地铁列车荷载下冻融土刚度软化试验研究

冻结法在地铁联络通道和进出洞施工中被广泛应用,但冻融作用会对土体刚度产生影响,列车运营期循环荷载作用下,会对地铁运营安全造成隐患。基于动三轴试验,模拟地铁循环荷载作用下冻融土的动应力,得到地铁列车荷载作用下土体刚度软化曲线,并建立刚度软化数学模型。研究结果表明:冻融土体在循环荷载作用下的刚度软化可以用分段函数描述,在循环加载初期,刚度G与循环次数N之间存在半对数关系,当lnN达到8.25~9.5时软化曲线出现拐点,此后继续加载循环应力土体刚度不再有明显的下降;随着冻结温度的降低,循环加载前的初始刚度G_1以及循环后的残余刚度G_w均有所减小,刚度损失比w逐渐增加;同时,冻融还对刚度软化具有明显的加速作用;土体固结对整体刚度有加强效应,提高冻融土体固结度能够使土体刚度显著增大,刚度损失比w有所减小,并降低了土体软化速度。研究结果可为控制地铁冻结法施工区域的工后沉降、保证地铁安全运行提供有益指导。     

冻压条件下冻融软土孔隙特征与动力特性分析EI北大核心CSCD

杭州软土地区地铁联络通道建设多采用冻结法施工,在整个冻结范围内,不同区域的土体冻融期间承受不同冻结温度与冻融压力。通过自主研发土样制作仪器,得到不同组合冻结条件的试样,再基于核磁共振试验,研究冻融土在不同冻结压力、冻结温度以及加载情况下精确孔径分布特征曲线变化规律,并结合动三轴试验深入探究以孔压、应变以及刚度为代表的动力特性。最终,建立以一次对数为基础的动孔压预测模型,该模型参数物理意义清晰,能较好地预测不同冻融条件下软土动孔压发展。研究结果表明:随着冻结温度的降低,孔隙中的水冻胀效果更为明显;冻融期间围压可有效使融土骨架结构更为紧密,从而减少融土在循环荷载下的变形;循环荷载作用下,小孔隙尺寸大幅度减小,尺寸分布范围增大,中等孔隙进一步向次级孔隙发展;不同冻融压力作用下,孔压极限值与冻融完成后中等孔隙的面积呈类线性相关。研究成果可作为冻结法施工条件下,预测冻融土结构损伤程度与循环荷载下孔压发展的可靠依据。     

基于阻尼的地震循环荷载作用下黏土非线性模型

提出一种基于阻尼比的黏土动应力应变模型,通过在滞回曲线中显示地引入代表阻尼比大小的形状系数,使得理论滞回曲线真实地反应土体的滞回阻尼性能。首先推导在等幅对称荷载下滞回曲线的理论方程。然后,为将该模型应用于随机地震荷载的情况,对扩展的曼辛不规则加卸载准则进行了改造,提出当沿小圈加载时,滞回曲线奔向曾经到达过的最大加卸载点。最后,介绍对一种粉质黏土进行的等幅循环荷载和不规则荷载作用下的循环单剪试验。试验结果表明,模型能够较好地模拟土在地震循环荷载作用下的滞回特性。     

考虑阻尼修正的Pyke滞回模型研究

阻尼比反映了土体滞回耗能的特性,是土的重要动力特性参数。土的滞回本构模型能同时真实反映土的动剪模量衰减和阻尼比非线性变化特性,是保证场地及土–结构体系动力响应分析精确度的关键。针对经典的Pyke滞回本构模型,基于文献实测的动剪模量曲线和阻尼比曲线,研究了其对土体阻尼比的预测精确度,发现Pyke模型在大应变幅值时将显著高估土的阻尼比。针对此缺陷,结合前人提出的基于阻尼的滞回曲线方程和Pyke模型加卸载准则,提出了考虑阻尼修正的D-Pyke滞回模型。该模型假设双曲线形滞回曲线的饱满程度由形状系数确定,而后者则由当前加载曲线的滞回应变幅值所对应的实测阻尼比确定。滞回曲线的应变幅值与应力幅值之间通过骨架曲线相互关联,而应力幅值则由Pyke所建议的加卸载准则确定。通过针对粉质黏土的循环单剪试验结果,验证了D-Pyke模型相比于Pyke模型能够更为合理地同时模拟土的非线性动剪模量和阻尼比特性。模型同时继承了Pyke模型能更好地模拟土的循环加载棘轮效应、加卸载准则简单的优点,可为随机动力荷载作用下土体响应问题分析提供合理的本构行为模拟。     

