列车交通荷载作用下地基土单元体的应力路径

为研究列车交通荷载作用下地基内部动应力特征以及土体单元经历的应力路径,基于2.5维有限元数值方法建立轨道-路堤-地基耦合分析模型,其中轨道在轮轴荷载作用下的弯曲变形用欧拉梁来描述,而列车荷载被简化为作用于轨道上的单个或多个移动轮轴荷载,通过基于半解析的方法推导得到了地基中的动应力解答。剖析列车轮轴荷载作用过程中地基内部土单元体经历的应力路径和其中的主应力轴旋转现象;发现当列车速度低于地基剪切波速时,不同速度的荷载作用下不同地基深度处的土单元应力路径曲线形状都很相似;而当荷载速度增大到接近或者超过地基剪切波速时,土单元应力路径曲线和应力分布均发生很大改变。分析结果为研究交通荷载作用下软土的动力特性及地基长期附加沉降提供了基础。     

移动荷载引起的地基应力状态变化及主应力轴旋转

用弹性半空间Euler-Bernoulli梁及其在移动荷载作用下的动力解,得到地基表面与梁之间的接触反力解答。将接触反力视为作用于地基表面的荷载,以单位移动荷载引起的半空间地基内部应力解为基础,对反力在作用空间上进行积分,得到荷载速度小于地基中Rayleigh波速时,移动荷载在地基中引起的稳态应力响应解答。以单个轮轴移动荷载为例,分析地基土单元的应力状态变化、主应力轴旋转以及荷载速度的影响。给出荷载移动线正下方和荷载移动线外土单元应力的时程曲线、应力路径、主应力轴方向变化曲线。结果发现,荷载移动过程中,荷载移动线正下方土单元主应力轴连续旋转180°。土单元应力状态从纯剪变化到三轴剪切,再回到纯剪状态。当荷载速度较高时,速度对应力状态变化的影响非常大,移动荷载引起的动力响应非常大,不可以用静力解答来分析应力。荷载移动线以外的土单元应力状态变化和主应力轴旋转非常复杂,但x-z和x-y平面上的应力路径形状与荷载移动线正下方土单元的应力路径形状相似。     

主应力轴循环旋转下饱和软黏土的累积变形

交通荷载下地基中土单元的主应力大小和方向将同时发生变化,现有的计算交通荷载引起的路基长期沉降实用模型未能反映交通荷载引起的土体单元主应力轴循环旋转现象。在推导常广义剪应力主应力轴循环旋转方程及验证空心圆柱剪切仪动力加载能力基础上,对上海第④层饱和软黏土进行一系列常广义剪应力主应力轴循环旋转加载试验及非等向固结下循环扭剪试验,分析了主应力轴旋转角、围压及静偏应力对循环塑性累积广义剪应变的影响。 将常广义剪应力主应力轴循环旋转加载试验等效成不同不排水静偏应力和动应力循环旋转加载试验,从而进一步 验证了文献 [12] 所提出的显式模型在模拟主应力循环旋转效应方面的可靠性。     

交通荷载引起主应力轴旋转下软黏土特性试验

为探讨交通荷载引起的主应力轴旋转(即剪应力反转现象)对软黏土动力特性的影响,通过空心圆柱仪(HCA)试验系统,模拟交通荷载作用下土单元的真实应力路径,并对不同轴向偏应力、扭剪应力组合下,软黏土的累积孔隙水压力和累积应变特性进行了试验研究,分析了应力组合模式和幅值对软黏土动力学行为的影响规律。研究表明:施加扭剪应力(模拟主应力轴旋转)会增大软黏土的累积应变和累积孔压,且对孔压的增大影响比对应变更加显著;扭剪应力越大,这种增大效应显著加快,此时在研究交通荷载下软黏土长期变形时,需进行考虑主应力轴旋转的动力试验。     

交通荷载应力路径下K_0固结软黏土变形特性试验研究

交通荷载作用下,软黏土路基土单元体上所受主应力的大小和方向是同时变化的,即在剪应力幅值改变的同时主应力轴连续旋转。针对该问题,利用GDS空心圆柱系统对K_0固结天然温州软黏土进行不排水大数目(10000次)循环扭剪试验,分析了K_0固结软黏土在考虑主应力轴旋转时不同动应力水平下的应变特性。试验结果表明:主应力轴旋转的存在将使土体内产生更高的孔压,并在轴向上产生额外变形,且随着扭剪应力的等幅增加,竖向应变和孔压的增加量将越来越大。考虑主应力轴旋转时不同动应力水平下K_0固结软黏土的变形发展模式有所不同,可由安定理论进行解释。确定了考虑主应力轴旋转下K_0固结温州软黏土的临界动应力水平——即门槛循环应力比、容许循环应力比和临界循环应力比的范围。提出可将容许循环应力比作为道路工程沉降控制的准则。与三轴试验结果相比,考虑主应力轴旋转时,道路设计中对动应力的控制应更为严格。     

