粗粒土路基循环荷载试验及累积变形模型研究

为了探讨粗粒土路基在往复列车荷载作用下产生的累积变形和动力特性,开展了粗粒土的室内动三轴试验,分析了不同循环应力比、不同围压对粗粒土路基累积变形的影响。根据动三轴试验结果,提出了考虑围压和循环应力比影响的粗粒土路基累积变形模型。研究结果表明:循环应力比为0.3时是加载次数-累积动应变曲线由稳定型向破坏型演化的起点,随着循环应力比的增大,软化指数不断增大;当循环应力比小于0.3时,软化指数随着围压的增大而减小,当循环应力比大于0.3时,软化指数随着围压的增大而增大。累积变形模型反映循环应力比和围压对累积动应变的影响,能较好地预测累积动应变的发展趋势,且模型参数有明确的物理意义,能为粗粒土路基的设计和养护提供参考。     

重载铁路路基足尺模型试验研究

以朔黄重载铁路为工程背景,通过构建重载列车模拟加载系统和路基足尺模型,开展路基动力响应试验,分析了在循环加载条件下路基的动力响应特性。试验结果表明,路基中不同深度动应力峰值均随着轴重的增加而增加,轴重越大,动应力的影响深度越大,路基中动应力随深度的增加呈负指数衰减趋势。路肩处动位移峰值随轴重的增加而线性增加。当轴重增加到30 t后,路基达到临界破坏状态,可见按照原朔黄铁路路基建造标准,其最大运行列车轴重约为27 t,如再增加列车轴重,路基需预先采取强化措施。试验结果对建造运行列车模拟加载系统及足尺路基模型具有借鉴参考意义,同时有助于深刻理解列车轴重对路基动力响应特性的影响。     

基于大型动三轴试验的粗粒土累积塑性应变概率模型研究

路基填土在长期交通动荷载作用下的累积塑性变形存在离散性。通过一系列粗粒土大型动三轴试验分析其累积塑性应变随围压、动应力及含水率的发展趋势和变化规律。结果表明:累积塑性应变及其稳定值随动应力的增加而增大,随围压的增加而减小,说明增大围压能有效抑制土体累积塑性变形的发展;土体的动力稳定性随含水率的减小而增加。基于半对数预测模型,运用灰色系统关联理论探究模型参数与含水率和动静应力比的相关性特征,并通过正态性检验论证得到控制粗粒土累积塑性应变发展速率的模型参数服从正态分布。基于概率失效理论,提出预测粗粒土填料累积塑性应变的概率模型,可较好地预测粗粒土填料在循环动荷载作用下的累积塑性应变发展区间。     

不同应力路径下堆石料的动力变形特性试验研究

采用大型多功能静动三轴试验机,对堆石料分别进行了常规三轴循环加载、等p循环加载和等q循环加载三种不同应力路径下的动力变形试验研究,探讨了不同应力路径下围压﹑固结应力比及动应力比等因素对体应变和偏应变的影响规律及其变形机制。试验结果表明:在循环荷载作用下,不同应力路径对堆石料体应变和偏应变的发展规律影响较大;在等p循环加载作用下引起的往返体应变为负值,即发生剪胀现象,且在轴向剪切时达到最大剪胀值,反向剪切时基本不发生剪胀;在等q循环加载作用下产生较大的残余体应变和残余偏应变,两者均不可忽略不计,主要与堆石料的各向异性和颗粒破碎有关。     

振动荷载作用下重载铁路路基粗颗粒土填料临界动应力试验研究

由于重载铁路路基表层为粗颗粒土填料,直接承受轨道结构传递的列车动载往复作用,其临界动应力会影响累积变形,利用自行开发的动三轴试验系统进行不同围压、动应力幅值、含水率条件下粗颗粒土填料的持续振动试验,获得粗颗粒土累积动应变与振次关系曲线,并分析围压、含水率对累积动应变增长影响;在获得不同含水率条件下粗颗粒土的临界动应力比线基础上提出计算临界动应力经验公式。     