循环荷载下冻结兰州黄土变形性质的实验研究

对温度为-1 ℃的冻结兰州黄土在围压为0.6 MPa和不同动荷载振动频率条件下进行动三轴试验,试验采用分级加载,每一级荷载振动十次,加载波形为正弦波。实验结果表明:冻结兰州黄土的累积应变在整个加载过程中逐渐增大;当动荷载加载级数增加时,累积应变率逐渐变大。动应变幅随加载频率和振次的增加而减小;当频率小于或等于1 Hz时,动应变幅随加载级数的增加而增大;当频率大于1 Hz时,动应变幅随加载级数变化不大。随着加载级数的增加,滞回曲线的面积和密集程度越来越小,整体斜率和不闭合程度越来越大。用动模量来描述滞回曲线的整体倾斜程度。当频率小于或等于7 Hz时,动模量随加载级数的增加而增大;当频率大于7 Hz时,动模量随加载级数没有明显的规律。     

超固结珠江海洋土循环荷载下动力特性分析

通过DDS-70动三轴实验仪器,对珠江口海洋土进行一系列不排水分级循环加载实验。重点分析了不同超固结比的海洋土在不同频率下的动弹性模量、阻尼比、骨干曲线和残余应变的变化规律。实验结果表明,不排水条件下,随着频率和超固结比的增大,动弹性模量增大,变形程度减小,阻尼比减小,残余应变减小。但整体来看,超固结比对阻尼比影响不大。     

循环荷载作用下煤变形及渗透特性的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试件为研究对象,进行不同温度条件下循环荷载试验,研究循环荷载作用下煤变形及渗透特性。研究结果表明:(1)随温度的升高,煤循环形成的滞回曲线所围成的面积逐渐减小。在单个循环曲线中,加、卸载阶段的主应力差、渗透率与轴向应变曲线呈现"X"状;在同一循环周期下,轴向应变与渗透率随温度的升高逐渐减小;在同一温度下,轴向变形随循环次数的增加逐渐增大。(2)随温度的升高,加载阶段曲线斜率逐渐增加,累计变形总量降低,即提高了不可逆过程的发展速率。(3)在各温度条件下,加载阶段应变及渗透率在整个循环过程中的变化均不明显。卸载阶段应变及渗透率在第1次循环期间变化较大,但从第2次循环开始,应变随循环次数的增加趋于平缓。在相同循环次数下,体积应变随温度的升高逐渐增大,渗透率逐渐减小。     

地铁循环荷载下冻融软土孔压发展及微观结构研究

近年人工冻结法在地铁联络通道施工中得到广泛应用,土体经过冻融后工程性质将发生改变。通过室内不排水动三轴试验模拟冻结法施工后冻融土在地铁列车荷载作用下的动力特性,针对重塑黏土开展冻结温度和冻融周期影响下的动孔压测试试验,并首次提出了考虑冻结温度和冻融周期的孔压发展模型。结合扫描电子显微镜(SEM)试验,对软土冻融后及循环加载后微观结构的变化进行分析,从微观角度揭示冻融软土宏观特性的变化机制。试验结果表明:冻结温度越低,在循环荷载作用下孔压发展速率越快,稳定孔压也越大;随着冻融循环次数的增加,软土结构弱化效应越明显,将会加剧孔压发展;对比软土冻融前后的微观结构可以看出,冻融循环过程将破坏土颗粒之间的联结作用,导致颗粒骨架重新排布,微小孔隙联结成为较大孔隙,结构性发生弱化效应,处于非稳定状态;在循环加载过程中,外部传递的能量使内部结构向稳定状态发展,大孔隙体积逐渐减少,发生较为显著的挤密作用,微观结构的变化在宏观表现为超孔压的累积和变形的发展。并基于试验数据,采用复合指数函数对孔压发展曲线进行非线性多元拟合,建立循环孔压累积经验模型,结果表明,拟合效果较好。     

