重复荷载作用下粉性路基土累积塑性变形研究

为研究不同含水率、压实度和应力水平下路基压实粉性路基土累积塑性变形影响因素与变化规律,开展了系列动三轴试验。根据累积塑性应变随加载次数的变化规律,获得了不同含水率、压实度下粉土的临界动应力。研究表明,粉性路基土临界动应力随压实度的提高而增大,随含水率的增大而减小。为避免路面结构的破坏,路基土应力状态应控制在临界应力界限范围内。鉴于此,针对路基土临界应力范围内的试验数据,建立了路基土累积塑性变形预估模型。该模型考虑了应力和加载次数的影响。回归分析表明,该模型具有较高的决定系数,即模型具有较高的合理性与可靠性。模型的建立为基于力学经验法的路基累积塑性变形计算提供了参数。最后以典型水泥混凝土路面为例,获得了不同轴载、轴型作用下粉土路基累积塑性变形,为进一步研究路基累积塑性变形对路面结构的影响提供了思路。     

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。     

循环荷载下路基压实粉土的临界应力与应变水平

通过动三轴试验,分析了不同压实系数、不同含水率和不同动应力水平条件下路基压实粉土的累积塑性变形特征、影响因素及演化规律,界定了循环荷载作用下路基压实粉土的临界动应力和动(回弹)应变水平。试验表明,路基压实粉土的临界动应力和动应变水平随压实系数增加而增大,试样含水率越低,变化速率越大;同时随含水率增加而降低,且含水率越高,降低速率越大。此外,还随静强度增加近似线性增大,回归分析得到比例系数分别为0.5204和0.0007。     

压实粉土非线性应力-应变关系的试验研究

对京九线路基粉土用GDS三轴仪进行固结不排水剪试验,研究不同围压、含水量、压实度下压实粉土样的应力-应变关系。结果表明:压实粉土在低围压下为应变软化,高围压下为应变硬化,存在一个屈服应力;含水量和压实度对粉土强度和应力-应变关系影响显著,随着含水量的减小、压实度的增大,压实粉土样强度增大,应力-应变曲线上升。对围压小于屈服应力的应变软化曲线,用常规的土的软化关系式进行拟和;对围压大于屈服应力的应变硬化曲线,用邓肯-张模型进行拟和;这二者的结合能描述压实粉土的应力-应变关系曲线,效果良好。     

非饱和粉土路基内水分迁移规律试验研究

动载作用下非饱和粉土路基内部的水分迁移规律,对研究重载铁路在浸水状态下的路基稳定具有重要意义。基于范德堡原理,利用土样的电阻率特性,研制出一套基于GDS动三轴仪的非饱和土样含水率分布规律测试系统。利用该系统开展浸水动三轴试验,并对试验过程中非饱和试样的分层含水率进行连续测试,探究土样的初始压实度、动载的动应力幅值对非饱和土样内部水分迁移的影响规律。结果表明：该测试系统可在动三轴试验过程中对非饱和试样的分层含水率进行实时、无损、连续地测定,测试结果的最大误差为0.7%;非饱和土样在动载作用下随其含水率逐渐增大,土样的初始压实度对电阻率的影响程度减弱,接近饱和含水率时可忽略;土样初始压实度、含水率与土体电阻率具有确定的函数表达式,并具有良好的相关性及唯一性。结合试验结果分析认为：降雨及动荷载共同作用下,路基内水分在某一深度土体积聚,该区域孔隙水压力增大,强度降低,导致翻浆冒泥病害的发生;路基压实度及列车轴重增大,均会抑制路基内水分向下部迁移,有助于路基的稳定,但轴重增加,可能导致路基的失稳,当轴重大于临界动应力时,路基将发生破坏。     

全风化花岗岩的路用动态特性研究

利用动三轴试验,研究了全风化花岗岩在重复荷载作用下的动态特性,根据累积应变随加载次数的变化规律,建立了动强度曲线,分析了动强度与围压、压实度以及动模量与动应力的相关关系,讨论了含水量对动态特性的影响,提出了运用动态特性评价公路路基填料的方法,并在实际工程中予以应用。     

风化砂改良膨胀土的动力特性研究

风化砂与膨胀土结合作为路基具有操作工艺简单、环保友好、费用低廉等优点。通过GDS动三轴试验,研究不同围压、振动频率对风化砂改良膨胀土动强度、动弹性模量与等效阻尼比等动力特性参数的影响规律。试验结果表明,风化砂改良膨胀土的应力-应变骨干曲线及阻尼比与应变关系均可用双曲线函数描述;随着动应变增加,风化砂改良膨胀土动弹性模量减小,阻尼比增大;在循环动应力作用下风化砂改良膨胀土应力-应变关系曲线呈封闭滞回圈,滞回曲线轴线随动应力增加逐渐拉长且斜率减小,土样呈现出典型的应变软化特征;随着围压和加载频率增大,风化砂改良膨胀土动弹模增大,阻尼比减小;频率对动弹模影响集中在应变ε_d0.2%范围内,对阻尼比的影响集中在ε_d0.1%范围内。     