主应力轴往复循环旋转下砂土的变形特性研究

针对波浪、交通等动荷载下土体所受应力状态往往具有主应力轴循环旋转这一特性,本文对粉细砂进行了一系列主应力轴往复循环旋转应力路径下的空心圆柱扭剪试验,分析了粉细砂在主应力轴往复循环旋转条件下的基本变形规律,并重点研究了粉细砂的非共轴变形特性。通过试验发现,在主应力轴往复循环旋转的应力路径下,粉细砂会产生明显且随旋转次数增加逐渐累积的塑性变形;中主应力系数和循环起始角度对粉细砂轴向应变、剪切应变及体应变等的变化有着明显影响;主应力轴往复循环旋转过程中砂土的非共轴角不可忽略,其变化规律受循环起始角度的影响;主应力轴旋转方向相反时,对应于同一主应力方向角非共轴角会相差90°左右。     

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。     

交通动载下饱和软黏土累计变形的不排水循环扭剪试验

饱和软土地基上长期往复交通动载将诱发显著的路基运营沉降。交通移动荷载下场地应力路径下呈现心形旋转路径,然而现有路基长期运营沉降分析是建立在循环三轴试验基础上,忽略交通移动荷载下地基土单元主应力轴的旋转效应。利用动态空心圆柱扭剪仪模拟心形循环加载路径,并在动态空心圆柱仪上模拟了传统的循环三轴加载路径。对饱和软黏土开展试验研究,对比观察一系列心形循环加载和三轴循环的不排水累计变形行为。试验研究发现,心形循环加载将诱发更大的累计轴向应变和累计孔压,伴随着初始动应力比的增加,二者差异性更为明显。循环加载过程有效动应力比随着循环次数而增大,循环增量破坏时对应的有效动应力比近似为常数。大数目循环加载下,传统塑性安定行为可渐变为循环塑性蠕变状态。     

考虑主应力轴旋转效应的交通荷载下饱和软黏土变形特性试验研究

 采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土开展交通荷载诱发主应力幅值与主应力轴旋转耦合加载路径下的不排水试验研究。通过与循环三轴压缩试验对比,探讨主应力轴旋转对孔压、变形和应力–应变的影响。分析广义剪应力对循环刚度和非共轴性的影响。试验结果表明,相比较循环三轴试验,交通荷载应力路径下所诱发的主应力轴旋转使孔压和应变显著变大,应力–应变滞回圈刚度显著弱化。循环耦合加载路径下,存在剪切应力–应变和正偏应力–应变2种响应,应力–应变刚度呈现各向异性弱(强)化,应变增量矢量有显著的非共轴性,非共轴性有显著分段特征。较低剪应力水平下,应变路径轨迹趋于稳定,循环刚度表现为强化,非共轴性趋于增大;而较高剪应力水平下,应变路径轨迹趋于破坏,随循环弱化,非共轴性减小。     

地铁列车移动荷载作用下地基土的动应力响应

为了通过室内试验研究交通荷载引起的主应力轴旋转对土体循环特性的影响,以单个移动荷载和两个相邻转向架列车荷载为例,分析了土体中各项应力的时程曲线和主应力轴旋转的过程。     

基坑开挖过程中TJ-1模拟月壤变形特性的试验研究

采用空心圆柱扭剪仪对TJ-1模拟月壤试样进行基坑开挖应力路径的试验模拟,以研究地球重力场环境下TJ-1模拟月壤在地基开挖过程中的变形及非共轴特性。试验结果表明：应力路径对TJ-1模拟月壤的变形影响显著;开挖过程中坑底及连续墙外侧模拟月壤因变形过大而破坏,坑底位置土体受连续墙挤压的影响发生明显的剪缩现象;连续墙内外土体明显的非共轴现象是开挖所致偏应力、应力主轴转幅及旋转速率耦合作用的结果,且上述因素在不同位置影响程度也不相同,坑底位置以应力主轴的转幅及旋转速率的影响为主,基坑外侧则是偏应力比、转幅及旋转速率共同作用的结果。     