长期循环荷载作用下温州结构性软黏土的应变特性研究

针对软黏土存在的结构性特征,在不同围压下对天然温州软黏土进行了不排水静剪和大数目（50000次）循环加载试验,研究了结构性对土体强度的影响,并进一步分析了结构性软黏土在长期循环荷载作用下的应变特性。研究表明：围压较低时,土体的结构性在固结过程中没有或很少被破坏,软黏土表现为较高的归一化强度;随着围压的增大,归一化强度逐渐降低;当围压高于土体屈服压力时,土体结构性在固结过程中被完全破坏,此时土体的归一化强度达到稳定值,与重塑土强度相同。这种特性使得软黏土在循环加载试验中,即使在相同动应力比（mtml_13-0310_bak/img_0.png26.013.95= 0.45）下,不同围压下的应变行为也表现出明显的不同。这种区别表现在应力-应变滞回曲线、回弹特性和累积塑性应变等方面。     

循环荷载作用下煤变形及渗透特性的试验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试件为研究对象,进行不同温度条件下循环荷载试验,研究循环荷载作用下煤变形及渗透特性。研究结果表明：(1) 随温度的升高,煤循环形成的滞回曲线所围成的面积逐渐减小。在单个循环曲线中,加、卸载阶段的主应力差、渗透率与轴向应变曲线呈现“X”状;在同一循环周期下,轴向应变与渗透率随温度的升高逐渐减小;在同一温度下,轴向变形随循环次数的增加逐渐增大。(2) 随温度的升高,加载阶段曲线斜率逐渐增加,累计变形总量降低,即提高了不可逆过程的发展速率。(3) 在各温度条件下,加载阶段应变及渗透率在整个循环过程中的变化均不明显。卸载阶段应变及渗透率在第1次循环期间变化较大,但从第2次循环开始,应变随循环次数的增加趋于平缓。在相同循环次数下,体积应变随温度的升高逐渐增大,渗透率逐渐减小。     

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。     

考虑温度影响的饱和软黏土累积变形特性研究

通过开展饱和软黏土温控动三轴试验,研究了不同温度作用下土的不排水累积变形、孔压、阻尼比及动弹性模量变化规律,建立了考虑温度、初始静偏应力、围压、超固结比等影响的应变模型,并获得了模型参数与温度的关系。结果表明:温度对土的累积塑性变形、孔压、阻尼比及动弹性模量有较大影响,土体的累积塑性应变、孔压、阻尼比均随着温度升高而减小,动弹性模量则随着温度升高而增大,土体表现出热硬化特征;在不同温度作用下,考虑温度影响的应变模型计算结果与试验结果较为吻合,验证了模型的合理性,可用于预测同一试验工况下任意温度时土的累积塑性应变结果。     

分级等荷循环受压下橡胶水泥砂浆的疲劳损伤演化

为探究橡胶水泥基材料的疲劳及损伤演化特性,以橡胶水泥砂浆为研究对象,对其分别进行10、20、30 kN荷载等级下的10次(低次/限次)等荷循环加-卸载试验,并对试件产生的加载应变、加载应变差、累积残余应变、累积残余应变差、不闭合度、累积残余应变损伤(塑性损伤),以及加载和卸载变形模量进行分析.结果 表明:试件的加载应变和累积残余应变均随着循环荷载等级的增大而增大;试件的加载应变差和累积残余应变差随着循环次数的增加以互相交错波动的形式逐渐减小至0附近;随着循环次数的增加,试件的不闭合度减小,塑性损伤增大,且两者均随循环荷载等级增大而增大;试件的加载和卸载变形模量随着循环次数的增加以分段线性波动的形式增大,也随着循环荷载等级的增大而增大.同时建立了基于临界塑性损伤假定条件下的塑性损伤模型和刚度变化模型,对试件在高次/不限次等荷循环加-卸载过程中的疲劳塑性损伤和刚度演化特征进行了初步预测和表征.     

