分级循环荷载作用下冻土动应变幅值的试验研究

通过低温动三轴试验,采用分级加载方式逐级施加动荷载,对不同加载频率、围压和负温条件下青藏冻结黏土和兰州黄土的动应变幅值变化特征进行了试验研究。结果表明,同一级荷载作用下,动应变幅值随振次的增加基本不变,可以采用平均值来反映各级加载下的动应变幅值;不同加载频率、围压和温度条件下,动应变幅值随动应力幅值的变化规律相同,即随着动应力幅值的增加,动应变幅值逐渐增大;动应变幅值随加载频率的增加而减小,但减小的速率逐渐降低,动应变幅值最终趋于一稳定值,对于青藏黏土和兰州黄土,该稳定值均随加载级数的增加而增加;随着围压的增加,青藏黏土的动应变幅值变化不大,而兰州黄土的动应变幅值呈逐渐减小的趋势;动应变幅值随温度的降低而减小。动应力幅值对动应变幅值的影响最大,动荷载振动频率的影响次之,温度的影响第三,围压的影响最小。     

由滞回曲线的形态特征分析冻结黏土的动力特性

利用滞回曲线研究冻结黏土的动力学特性。结果表明,当土体温度为-0.5 ℃～-4 ℃、荷载频率为1～10 Hz时,随温度的降低和动荷载振动频率的增加,冻结黏土的刚度逐渐增大,黏滞性、细观损伤程度、塑性变形和能量耗散能力逐渐减小,当土中温度低于-4 ℃或荷载频率高于10 Hz时,土的动力特性变化不明显;随动应力幅值的增大,刚度逐渐减小,黏滞性、细观损伤程度、塑性变形和能量耗散能力逐渐增大;相同动应力幅值下,刚度、黏滞性、细观损伤程度、塑性变形和能量耗散能力受温度影响最大,围压影响最小,频率影响居中;试验温度、频率和围压三因素对冻结黏土的细观损伤程度和塑性变形能力影响程度最大,对黏滞性和耗能能力的影响程度基本相同,位于第二,对刚度的影响程度最小。     

分级循环荷载下原状红黏土动力特性试验研究

为研究循环荷载下原状红黏土路基的动力特性,采用SDT-20型动三轴仪对原状红黏土进行了分级循环动三轴试验,研究了围压、频率及动应力幅值对原状红黏土的动应力、动弹性模量-动应变（ E_d-ε_d）和动剪切模量-动剪切应变（ G_d-γ_d）关系曲线的影响规律。结果表明:原状红黏土的动应力-动应变关系曲线发展规律可采用Kondner模型进行描述;动应力随动应变先急剧增大后趋于平稳,并给出了急剧增加时动应变的取值范围,即0%～0.05%;分析了不同围压、振动频率下红黏土的动弹性模量及动剪切模量的变化规律,当动应变小于临界值时,红黏土动弹性模量随动应变的增大而增大;当动应变大于临界值时,红黏土材料动弹性模量随动应变的增大而减小,动剪切模量具有相同变化规律;结合红黏土的动力特性变化规律,利用围压对动弹性模量进行折减,在Darendeli模型的基础上建立了红黏土路基动弹性模量、动剪切模量的分段预测模型,经拟合验证,本文分段模型的适用性较好,可预测分级循环荷载下红黏土的动弹性模量-动应变（E_d-ε_d）和动剪切模量-动剪切应变（G_d-γ_d）关系曲线发展趋势。     

考虑多因素耦合效应的冻结兰州黄土动力学参数研究

为了探究多因素耦合效应对冻结兰州黄土动力参数的影响,以分布在我国西部季节冻土区的兰州黄土为研究对象,通过动三轴试验研究了不同围压（0.1、0.2、0.3 MPa）、温度（-1、-3、-5℃）、含水率（14%、16%、18%）及加载频率（1、2、4Hz）影响下冻结兰州黄土的动力参数变化特征。基于试验结果,分析了冻结兰州黄土最大动弹性模量、等效黏滞阻尼系数、参考应变幅值在温度、围压、含水率、加载频率等多因素耦合影响下的变化规律。结果表明,温度、含水率、加载频率和围压等耦合因素对冻结兰州黄土动弹性模量、参考应变幅值和等效黏滞阻尼系数的影响程度有差异。可以发现,冻结兰州黄土动弹性模量和参考应变幅值随温度变化的影响最显著,等效黏滞阻尼系数随加载频率变化表现最敏感。基于试验数据,对影响冻结兰州黄土的4种因素进行归一化和无量纲化处理,采用多元回归分析方法提出了冻结兰州黄土动力学参数的预测公式,有助于快速预测冻结兰州黄土在多因素耦合效应影响下的动力学参数变化特征。     