冲击荷载作用下岩石破碎分形特征

为探究冲击荷载作用下岩石破碎分形特征,选取花岗岩和砂岩开展分离式霍普金森压杆(SHPB)岩石动力学试验,得到了不同应变率下岩石的应力-应变曲线、破碎特性、强度参数和能量参数;利用标准筛对破碎后的岩块进行筛分,获取了岩石破碎块度分布曲线,并基于碎块粒径分布的质量分形模型计算出分形维数D;最后分析了分形维数与加载参数、破碎特性和耗能特性之间的关系。结果表明,岩石在冲击荷载作用下的破碎块度分布符合分形规律;动态抗压强度随应变率增大而增大,两者满足乘幂函数关系;加载过程中岩石应变率越大,岩石破碎程度越深,分形维数越大;分形维数与岩石破碎耗能密度之间满足乘幂函数关系。采用分形维数可实现对岩石在冲击荷载作用下的破碎特性、力学特性和破碎耗能特性的定量研究。     

路基注浆对高速铁路轨道-路基体系动力特性的影响

翻浆冒泥是多雨地区铁路路基的常见病害,土颗粒流失后导致道床脱空,影响列车安全运行.高聚物注浆是修复路基翻浆冒泥的有效手段,但注浆对轨道-路基体系动力特性的影响有待进一步研究.通过全比尺无砟轨道路基模型试验重现了列车运行荷载下路基的翻浆冒泥现象,开展了路基注浆驱水和填充加固试验,测定了正常路基、路基翻浆冒泥及注浆修复后等...     

重载铁路隧道基底结构长期动力特性试验研究

针对重载铁路隧道基底结构受列车荷载作用更大的特点,根据付营子隧道现场大型激振试验实现了27 t轴重的重载列车动力加载和长期荷载作用,与远程实测动力数据进行比对验证了试验的客观准确性。讨论了双线重载铁路隧道基底结构在大轴重、高密度的运输环境下由上至下的道床、仰拱填充、仰拱结构和围岩表面的接触压力动力响应和长期变化。研究表明,激振试验能够很好的模拟27 t轴重作用下双线重载铁路隧道基底结构的动力特性,具体表现为各结构表面重载线路轨道下方相应位置的动力响应和长期效应最为明显,且由上至下随竖向深度逐渐减弱。各位置的动压力长期效应受该位置的列车动荷载附加值影响,动力响应越大,长期效应越明显。试验结果可为双线重载铁路隧道基底结构的稳定性评价和设计参数提供理论基础。     

三轴循环荷载下岩石的变形及阻尼特性试验研究

对取自露天矿边坡的粗粒辉长岩,在MTS815岩石力学试验系统上进行三轴循环荷载试验,研究在三轴循环荷载下粗粒辉长岩的变形及阻尼特征,探讨在相同围压下轴向循环荷载周次对粗粒辉长岩动弹性模量、阻尼比的影响,及其相互关系;并分析在相同轴向振动荷载作用下,围压对动弹性模量和动阻尼比的影响,以及相互之间的变化规律。结果表明:在相同的轴向振动荷载作用下,动弹性模量和动阻尼比随围压的增加而逐渐增加;在相同围压和轴向振动荷载的作用下,当围压为3 MPa和4 MPa时动弹性模量随振动次数的增加逐渐增加,围压为2 MPa时动弹性模量随振动次数的变化规律不明显。在相同围压和轴向振动荷载的作用下,动阻尼比与振动次数没有明显的变化规律;在相同轴向振动荷载和振动次数作用下,动阻尼比随围压的增加逐渐变大。     

