人工冻结粉质黏土强度特性试验研究

基于人工地层冻结法在地铁工程中的应用,以粉质黏土为研究对象,通过冻土三轴剪切试验,研究了不同负温、围压和含水量条件下粉质黏土的力学性能。研究结果表明:含水量、温度和围压对冻结粉质黏土试样三轴剪切的破坏模式、强度增长趋势等应力应变关系特征影响显著。以塑限含水量为界,三轴剪切强度随温度降低、围压增大的变化趋势存在明显的差异性,温度和围压的作用因含水量的高低发生变化。在人工地层冻结过程中,应综合考虑地层埋深、含水量等因素,设定合理的冷冻温度和时间,以保证冻结壁达到设计强度。     

不同小主应力和负温条件下冻结粉质黏土平面应变试验研究

针对冻结法施工中的平面应变问题,利用改进的安徽理工大学冻土真三轴仪进行平面应变试验,分析冻结粉质黏土在不同小主应力和负温条件下的强度和变形特性,建立基于Weibull分布和Drucker-Prager强度准则的冻结粉质黏土损伤本构模型。理论和试验结果表明：同一温度下,不同小主应力下的应力–应变曲线呈现不同程度的硬化特征。破坏强度随小主应力的增加表现出先增后减的规律,随温度的降低呈线性增长的趋势。建立的非线性莫尔–库仑强度准则可以近似描述冻结粉质黏土的强度随小主应力增大而呈现出的非线性变化特征。不同试验条件下小主应力方向的应变均为膨胀变形,体应变均呈现剪缩的特性。随着小主应力的增大,试样的变形模量呈现先增后减的趋势;当小主应力相同时,其值随温度的降低而增大。当温度相同时,破坏时的中主应力随小主应力的增大同样表现出先增后减的趋势。建立的损伤本构模型可以较好地反映复杂应力路径下小主应力和温度对冻结粉质黏土强度和变形特性的影响。     

基于振动台试验的粉质黏土隧道抗震计算方法修正

地下结构的地震响应特性对地层特性具有较强敏感性。基于振动台模型试验,提出了一种粉质黏土隧道的结构动力时程计算方法,并计算确定了适合粉质黏土中隧道结构抗震计算的反应位移法。研究结果表明：采用经验公式计算的弯矩更接近动力时程的计算结果,而有限元计算的隧道结构的轴力更接近动力时程计算结果。同时,建议在粉质黏土隧道结构抗震计算过程中,将隧道埋深范围内土层相对位移简化为线性变化,并乘以系数0.7;地基弹簧刚度乘以系数1.1。研究结论可为粉质黏土隧道抗减震设计提供参考。     

济南市地铁车站模型振动台试验研究

以济南市轨道交通R1线济南西站为工程背景,采用振动台试验研究土体自由场、三层三跨车站结构土体-结构体系在典型地震波下的动力特性。试验结果表明:在自由场试验中,随着输入地震波峰值的逐渐增大,土体一阶自振频率逐渐降低,阻尼比逐渐增大,相同位置的加速度放大系数逐渐减小;在土体-结构体系试验中,由于地下结构的存在,地震波在传播过程中放大效应与自由场存在差异,且不同类型的输入波产生不同的加速度放大系数变化规律。     

地铁循环荷载下隧道下卧土体动力特性研究

随着我国城市地铁交通建设和运营里程的持续增加,列车荷载作用下隧道下卧土体的动力稳定问题备受关注。以粉质黏土地层中单线圆形地铁隧道为工程背景,采用室内模型试验和数值计算方法,分析了地铁循环荷载作用下隧道下卧土体中加速度峰值、沉降变形等的变化规律。结果表明,相较于循环荷载幅值,隧道下卧土体中加速度峰值衰减特性受循环荷载频率影响更为明显。单线圆形隧道周围约2倍直径范围为循环荷载作用影响区域,其中以0.5倍直径范围内影响最为显著。单线圆形隧道下卧土体的动力响应还受隧道埋深、隧道直径等因素影响,隧道埋深越深,隧道直径越大,下卧土体动力响应值越小,对隧道的安全有利。     