路基永久变形对水泥混凝土路面的影响分析

采用由室内反复加载三轴试验建立的路基土永久变形预估模型,计算了典型土组路基永久变形的量值。分析表明,随着路基回弹模量的提高,其永久变形也逐渐减小;路基永久变形在空间上呈垂球面形,在模拟计算中,可采用抛物线或正弦曲线进行拟合。将路基永久变形作为初始条件赋予相应节点,建立考虑不均匀支撑条件的路面结构分析模型,并对不同荷位下路面结构的荷载响应和疲劳寿命进行分析。结果表明,路基变形对柔性基层路面荷载应力和疲劳寿命的影响均十分显著,因此柔性基层不适宜用于重交通和特重交通路面中;对于半刚性基层路面,当路基回弹模量达到40 MPa时,路基永久变形对路面荷载应力和疲劳寿命的影响均较弱,因此建议在路面结构设计中可予以忽略。     

路基土动态回弹模量的试验研究

为明确路基土动态回弹模量的影响因素及其规律、解决其参数取值问题,采用三轴反复加载试验方法,对粉土和粘土进行一系列回弹模量测试。研究表明,回弹模量随围压和压实度的提高而增大,随循环偏应力和含水量的增大而减小;粘土回弹模量受应力状况、含水量等因素的影响较粉土更为显著。在全面分析现有回弹模量本构预估模型的基础上,采用三参数复合模型对试验结果进行拟合,获得不同压实度和含水量条件下粉土、粘土的回弹模量预估模型。通过与试验数据的对比,验证了该模型的正确性与可靠性。     

Effect of principal stress axis rotation on cyclic plastic deformation characteristics of unsaturated base course material

It is generally observed that the stress state induced through traffic loads inside the substructure of pavements cannot be exactly reproduced in laboratory element tests. Moreover, there are not sufficient studies that examine the behavior of granular material under unsaturated conditions, although such conditions are very prevalent in pavement structures. In this research, an attempt is made to determine the cyclic plastic deformation characteristics of unsaturated granular base course material, and to examine the effect of the rotation of the principal stress axis (experienced by pavement elements under traffic loads) on the mechanical behavior of unsaturated granular base course material by applying various loading methods. A series of laboratory element tests using a multi-ring shear apparatus, which can take into account the rotation of the principal stress axis, were carried out on granular base course material under different moisture contents. The experimental results show that the moisture content has an obvious effect on both the shear behavior and the cyclic plastic deformation of granular base course material. However, the moisture content for the maximum deformation of granular base course material varies according to the loading method. It is also explained that cyclic plastic deformation considerably increases due to the rotation of the principal stress axis under repeated axial and shear loading tests. Therefore, the principal stress axis rotation has a significant influence on the cyclic plastic deformation of unsaturated granular base course material.     

飞机移动荷载下层状路基应力路径特性研究

为研究飞机移动荷载作用下跑道地基受力特性及土体单元经历的应力路径,采用积分变换和传递矩阵法推导了层状地基各应力分量的半解析解,将道路面层-基层-地基视作多层跑道结构体系,将飞机荷载考虑为作用于跑道上的多个移动轮载的叠加,分析了不同移动轮组荷载组合形式下地基内部土单元的偏应力大小、主应力方向的变化规律,揭示了偏应力路径的基本特性;进一步探讨了跑道不同功能区土单元应力路径的差异性,发现不同功能区域土单元应力路径曲线有显著差异,呈现为全心形-上半心形及下半心形的形态,并开展动态空心扭剪试验观察了三种应力路径下土体累计变形的差异性,从而揭示了跑道差异沉降产生的内在机理。     

水网密集区粘土路基当量回弹模量的预估分析

基于非饱和土基本理论,利用基质吸力及土水特征曲线的最新研究成果,对受地下水位控制的粘土路基的平衡湿度状态进行了预估分析;同时采用室内重复动三轴试验方法,建立了非饱和粘性路基土动回弹模量的双线性本构经验预估模型.将上述研究成果相结合,创建了综合考虑路基湿度和应力状态的路基当量回弹模量的预估方法,并结合实体工程建立了以地下水位、路基填筑高度为核心的路基当量回弹模量预估方程.通过与试验路上传统测试方法测试结果的对比分析,表明该评价方法具有准确、可靠特点.研究成果从平衡湿度和应力状态耦合控制的角度,对水网密集区粘土路基当量回弹模量的确定提供了新的视角和途径.