反复冻融条件下粉砂土动力学参数试验研究

在大量冻融试验和动三轴试验的基础上,深入研究和分析了经历多次冻融循环后粉砂土动模量和阻尼比的变化规律。研究结果表明：同一动应变水平下,动应力大小与冻融次数、含水率呈负相关性,而与围压、加载频率、压实度呈正相关性;粉砂土的动应力-动应变关系存在明显的非线性,且随动应变水平的提高,动模量成倍减小,而阻尼比则成倍增大;随冻融次数的增加,动模量降低而阻尼比则增大,且经历6次冻融后均趋于稳定,建议将6次冻融后的力学特性作为设计与计算指标;围压和压实度的提高有效增强了土颗粒之间的骨架作用,动模量随围压和压实度的增减而增减,阻尼比则随围压和压实度的增加而降低;含水率的变化对阻尼比的影响不大,而当土样达到饱和状态时,动模量成倍降低;加载频率对阻尼比的影响较大,并随频率的提高而迅速降低。     

分级加载下冻结黏土的动应变幅变化特征

动应变幅反映土的振动特征和阻尼特性,温度影响土中水的形态,从而影响动应变幅的大小.采用MTS-810型三轴试验机对一系列温度下黏土的动应变幅变化特征进行研究,结果表明：仪器误差、操作误差等可能使试验结果具有变异性,可采用取平均值的方法来减小试验结果的变异性.动应变幅随加载级数的增加逐渐增大.当温度高于土中水的冻结点时,温度变化对动应变幅的影响较小;当温度低于土中水的冻结点时,随温度的降低,动应变幅变化较显著;当温度低于-4℃时,随温度的降低动应变幅几乎不发生改变.动应变幅随动应力幅的增大呈线性增大趋势.     

循环荷载作用下高温-高含冰量冻土特性试验研究

为了研究高温-高含冰量冻土这种极不稳定土体的动力学特性,开展了固结围压为0.3、0.5、1.0、3.0、5.0 MPa,控制温度为-0.5、-1.0、-2.0、-4.0 ℃、初始含水率为50%的高含冰量青藏线重塑冻土的动三轴试验。根据试验结果,提出了用广义的双曲线模型来描述动应力-应变关系,并且给出了模型参数预报关系式;基于动弹性模量和轴向应变之间的非线性关系,提出?3 =0.5 MPa为临界围压。当围压大于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变的增大呈减小的趋势;当围压小于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变先增大后又减小;此外,动阻尼比随应变幅值和围压的增大而增大,随着温度的降低,动阻尼比变小。     

循环荷载作用下泥炭质土的动变形特性试验研究

泥炭质土是一种具有明显区域性的特殊土。通过一系列不同围压、固结比、加载频率等条件下的分级加载动三轴试验,研究了昆明泥炭质土在循环荷载作用下的动变形特性。从动骨干曲线、应力-应变滞回曲线和动弹性模量等方面重点分析了围压、固结比、加载频率对泥炭质土变形特性的影响。试验结果表明:泥炭质土的动应变随动应力幅值非线性增长,且存在某一临界动应力,当动应力幅值达到临界动应力值后,应变急剧增长,土体结构发生破坏;围压对泥炭质土动变形的影响最为显著,固结比次之,加载频率最小;固结比对泥炭质土动变形的影响程度依赖于围压,围压越大,固结比的影响越明显;相同循环振级下,泥炭质土的弹性变形随围压和固结比增大而减小,加载频率愈低,土体的弹性变形愈大;随着循环振次的增加和振级水平的提高,泥炭质土刚度逐渐下降,塑性变形产生并累积增长,围压和固结比越大,加载频率越低,泥炭质土的塑性变形越大。     