拱形立体桁架结构振动台试验研究

为研究拱形立体桁架结构在强震作用下的破坏模式,以一实际工程为背景,对拱形立体桁架结构进行缩尺比例为1/15的振动台试验。对模型相似比的选取、模型设计以及加载方案、测点布置等进行说明,得到各级人工波作用下,模型自振频率、阻尼比、加速度反应、位移反应以及杆件应变,研究模型自振特性的变化规律,获得拱形立体桁架结构在强震作用下的破坏模式。研究表明,随地震波峰值加速度的增大,结构各向自振频率和等效刚度降低,结构阻尼比增大。地震波向模型顶部传播过程中,加速度和位移响应随结构高度逐渐放大。当输入峰值加速度达到0.8 g时,结构刚度迅速下降,主桁架斜腹杆大量屈曲;当输入峰值加速度达到1.0 g时,结构刚度下降50%,发生平面内反对称变形。     

不同隧道埋深对地层变形的影响研究

以哈尔滨地铁某区间隧道为工程背景,采用Midas-NX建立三维有限元模型,研究不同隧道埋深对地层变形的影响。指出随着隧道埋深的增大,双隧道开挖引起的土层变形也随之增大,主要是由于双隧道开挖将引起更大面积的土体扰动,难以形成上覆土拱效应。上覆土压力随隧道埋深的增加而增大,进而造成地表沉降的增大。     

花岗岩地层地铁隧道爆破施工地表振动效应随埋深变化规律研究

以正在建设中的青岛地铁一期工程M3号线为背景,采用现场测试和数值模拟分析相结合的方法系统研究了地铁隧道爆破地表振动效应随埋深的变化规律。结果表明:花岗岩地层地铁隧道爆破施工存在满足安全经济综合最优要求的合理埋深范围;爆源正上方地表质点峰值振速在隧道埋深12 m以前随隧道埋深增加急剧衰减,埋深达18 m以后随埋深增加振速变化不显著;爆破振动空洞效应随隧道埋深增加空洞效应逐渐降低;爆破振动效应随爆破掏槽药量增大而增大,增加相同药量,埋深越大,增幅越小;随隧道断面尺寸增加而减小,增加相同断面,埋深越大,减幅越小。     

管桩高应变试验条件下桩周粉质黏土动三轴试验研究

为了研究管桩在高应变试验过程中桩周土的动力学响应,选取桩周典型土质粉质黏土作为研究对象。模拟在锤击作用下,通过动三轴试验研究不同振动次数、振动频率对不同埋深条件下粉质黏土的动剪应力、阻尼比和动模量的影响。结果表明:动剪应力随着振动次数的增加而逐渐减小,频率较高时动剪应力相应的增加,同时围压的大小对土体强度影响较大;围压在100～400 kPa范围内,粉质黏土的阻尼比ld由0.251逐渐变小为0.082,且阻尼比与围压满足线性关系,即ld=5.628×10~(-4)s~3+0.295;随围压增加动模量均有明显增加,且频率较高动模量越大。试验结果中阻尼系数取值、动剪应力和动模量对实际工程预应力管桩高应变测试中参数的选择具有指导作用和应用价值。     

地铁车站结构邻近土体动应力振动台试验研究

研究地铁车站在地震中的响应对于地铁建设和安全运营非常重要。针对北京地区的地质条件和典型的地铁车站结构进行了大型振动台试验,对动土应力时程进行了分析,得出如下结论:埋深小于结构顶板和埋深大于结构底板的土中动土应力不随输入波强度与埋深变化而变化;在输入波强度低时,侧墙上各点的动土压力相等;在输入波强度高时,侧墙上各点的动土压力随输入波强度的增高而逐渐增大,且动土压力变化幅值随埋深增加而不断增加。通过以上分析,说明在地震强度小时,地下结构对土的水平向动应力影响很小,在地震强度大时,因地下结构的修建进行的开挖削弱了土体,其对土的水平向动应力影响变大。作者还对对结构底板的水平向动切应力进行了拟合,发现:底板的动切应力呈梯形分布,中点处最大,两个端点处最小;底板各点的动切应力随地震波强度的增加呈指数函数增加。为应用方便将底板中点的动切应力与地震波加速度峰值之间的关系简化为:当地震波峰值加速度不大于0.4 g时,峰值切应力为常数;当地震波峰值加速度大于0.4 g时,峰值切应力为直线分布。     