高铁列车荷载作用下路基填料变形特性研究

针对高速铁路运营过程中路基填料动力稳定和变形控制的问题,采用平行相似法对高铁路基填料的级配进行合理缩放,考虑加载频率和含水率等因素,设计一系列不同加载条件下的循环三轴试验对高铁路基填料的变形特性进行研究研究,分析不同的影响因素对高铁路基填料轴向累积塑性应变和回弹模量的影响。试验结果表明：高铁路基填料的轴向累积塑性变形随加载频率和含水率的增大而增大;回弹模量随加载频率和含水率的增大而降低。研究成果对认识非饱和高铁路基填料的变形行为及动力稳定性具有重要意义。     

考虑刚度非线性软化的修正硬化土模型

基于硬化土模型(HS模型)只能描述土体应变硬化行为和刚度线性软化现象,提出了考虑刚度非线性软化的修正硬化土模型。修正模型采用与分段幂函数关系描述初始骨干曲线,并考虑了初始静偏应力和加载速率对应力-应变关系的影响。修正HS模型能较好地描述不同初始静偏应力和加载速率下土体的应变硬化、应变软化和刚度非线性软化等特征。最后,基于原状杭州软粘土的三轴试验,验证了修正模型的合理性。     

高速列车荷载作用下无砟轨道地基竖向耦合动力响应研究

建立高速列车荷载作用下车辆系统-无砟轨道-地基耦合动力模型,通过Fourier变换求解弹性半空间地基土体的动力控制方程,同时根据轨道底座与半空间的接触条件得到了弹性半空间表面竖向位移在频域内的表达式,再采用快速Fourier 变换求得了时域内的土体位移解。结合算例,分析了列车速度、轨道结构参数等因素对地基动力响应的影响。研究结果表明:板下调整层弹簧刚度系数越大,地基土动力响应越大,地表振动越大;底座弯曲刚度越大,地基土动力响应越小;随着列车速度增加,地基土动力响应增大;距离轨道中心处越远,地基土动力响应越小。     

高速铁路路基模型列车振动荷载模拟

针对高速铁路轨道-路基实尺试验模型提出了列车振动荷载模拟装置,该装置由反力架、作动器及分配梁等组成。参照实尺模型,建立了轨道-路基三维有限元数值模型,以运行速度为350km/h的CRH380型动车组、CRTSⅡ型无砟轨道为研究对象,计算并分析了列车移动荷载加载和作动器加载时路基的竖向动应力和竖向动位移,结果表明采用作动器联动加载可较好地模拟列车动力荷载。为获得动力加载时程曲线,采用数值模型建立相邻车厢的两个相邻转向架经过轨道时扣件点反力时程曲线,结合分配梁体系的传力特性和MTS伺服加载试验机对输入时程曲线的要求,通过对扣件点反力时程曲线进行叠加和傅里叶变换得到了作动器的输入时程曲线。     

冻融和热冲击循环作用后红砂岩SHPB试验和本构模型研究EI北大核心CSCD

为研究冻融(freeze-thaw,F-T)循环和热冲击(thermal-shock,T-S)循环对红砂岩动态力学性能的影响。利用直径50 mm的分离式Hopkinson压杆试验装置,对长径比为0.5的红砂岩试件开展F-T循环和T-S循环后的冲击压缩试验,对比分析了F-T循环和T-S循环次数对红砂岩动态力学参数和微观结构的影响。试验结果表明:红砂岩的动态应力-应变曲线可分为弹性、塑性和破坏阶段;其纵波波速、干密度、动态峰值应力、弹性模量、平均破碎块度均随循环次数的增加逐渐下降,而孔隙率、峰值应变、吸收能、比能量吸收值、质量分形维数则逐渐增大;通过对比岩石微观形貌特征发现,相同循环次数条件下,T-S循环对红砂岩内部的损伤程度较F-T循环更加明显;基于黏弹性朱-王-唐模型,建立了能够考虑F-T/T-S循环损伤的红砂岩动态本构模型;通过对比模型和试验得到的动态应力-应变曲线,验证了模型的准确性和适用性,该模型能够较好地反映冲击荷载作用下F-T/T-S循环后红砂岩的动态强度和变形特性。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律.结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数...     

