有利于提高土体能量耗散的能力,而振次的增加会使土体的耗能作用减小;滞回曲线的倾斜程度随动应力比、围压以及振次的增加而增大,表明土体的回弹模量增加、刚度增大;滞回曲线的演化规律能够更加形象地反映出土体形变、刚度和耗能作用的变化,对土体动力特性进行分析时应结合滞回曲线的演化规律进行综合分析。     

双向激振下饱和软黏土动模量与阻尼变化规律试验研究

 通过GDS双向动三轴系统对双向激振循环荷载作用下饱和软黏土的动模量与阻尼变化规律进行研究。结果表明：随着径向循环应力增加,孔压比增加,双向激振对孔压的影响仅限于对初始孔压的提高,且初始孔压提高的幅度近似与径向循环应力相等;双向激振对门槛循环应力比的影响不明显;径向循环应力对动模量与阻尼的变化规律有显著的影响,在动应变一定的情况下,随着径向循环应力比的增加,动模量降低,阻尼比增加。随着径向循环应力的增加,小应变弹性模量随之减小,且近似与径向循环应力比成线性关系,据此实现了Hardin公式的修正,建立了双向激振下小应变弹性模量经验模型。径向循环应力及围压对 及 关系曲线影响不明显,通过对双曲线型模型修正,建立双向激振下饱和软黏土动模量与阻尼随动应变变化的经验模型。     

水泥土小应变动力特性试验研究

通过GDS共振柱,研究了不同围压、不同掺和比对水泥软黏土小应变动力特性(动剪切模量和阻尼比)的影响,得到了水泥软黏土小应变动力特性的变化规律。随着应变幅值的增加,动剪切模量逐渐衰减。最大动剪切模量随有效围压的增大而线性增大;在相同应变水平下,随着水泥土掺和比增大,有效围压对动剪切模量的影响逐渐减小。随着应变幅值的增加,阻尼比逐渐增大。相同应变水平下,试样的阻尼比随有效围压的增大而有轻微地减小。水泥掺和比对阻尼比的影响较小,随着水泥掺和比的提高,相同应变水平下试样的阻尼比有略微地升高。与动剪切模量相比阻尼比对有效围压和掺和比的变化不敏感。     

高速铁路碎石类A、B组填料的动力特性研究

针对碎石类A、B填料填筑的高速铁路路基的长期动变形稳定性问题,以室内短时动三轴试验为依托,依据高速铁路路基的工作条件,建立动三轴试验模型,对碎石类A、B组填料的基床底层和路基本体进行了动模量和阻尼比试验研究,提出了压实度、围压等是动模量和阻尼比最主要影响因素及其相关性;建立了考虑压实度、围压影响的动模量、阻尼比与动剪应变之间的关系模型,证实了动应力-动应变关系可用修正的Hardin-Drnevich模型进行描述,对高速铁路长期动变形稳定性的深入研究具有重要意义。     

Ko固结饱和土沉桩引起的超静孔隙水压力

根据饱和粘土中沉桩特点,用柱孔扩张理论模拟其贯入过程,将扩张后周围土体分为塑性区和弹性区,由柱孔扩张基本平衡方程和边界条件,采用能够考虑天然状态土体实际固结性状的K_o固结土体本构模型的屈服面方程为屈服准则,以对数应变考虑桩周土体发生的大变形,结合Henkel孔压公式,推导出沉桩后桩周超静孔隙水压力的理论表达式。通过算例分析了土体剪切模量、临界状态应力比、超固结比和静止侧压力系数对超静孔隙水压力的影响。同时,与基于修正剑桥模型解答和工程实例进行对比分析,理论计算值和现场实测值吻合较好,表明理论结果的合理性与实用性。     

考虑变围压因素的饱和软黏土循环纯压动力特性

饱和土体的动力特性表现出对应力路径的依赖性。越来越多基于变围压动三轴的试验结果表明：循环围压应力路径对砂土等颗粒材料的变形和回弹特性存在较大的影响。基于变围压动三轴试验,通过循环偏应力与循环围压的耦合模拟真实交通荷载下竖向循环正应力与水平循环正应力的耦合,研究了循环围压对饱和软黏土孔压、永久和回弹变形的影响。试验结果表明：在不排水条件下,与常规恒定围压动三轴试验结果相比,循环围压的存在较大程度地改变了孔压的发展规律,减少了永久变形的累积速度,同时增加了回弹变形（即减少了回弹模量）;循环围压幅值与循环偏应力幅值的比值（RPD）越大,永久应变的减少值与回弹应变的增加值越大;并进一步建立了考虑循环围压因素的饱和软黏土永久沉降和回弹模量预测模型。     

甘南地区黄土的动模量与阻尼比特性研究

通过室内动三轴试验,研究了甘南地区次生黄土的动本构关系,得到了模型参数,分析了甘南黄土的动剪模量比和阻尼比发展特征,提出了动剪切模量衰减模型和阻尼增长模型;并通过归一化处理和模型参数比较,对次生黄土与风成黄土动剪模量比和阻尼比的差异性进行了讨论。结果表明:次生黄土的动本构关系服从双曲线模型,模型参数a值较风成黄土无明显差异,但b值为相同条件下风成黄土b值的1.5~3倍,且模型参数与天然含水率、干密度等物性参数和固结围压不存在明显的相关性。次生黄土的初始动弹性模量E_(dmax)受固结条件、密度影响较大,相同条件下残坡积黄土的E_(dmax)较冲洪积黄土小。次生黄土的动剪模量比随动剪应变增大而减小,变化趋势满足负指数衰减模型;阻尼比随动剪应变的增大而增大,变化趋势服从对数关系;相比于风成黄土,其动剪模量比随动剪应变的增加衰减更快,阻尼比增长范围较窄,表明沉积环境对黄土动力特性的差异性影响显著。     

不同幅值和频率的交通荷载下黏土变形特性研究

采用GDS空心圆柱扭剪仪对南京河西地区软黏土施加不同循环动应力比(CSR)和不同频率的模拟交通荷载,分析研究土体在交通荷载下的动力特征。试验结果表明:应变曲线随CSR的变化可分为稳定型、临界型和破坏型;在不同频率下,可用频率折减系数对广义剪应变开展进行预测;在较低的CSR(小于0.23)下土体逐渐达到准二次平衡状态,孔压趋于稳定;在较高的CSR下,土体由于结构改变无法达到准二次平衡状态,孔压逐渐上升;不同频率下的孔压变化是由塑性体积应变开展程度和单位时间内塑性体积应变累计“次数”共同作用的;土体的割线弹性(剪切)模量E_d(G_d)与循环正(剪)应变幅值ε_m(γ_m)的关系可以用Hardin-Drnevich模型来描述,发现1/E_d~ε_m或1/G_d~γ_m的斜率与CSR成负线性相关,而频率对土体割线模量几乎没有影响;通过计算土体的总体等效阻尼比,发现土体破坏时其值约为0.018,且该值大小随频率变化影响不大,同时相比于CSR,荷载频率对总体等效阻尼比影响较小。