穿斗式木结构民居模拟地震振动台试验研究

为研究穿斗式木结构民居的抗震性能,以位于川西抗震设防烈度7度区的典型2层穿斗式民居为原型,对一个缩尺比例为1∶2的穿斗式木结构模型进行了模拟地震振动台试验。试验中选取汶川波、兰州波、Taft波和El Centro波作为地震动输入,实测了结构在地震作用下的自振频率、阻尼比、刚度、加速度反应、位移反应、剪力分布和应变的变化规律。试验结果表明：随着地震峰值加速度的增加,模型结构的自振频率和刚度下降,阻尼比增大,各层加速度放大系数介于0.286~1.383之间;浮搁于混凝土板上的柱脚的滑移在一定程度上衰减了传入上部结构的地震作用,第2层檐柱顶高度处的榫卯节点在振动过程中耗能作用明显;当输入峰值加速度为0.22g和0.40g时,模型晃动剧烈,最大层间位移角分别为1/65和1/35;当输入峰值加速度增至0.50g时,模型依然没有倒塌,表明穿斗式木结构具有良好的整体变形能力和抗倒塌能力。     

传统民居穿斗式木构架抗震性能振动台试验研究

为研究西南地区木结构传统民居的抗震性能,对一个位于7度抗震设防烈度地区的两层、两跨穿斗式木构架进行模拟地震振动台试验。试验中选用3条天然波和1条人工波作为输入地震波,对模型结构的动力特性、加速度响应、位移响应、地震剪力及耗能能力进行分析。研究结果表明：随着输入加速度峰值的增加,模型结构自振频率减小,阻尼比增大。在加速度峰值为022g的地震作用后,模型结构X向和Y向的一阶自振频率分别降低了1069%和1997%,相应阻尼比分别增大到1606%和1747%。结构各层加速度放大系数随着加速度峰值的增加而降低,檐柱顶处的加速度放大系数在整个结构中最小,说明檐柱顶处榫卯节点在振动过程中减震作用明显。在加速度峰值为022g的地震作用下,结构最大层间位移角为1/53,此时未见模型有显著破坏,表明模型木构架具有良好的整体变形能力和抗倒塌能力。整个试验过程中,一层柱架耗能作用最大,柱脚耗能作用最小。     

黏质黄土地层高铁隧道变形控制基准研究

黄土隧道具有埋深浅、开挖时变形量大、稳定性差的问题,下穿既有建构筑物时,给地表建构筑物的安全带来巨大的影响,需保证开挖过程中变形在规范规定的范围内。针对黏质黄土地层高铁隧道开挖过程中的拱顶及地表变形规律进行分析,结合现场实测数据的分析,得出黏质黄土地层中隧道的沉降量与埋深及开挖方法有直接关系,相同的埋深下地表沉降与拱顶沉降有着显著的线性关系,其比值与施工方法的相关性不大。进一步得出了基于地表沉降控制要求的黏质黄土地层高铁隧道施工变形控制基准：S_v=[δ]/i_H,可供类似工程进行变形控制提供依据。     

浅埋隧道施工对上覆地层变形影响的试验研究

以浅埋隧道近接施工引起上覆地层的变形为研究对象,引入透明土试验技术和粒子图像测速技术(简称PIV技术),设计开展了隧道开挖对地层变形影像的透明土模型实验,并且考虑了隧道分部开挖过程中地层变形的动态变化情况。采用量纲分析法推导出模型试验的相似准则,并基于该相似准则设计了隧道开挖模拟试验模型箱,对不同隧道埋深工况进行了隧道开挖模拟,得到了竖直平面内地层沉降分布结果。研究结果表明,基于透明土材料和PIV技术可以有效地开展浅埋隧道开挖模拟试验研究,上覆地层沉降的演变过程与隧道掌子面推进时的相对位置具有密切关系。     