粉土循环累积应变和残余动模量的试验研究

粉土地基上建造的铁路或公路在交通荷载作用下易产生各种病害,导致基础设施不能正常工作。为研究交通循环荷载作用下粉土的累积变形和动力性能,针对钱塘江粉土开展一系列的循环三轴试验,探讨土体物理条件（相对压实度、含水率）和应力特征（频率、围压、动应力比）等对粉土累积轴向应变、动模量和阻尼比等的影响。试验结果表明,钱塘江粉土的临界动应力比约为0.11,当轴向动应力小于临界动应力时,粉土的动模量变化很小,相应的累积轴向应变也很小;当动应力超过临界动应力后,土样的动模量快速下降,残余动模量约为初始弹性模量的20%,同时,动模量和阻尼比随着累积轴向应变（或名义振次）的发展变化显著。粉土的动模量和阻尼比在归一化后可得到统一规律：在轴向应变（或名义振次）小于一定值时,动模量几乎不变,而后呈指数形式衰减,最终趋于稳定值;粉土阻尼比随着轴向应变（或名义振次）的发展呈指数关系增长。     

砾钢渣抗液化特性试验研究

陈化的钢渣作为土工回填材料是废弃钢渣循环利用的主要途径之一。按土的工程分类方法,将废弃钢渣划分为砾钢渣、粗钢渣和细钢渣。针对砾钢渣,考虑固结应力比、振动频率、围压和含砾量等影响因素开展动三轴试验研究。分析了砾钢渣的应力、应变和动孔隙水压力的特性,分析了砾钢渣试样的动强度与振动次数、动应变与振动次数、孔隙水压力与振动次数和动应力与动应变关系。采用Seed和Finn提出的饱和砂土动孔压计算模型分析砾钢渣的动孔压曲线类型,并与传统砂砾土的抗液化强度进行比较。得出砾钢渣的抗液化特性较好,工程中可以用砾钢渣替代传统的砂土、砂砾土、砂砾料和砂卵石作为回填料,解决砂砾资源日渐短缺的问题。     

提速条件下粉土铁路路基动态稳定性研究

路基的动态响应及稳定直接决定了提速列车运行的舒适度和安全性。通过室内循环三轴试验,模拟了路基在湿度变化与提速列车动荷载作用下的动态特性。根据试验结果,结合既有线提速路基的动应力变化规律发现：在最优含水率附近,当压实系数为0.90,提速情况下路基可保持稳定状态;若压实系数为0.85,在动应力不超过70 kPa时,路基稳定性较好,但随着动应力水平增加和加载频率增大,路基的累积变形加剧并产生动强度破坏。列车提速使路基的弹性变形增大,但对路基的回弹模量影响较小。路基湿度增加导致临界动应力、回弹模量显著降低,而回弹应变、循环累积应变迅速增加,有可能导致路基产生动强度破坏,因此,雨季时应限速行车。     

动荷载下砂土与EPS颗粒混合的轻质土变形特性的试验研究

砂土与EPS颗粒混合的轻质土（LSES）是一种通过减轻地基压力、提高地基承载力以处理不良地基的新型轻质土工材料。由于LSES主要用作路基填土,因此,其在动荷载下的变形特性值得关注。基于室内动三轴试验结果,讨论了围压、水泥掺量、EPS含量以及循环加载次数对LSES动变形特性的影响。当围压较低时,LSES会呈现出与EPS块体相似的线性动应力-应变关系;而在较高围压下,LSES的动应力-应变拟合曲线则为双曲线型。在给定的应变水平下,LSES的割线动弹性模量Esec随着围压和水泥掺量的增加而增加,随循环加载次数的增多而逐渐衰减,EPS含量增多时,Esec-εd曲线更趋于平缓。     

重载铁路路基压实粗颗粒土填料动力破坏规律试验研究

重载铁路常常通过提高货车轴重来达到增加运量的目的,而大轴重货车运行会对路基粗颗粒土填料产生较大的循环动力作用,这容易导致路基塑性变形过大甚至使路基发生破坏,而这些病害均与粗颗粒土填料的动力破坏规律有关。为研究该类填料在动力作用下的破坏规律进行了一系列大型动三轴试验,分析了围压和含水率对填料塑性变形增长的影响,根据塑性变形增长的特点将试样分为了稳定试样和破坏试样,由此得出了临界动应力的表达公式,并探讨了不同轴重下路基破坏的可能性。此外,还分析了围压和含水率对粗颗粒土填料动强度的影响,结果表明,填料静、动强度之间具有很好的相关性,通过归一化处理提出了利用静强度推求相应动强度的公式。     