动荷载作用下冻结兰州黄土的动应变幅变化特征研究

采用分级循环正弦荷载模拟车辆振动, 通过动三轴试验对冻土的动应变幅进行了研究. 结果表明: 对于频率为0.1 Hz的前5级加载和频率≥0.5 Hz的各级加载作用下的动应变幅, 可以采用等价应变幅描述每一级动荷载作用下的动应变幅. 存在一个临界频率(约为7 Hz), 当加载频率小于该临界频率时, 等价应变幅变化复杂; 当加载频率大于该临界频率时, 等价应变幅随加载级数基本保持不变. 当加载频率≥0.5 Hz时,不同加载级数下等价应变幅随加载频率的增大而减小. 围压对等价应变幅影响较小; 当频率≤0.5 Hz时, -0.5 ℃条件下的等价应变幅略大于-1.0 ℃条件下的等价应变幅; 当频率>0.5 Hz时, 不同温度下的等价应变幅近似相等.     

冻结黏土的动力学参数确定方法研究

基于黏弹性理论,对土的动弹性模量和阻尼比确定方法进行探讨,并结合青藏铁路沿线黏土在一系列温度下的动三轴试验结果,给出冻结黏土的动弹性模量和阻尼比的确定方法.结果表明：冻结黏土的骨干曲线不是双曲线,建议通过滞回曲线求冻土的动弹性模量和动应变幅,从而获得它们之间的关系;不同计算方法得到的阻尼比随动应变幅的变化趋势基本相同,用滞后角法计算得到的阻尼比整体小于用能量损失法计算得到的阻尼比,建议采用相关函数法计算应变滞后于应力的滞后角,然后用滞后角法计算土的阻尼比;冻结黏土的阻尼比随动应变幅的增加而增大.     

冻土动力学参数研究的成果综述与展望

通过对前人的试验成果进行整理, 得到冻土动力学参数随温度、频率、应变幅、含水量和围压等因素的整体变化规律. 整体上看, 冻土的动弹性模量和动剪切模量随温度的降低而增大、随荷载振动频率的增加而增大、随动应变幅的增加而减小、随含水量的增加先增大后减小、随围压的增加而增大; 冻土的泊松比随温度的降低而增大; 冻土的阻尼比随温度的降低而减小, 随频率、应变幅、含水量、围压的变化规律性不强. 通过对试验条件和数值模拟时的实际工况对比分析, 给出如下建议: 动弹性模量和动剪切模量的预估适合用两段式线性模型, -5℃可以作为两段式的分界点; 列车荷载作用下冻土的动力响应属于小应变幅的振动, 冻土动力学参数应选择波速法的试验结果.     

饱和击实黄土的动力特性研究

通过进行不同固结条件下饱和击实黄土的动三轴试验,研究了饱和击实黄土的动模量、阻尼比、动强度、动孔压及抗液化特性。研究结果表明：饱和击实黄土的动应力-应变关系符合双曲线模型,模型中参数起始动剪切模量和最大动应力与轴向固结应力间均有良好的幂函数关系,且可以对不同固结应力状态归一,固结围压和固结比对阻尼比的影响较小。动剪应力比随固结围压的增大而减小,随固结比的增大而增大。固结围压、固结比以及动应力皆对动孔压比（ ）与振次比关系有显著的影响,而动孔压与破坏时动孔压之比与振次比关系只受固结围压变化的影响,基本上不受固结比和动应力变化的影响,可以用幂函数关系来模拟;在均压固结条件下,当破坏振次小于等于30时,饱和击实黄土不会产生液化,而当破坏振次较大（动应力较小）时可以产生液化;在偏压固结条件下不会产生液化。     