冻融循环后高温冻结粉土在循环荷载下的动力特性试验研究

对经过10次冻融循环的青藏人工冻结粉土试样在-1℃恒温状态下进行了3Hz和5Hz两种加载频率、不同动应力幅值的单轴循环动荷载压缩试验。试验结果表明:冻融循环后高温冻结粉土的累积应变随着振动次数的增加呈增长的趋势,在相同的振次时,动荷载应力幅值越大,累积应变越大;频率越高,临界动应力越小;初始阶段应变速率随时间的增大而减小,但随着振动时间的增加,破坏型曲线的应变速率达到一个最小值后开始增大,稳定型曲线的应变速率则在一定幅度的范围内波动;在振动时间相同时,动应力幅值越大、动荷载振动频率越高,应变速率越大;动应力幅值越大,破坏应变越大,破坏时间越短;同一动应力幅值下,频率越高,破坏时间越短。     

风化砂改良膨胀土的滞回曲线特征对比研究

滞回曲线是构建土体动本构模型的核心,通过GDS动三轴试验,研究不同围压、加载频率、动应力幅值下风化砂改良土体滞回曲线变化规律。采用滞回圈形态特征:长轴斜率k,包围的面积S、滞回圈短轴与长轴之比α以及残余应变ε_p对土体滞回曲线进行定量描述,研究结果表明:膨胀土滞回曲线呈狭长斜椭圆形,k随动应变的增长而减小,随围压、频率的增大而增大,低频加载对k值影响较小;S及ε_p在动应变发展前期增长较小,后期呈指数增长,并随围压和频率的增加而减小。围压对S,ε_p影响主要位于ε_d≥0.1%,频率对S,ε_p的影响分别位于ε_d≥0.1%和ε_d≥0.2%;α变化趋势随动应变存在一明显的分界点,表现为先减小后增大,α值随围压、频率的增大而减小;与未改良土体相比,经风化砂改良后的土体k值减小,S,α和ε_p增大;在减小土体膨胀性的同时降低了刚度,可以发挥作为路基减震隔振优势。     

超大次循环荷载下超固结黏土的长期不排水力学特性研究

风、波浪等荷载具有超大循环次数的特征,极大影响黏土的长期不排水动力特性,是黏土地基基础设计的关键问题之一。针对现有动力试验荷载循环次数不足的现状,以超固结度为4的重塑土试样为研究对象,开展了一系列不排水三轴动力试验,研究了在超大次(比如超过10~6次)循环加载情况下黏土的相关特性。试验结果表明,在对称循环加载作用下,饱和黏土存在循环应力比门槛值为0.44~0.48。在循环加载初期,试样的轴应变及孔压的变化与前人对黏土动力试验研究结果一致。然而,随着循环加载次数的增加,动轴向应变减小,累积轴向应变增加;尤其是加载过程中由正孔压降低到负孔压。针对这一新的发现,增加了一个超固结土的蠕变试验结果进行了分析解释,为研究超大次循环荷载下超固结黏土的长期不排水力学特性的机理提供了新的思路。     

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。     

典型海相软土动强度-应变特性试验研究

以舟山原状海相软土为研究对象,分析循环荷载作用下舟山海相软土动应力、动应变和动孔压随循环荷载次数变化规律以及动强度和动变形特性。试验结果表明:舟山海相软土的动强度随动荷载循环次数的增加而降低;土体动强度指标根据施加动荷载的大小和循环次数而定;应力-应变关系曲线表现为不完全封闭的滞回圈;循环加载下拉、压应变的量级受动应力幅值的影响,土体最后表现为受压破坏;双幅应变随循环次数变化趋势同累计塑性应变发展趋势相同,采用修正的Monismith模型拟合取得比较好的效果。     

循环加卸载下塑性混凝土强度及变形特性

通过塑性混凝土在单调和循环加卸载下的试验,对不同加卸载作用下塑性混凝土的强度和变形性能进行研究。结果表明,经过循环加载后塑性混凝土的强度与单调直接加载相比有所降低,变化幅度均在10%以内;当循环加卸载最大荷载为单轴强度的60%时,塑性混凝土峰值应力大于其余循环水平下的峰值应力。塑性混凝土在循环荷载作用下的加载曲线与卸载曲线不重合,卸载曲线总是滞后于加载曲线,加载曲线和卸载曲线形成了封闭的塑性滞回环。滞回环面积的大小与循环加载最大荷载密切相关,与循环加卸载的次数无关,随着循环加卸载最大荷载的增大,滞回环面积相应增大,但滞回环的斜率保持不变,即变形模量保持不变。循环加卸载影响了塑性混凝土峰值应变,单调直接加载峰值应变大于循环加卸载作用后峰值应变。     

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。