冻结粉质黏土声学特性与物理力学性质试验研究

 为分析冻结粉质黏土的声波参数与其物理力学性质之间的关系,进行了冻结粉质黏土的超声波测试,同时测定了其在不同温度下的抗拉、抗压强度。基于试验分析了温度、含水率和干密度等对冻土波速的影响以及波速与强度的关系。结果表明：土样在－1 ℃到－7 ℃的温度范围内,波速变化尤为剧烈;存在一个临界含水率16.03%,使波速随含水率的增加呈先增加后减少的趋势;在含水率相同的情况下,波速随干密度的增加呈线性增加;通过波速计算得到冻结粉质黏土的三个动弹性力学参数,并分析这些参数随温度的变化趋势;冻土声波波速与强度呈现出良好的相关性,冻土的强度越大,声波波速越高。因此,可利用声波测试技术对冻土进行无损检测,为冻土强度的预测奠定基础。     

地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软黏土分形研究

以上海地铁2号线静安寺站-江苏路站区间隧道周围饱和软黏土为研究对象,在现场监测和室内GDS(多功能循环三轴试验系统)试验的基础上,利用压汞仪微观试验研究方法,对隧道周围饱和软黏土微结构进行定量研究。研究结果表明,孔隙分形维数在隧道不同深度处的变化规律可以用不同的循环应力比CSR来体现。随着深度的增加,循环应力比CSR也随之增大,分形维数随着循环应力比CSR的增加先是下降然后又逐渐上升。研究成果为软土地区饱和软黏土中地铁隧道轴线变形和隧道经过区域地面沉降作了有价值的探索,也为探讨地铁行车荷载作用下饱和软黏土的破坏机制、造成地铁隧道轴线变形与地面沉降研究提供一定的理论支持。     

铁路振动及其在岩溶塌陷中的致塌力研究

针对铁路沿线列车振动造成的危害，对这种振动在铁路旁土层中产生的振波进行了实测及研究。通过实测，对这种振波的过程曲线特征进行了描述和分析，指出这种振波的振动频率，幅度范围及振动过程中的脉冲特征：并对振波在硬塑土层中的衰减特征，衰减系数等进行了论述。通过标定，研究了振波在土层中产生的周期性应力的大小及范围，对其在岩溶塌陷中的危害程度进行了论述。应用数值模拟的方法，对所研究的结论进行了验证。     

上部建筑物对隧道结构地震响应的影响研究

采用有限元软件ABAQUS,基于一致黏弹性人工边界和波动输入,建立上部建筑物-土-隧道相互作用二维平面应变模型,利用等效线性化模拟土体非线性,输入不同频谱特性的三条地震动,研究了上部建筑物的刚度、层数(高度)、与隧道间距和隧道埋深等因素对隧道地震响应的影响。分析结果表明,上部建筑物的存在对隧道地震响应的影响不可忽视,影响程度可达到30%左右。上部建筑物与隧道的间距、层数(高度)、刚度不同,对隧道地震响应的影响程度也会发生变化。其中间距和层数(高度)影响较大,间距越大,影响越小,当间距与建筑物宽度的比值超过2之后,建筑物的存在对隧道的影响可忽略;建筑物的层数越多、高度越高,对隧道的影响越大,18层时使隧道最大主应力峰值和相对变形的增加较6层时增大了20%~30%。建筑物的刚度对隧道响应的影响较小。在对隧道进行抗震设计时,应考虑上部建筑物可能对其造成的不利影响。     

EPS颗粒-黄土混合土减震层对黄土地区隧道衬砌结构的减震作用

为了分析聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）颗粒-黄土混合土减震层在不同条件下对隧道衬砌结构减震效果的影响,采用通用有限元软件ANSYS建立了在隧道支护体系内设置减震层的数值模型,分析了EPS颗粒掺入比、减震层厚度及地震动强度对隧道衬砌结构动力响应规律的影响。结果表明:设置减震层可以减小传递至隧道衬砌结构的地震能量,从而使得隧道衬砌结构各关键点正应力、剪应力、最大主应力、位移及加速度峰值均有所减小,且一定范围内随着EPS颗粒掺入比的增大,减震效果逐渐明显;减震层的厚度控制在30～50 cm区间内时减震效果最佳;减震层在强震作用下的减震效果更好,该混合土减震层更适合高烈度地震区的抗减震;所得结论可为今后在土体环境尤其是黄土地区开挖的隧道衬砌结构抗减震工程建设提供一定参考。