重载铁路水泥改良膨胀土路基填料动弹模量及阻尼比研究

动弹模量与阻尼比是土动力学分析中的重要力学参数,考虑重载铁路荷载特征定量分析水泥改良膨胀土的动模量和阻尼比的较少。依托蒙西至华中地区铁路煤运通道(简称蒙-华铁路)工程为背景,采用南阳邓州市大山寨膨胀土,通过在不同频率、围压、固结比及动应力幅值下的持续振动三轴试验,研究了水泥掺量3%和5%水泥改良膨胀土的动弹模量及阻尼比,并与膨胀土素土进行对比分析。结果表明:水泥掺量3%和5%改良膨胀土的最大动弹模量约为膨胀土素土的3~4倍;在动弹模量-应变曲线中,动应变小于0. 002时表现为陡降段,动弹模量随动应变增长降幅达70%,而动应变大于0. 002时降幅较小,动弹模量随动应变增长趋于稳定;动弹模量随围压、频率、水泥掺量增加而增大,阻尼比随围压、固结比增加而减小;低应变水平下,固结比与动模量成正相关关系,高应变水平下,固结比与动弹模量成负相关关系。同时,对动弹模量及阻尼比进行了归一化分析,建立了估算动弹模量及阻尼比的经验公式。     

辽西地区冻风积土动力特性试验分析

动荷载作用下冻土的动力学参数是寒区工程抗震设计的关键。基于大量室内动三轴试验,研究了地震荷载作用下,辽西冻风积土的动强度σd、动变形εd、动弹性模量Ed和动阻尼比λd等动力学参数与土体含水量w、温度T、围压σ3c、动应力幅值σdamx和频率f等条件的关系。试验中采用三水平六因素的设计方法共进行了18组试验。试验结果表明,在相同振次水平条件下,冻土的动变形随动应力幅值的增大和温度上升而增大;在相同温度条件下,冻土的动剪切强度τd随着围压的增加而增加;低温冻土(-15℃)的动强度和动弹性模量要高于高温冻土(-2℃)的动强度和动弹性模量;冻土的动阻尼比随着变形和频率的增加而降低,随着含水量的增加而增加。上述规律为辽西风积土地区建设工程提供了较为可靠的抗震设计依据。     

人工冻土围压SHPB试验与冲击压缩特性分析

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）,以铝质套筒作为围压装置,分别研究温度为-8、-12、-16 ℃在不同应变率下的人工冻结黏土围压状态变形特征和轴向动态应力-应变关系。研究结果表明：在围压状态下,冻土呈黏塑性破坏特征;当人工冻结黏土温度为-16 ℃、平均应变率分别为410、457、525、650、827 s-1时,其最大应力分别为10.76、12.18、14.27、20.24、23.34 MPa,最大应变分别为0.081 7、0.097 2、0.105 0、0.131 0和0.166 0,表现出较强应变率效应;-12 ℃和-16 ℃时在应变率为457 s-1下的最大应力分别为8.28 MPa和12.18 MPa;当应变率相同时,温度越低,最大应力越大,冻结黏土表现出较强的温度相关性。人工冻土的动力学特性为冻土开挖方法的研究提供依据。     

Dynamic Properties of Soft Clay and Loose Sand from Seismic Centrifuge Tests

Appropriate evaluation of shear modulus and damping characteristics of soils subjected to dynamic loading is key to accurate seismic response analysis and soil modeling programs. Dynamic centrifuge experiments were conducted at C-CORE (Memorial University of Newfoundland) centrifuge center to investigate the dynamic properties and seismic response of soft clay and dry loose sand strata. Soft clay with shear strength of about 30 kPa and well graded silica sand at about 35% relative density were employed in a rigid container to simulate local site effects. Several earthquake-like shaking events were applied to the model to evaluate variation of shear modulus and damping ratio with shear strain amplitude and confining pressure, and to assess their effects on site response. The estimated modulus reduction and damping ratio were compared to the predictions of empirical formulae and resonant column tests for both soft clay and loose sand. The evaluated shear modulus and damping ratio were found to be dependent on confining pressure in both soil types. Modulus variation in both soils agreed well with the empirical curves and resonant column test results. However, the sand modulus values were slightly higher than the empirical relations and resonant column tests. This discrepancy is attributed to higher stress and densification of sand during large amplitude shaking applied to the model. The damping ratio at shear strains lower than 0.5% was in reasonable agreement with the empirical curves and the resonant column tests in both clay and sand models, but was generally higher at shear strain larger than 0.5%.