低围压循环荷载作用下饱和粗粒土的动力特性与骨干曲线模型研究

基床层是铁路路基的核心组成部分,一般为粗颗粒土,厚约2.5～3.0 m,长期直接承受行车荷载的反复作用,其在动载反复作用下的变形特性是评价路基工作性能的关键要素之一。为研究粗粒土在列车循环荷载作用下的应力-应变特性,开展了一系列应力控制的单向循环加载大型动三轴试验,模拟列车动载和路基粗粒料填筑实际情况,包括不同动应力幅值（模拟不同列车轴重）、不同围压（模拟不同埋深）的动三轴持续振动试验。结果表明,在循环荷载作用下,土体刚度变化与振动次数、围压关系密切。根据动应力幅值大小的不同,循环荷载作用下饱和粗粒土的动应变随振次的发展形态可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据试验所得出的动应力-应变关系曲线特点,建立了含围压和循环振次的骨干曲线模型。与传统的骨干曲线模型相比,该模型能反映土体刚度随循环振次的变化,更能反映列车往复作用的实际情况;同时该模型能用于估算路基土体动强度,对铁路路基核心层的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计具有参考价值。     

EPS块体动变形特性的室内试验研究

通过室内动三轴试验,研究了EPS（expanded polystyrene）块体在不同围压以及应力水平下的动力特性。试验显示,在不同围压下EPS的动应力-应变关系有很大区别,围压较低且当动剪应力比s < 0.5时, 与 呈线性关系,围压稍大时则为双曲线型。EPS的动应变 和割线动剪切模量Gsec的特点与土也有很大不同,在加载的第一周 即增长到较大值,此后,随循环次数N缓慢增长,直至稳定;Gsec则是先下降,而后缓慢增加,直至稳定。分析试验结果认为40 kPa是EPS最合适的使用围压。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

不同应力路径下饱和黏土耦合循环剪切特性

地基土单元体在波浪荷载的作用下将发生主应力轴连续旋转,这对土的强度和变形特性会产生显著的影响。针对饱和黏土,利用土工静力－动力液压三轴－扭转多功能扭剪仪进行了均等固结下的耦合循环剪切试验,着重研究了不同循环应力路径对应力-应变关系和强度特性的影响。试验结果表明,耦合循环荷载下黏土扭转剪切分量和正向偏差分量的应力-应变关系曲线与应力路径有关,且随着振动次数的增加逐渐疏松,割线模量 和 不断衰减,这与不固结不排水条件下的应力-应变关系曲线的变化规律明显不同;扭转剪切分量大的椭圆应力路径的动强度略小于正向偏差分量大的动强度。饱和黏土在不同应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的本构模型提供试验依据。     

铁路路基粗粒土填料临界动应力试验研究

粗粒土填料被广泛应用于铁路基床填料中,直接承受轨道结构传递的列车动循环荷载的长期作用,研究其在列车动荷载作用下的动力行为特征及塑性变形特性可为路基状态评估、沉降控制提供思路。采用GDS动三轴试验系统对铁路基床表层的粗粒土填料动力响应开展研究,通过引入塑性应变率和安定理论,将不同频率、围压、循环动应力比等条件下路基填料的轴向塑性应变的发展规律划分为塑性安定、塑性蠕变和增量塑性破坏3种类型,并确定了塑性安定和塑性蠕变状态的临界动应力水平。研究表明：粗粒土填料的临界循环应力比随着围压的增大而增大,随着荷载频率的增加而减小。通过对试验结果的拟合分析,提出了以围压为变量的临界动应力经验公式,为合理评估列车荷载作用下路基任意深度的动力稳定提供了理论依据。     

静动荷载下桩网结构路基模型试验研究

通过室内模型试验测试了桩网结构路基各部分在动静两种荷载下的桩-土应力、格栅拉力,研究了土拱效应的发展演化机制以及土工格栅拉膜效应的发展特点。试验结果表明：桩-土应力以及格栅拉力的分布都是路基横截面方向上大于其纵向延伸方向,这与路基的梯形截面设计相关;空间土拱效应要强于平面土拱效应,空间土拱效应的极限状态出现在桩-土应力比为3.8时,平面土拱效应的极限状态出现在桩-土应力比为2.2时;动荷载下土拱效应较静载有一定的衰减,且静载下土拱效应越强的部位在动载的下衰减程度越大,桩间土压力随振次的发展趋势类似N型,与桩顶土压力的变化趋势正好相反。     

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。     

辽河三角洲相沉积软土动力特性试验

针对辽河三角洲相沉积软土,在固定振动频率f=1.0 Hz,固结压力为100、200和300 kPa 3种情况下进行循环荷载的动三轴试验,分析了不同固结压力下动应变ε_d、动强度σ_d与荷载循环次数和动剪应变r_d之间的关系。结果表明:在固定振动频率和同一个固结比K的条件下,动强度σ_d与载荷循环次数在单对数坐标系中具有良好的线性相关性。动剪切模量G_d随动剪应变r_d的增大而增大,阻尼比D随动剪应变r_d的增大而减小,G_d-r_d、D-r_d曲线在直角坐标中具有分段性,以应变量在4.0%～5.4%之间出现拐点居多。与其它不同特性的软土相比较,辽河三角洲相沉积软土具有以下特征：(1)动强度指标明显低于其它类软土,(2)阻尼比与剪应变的关系与其它类软土有2个拐点不同,该类软土仅在r_d =2×10^-3处存在一个拐点。