正常固结非饱和黏性土的三剪边界面模型研究

将三剪统一强度准则分别与非饱和土的单应力变量理论和双应力变量理论相结合提出了正常固结非饱和黏性土的三剪强度准则,在此基础上采用等量代换法与坐标平移法分别推导出可以反映土体全应力状态效应的三剪破坏应力比。将该三剪破坏应力比引入非饱和黏性土修正剑桥模型的屈服面方程以确定初始边界面,采用径向映射法则确定后续边界面,根据插值函数得到加载面上的塑性模量,据之建立了非饱和黏性土单应力变量和双应力变量下分别采用等量代换法和坐标平移法的4个三剪弹塑性边界面模型并对这4个模型做了单调和循环压缩荷载试验验证。结果表明,所建模型均能较好地反映土的变形特征,但相比之下,双应力变量下建立的模型相对单应力变量下建立的模型更接近试验结果,采用等量代换法建立的模型相对坐标平移法更接近试验结果的特点。真三轴数值模拟结果表明,单调加载时,相同应力条件下中主应力影响系数增大会引起非饱和土强度增大;循环加载时,最小主应力或中间主应力的增大均会引起土体抗剪强度的增大,且荷载振幅越大,非饱和土的轴向应变随之增大。比较4个边界面模型在真三轴应力状态的模拟结果表明,单调加载时,非饱和黏性土在双应力变量下的模拟抗剪强度值相对较大;循环加载时,单应力变量下所得塑性变形相对较大。     

考虑温度影响的饱和软黏土应变软化研究

循环荷载作用下饱和软黏土将产生应变软化现象,通过对宁波饱和软黏土开展温控动三轴试验,研究了温度、频率、初始偏应力、动应力和含水率对土体应变软化的影响,并在试验基础上建立了一个能够考虑温度影响的应变软化模型。结果表明:随着振动次数、初始偏应力、动应力和含水率的增加,土体软化加快,软化指数逐渐减小;随着频率和温度的提高,土体软化程度降低,软化指数增大;建立的软化模型可以较为合理地描述试验温度、频率、初始偏应力、动应力和含水率对土体应变软化特性的影响。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律。结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数的增加,岩石经历了孔隙闭合-裂隙开展-应力硬化-应变软化直至破坏的阶段,其变形模量和峰值应变呈现出先减小,再增大,再减小的趋势,峰值应力与速度呈正相关的关系。随着循环次数的递增,孔隙率大的岩石的峰值应力下降趋势大于孔隙率小的岩石,并且损伤累积使岩石在冲击破坏前表现出了较明显的塑性特征,不同孔隙率红砂岩的损伤度变化趋势基本是先增大后减小,孔隙率大的岩石累计损伤度大于孔隙率小的岩石,其损伤裂纹基本都是从透射杆端部开始,随着裂纹的产生扩展直至破坏。     

加载制度对新型型钢混凝土柱的抗震性能影响

采用有限元软件对新型型钢混凝土(SRC)柱抗震性能进行了数值模拟, 通过与试验结果的对比, 验证了模型的正确性。通过大量的数值模拟, 研究了加载路径、循环次数、位移幅值增量及变轴力对新型型钢混凝土柱抗震性能的影响。由于柱内存在双轴耦合作用, 双轴往复荷载作用下较单轴往复荷载作用下柱的抗震性能明显降低, 表明加载路径对柱的抗震性能影响显著;屈服荷载前循环次数对柱骨架曲线的影响很小, 屈服荷载后影响显著, 循环次数越多其峰值荷载及其对应的位移和位移延性越小, 但其耗能越大;双轴往复荷载作用下位移幅值增量对柱抗震性能的影响较单轴往复荷载作用下的显著, 屈服位移、屈服荷载、位移延性系数随位移幅值增量的增大而增大, 但其耗能减小;在变轴力作用下柱表现出明显的不对称性, 且其抗震性能明显较定轴力作用下更为 不利。     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。