基于相关函数理论的动模量和阻尼比计算新方法

基于相关函数理论,提出一种新的计算动三轴试验动模量和阻尼比的方法。假设土体为黏弹性体,采用自相关函数分析应力、应变波形的平均幅值,进而计算动模量;采用互相关函数分析应变滞后于应力时程波形的相位差,进而计算阻尼比。利用饱和珊瑚砂、南京细砂和原状粉质黏土的不排水应变控制分级循环加载试验数据,分析结果表明:动模量和阻尼比计算的相关函数法对不同土样具有普适性;应变幅值小于1×10~(-4)时,相关函数法计算动模量及阻尼比的精度明显优于传统的滞回圈法;应变幅值大于1×10~(-3)时,土体呈现强非线性特性,应力-应变滞回圈不对称,相关函数法计算的阻尼更为可靠。     

基于相关函数理论的动模量和阻尼比计算新方法

基于相关函数理论,提出一种新的计算动三轴试验动模量和阻尼比的方法。假设土体为黏弹性体,采用自相关函数分析应力、应变波形的平均幅值,进而计算动模量;采用互相关函数分析应变滞后于应力时程波形的相位差,进而计算阻尼比。利用饱和珊瑚砂、南京细砂和原状粉质黏土的不排水应变控制分级循环加载试验数据,分析结果表明：动模量和阻尼比计算的相关函数法对不同土样具有普适性;应变幅值小于1×10?4时,相关函数法计算动模量及阻尼比的精度明显优于传统的滞回圈法;应变幅值大于1×10?3时,土体呈现强非线性特性,应力-应变滞回圈不对称,相关函数法计算的阻尼更为可靠。     

循环荷载的频率和幅值对砂岩动力特性的影响

岩体动力参数的取值关系到岩体结构工程动力计算结果是否符合工程实际。鉴于实际动力荷载的频率和幅值都可能在一定范围内变化,设计了综合考虑频率和幅值变化的循环加、卸载试验方案,分析这两种因素对砂岩动应力-应变滞回曲线、动弹性模量、阻尼比和阻尼系数等动力参数的影响。研究结果表明:(1)应力-应变滞回圈的形态与加卸载的频率和幅值有关,频率越大则越饱满,幅值越大则越狭长;(2)循环荷载频率从0.02 Hz增至1.00 Hz,砂岩的阻尼系数逐渐减小,而阻尼比和动弹性模量逐渐增大,比较而言,阻尼比和阻尼系数变化幅度较大,动弹性模量的变化幅度较小;(3)循环荷载应力幅从10 MPa增至35 MPa时,砂岩的阻尼比逐渐减小,阻尼系数变化不大,而动弹模逐渐增大,比较而言,应力幅对动弹性模量的影响较大。研究成果可为岩石动力参数的合理选取提供较好的参考。     

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.     

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。     

筑坝土石料的变参数Ramberg-Osgood 模型及其适应性研究

被广泛采用的等价线性黏弹性模型不寻求土体动应力-应变的具体表达式,无法给出能量耗散函数,为深入研究筑坝土石料动力变形机制带来不便。变参数Ramberg-Osgood模型（简称R-O模型）通过变动两个参数以适应土体动模量衰减和阻尼增长,并给出滞回圈的数学表达式。研究中讨论了变参数R-O模型的适应范围,发现该模型不适合描述土体的小应变动力特性,给出了筑坝土石料变参数表达式,绘制了与试验曲线相协调的应力应变滞回圈。可以看出变参数R-O模型能够较好地描述筑坝土石料的动力特性,为进一步研究筑坝土石料的动力耗散与变形机制奠定了基础。     

土的量化记忆模型及其参数确定

土的真非线性分析要求追踪应力-应变历史,寻求滞回圈上应力-应变的瞬时切线模量。由于地震荷载的随机性,实际土体的应力-应变历史轨迹非常复杂。基于传统模型的骨架曲线和滞回圈表达式进行这类分析的难度很大。作者介绍的量化记忆模型是为土的动力真非线性分析提出的,它是将单调加载情况下呈非线性变化的切线模量量化,记忆为一种分段线性分布的几何结构,并通过对这种结构加以变换,以描述循环加载情况下具有滞回特性土料的动应力-应变关系。在试验的基础上,运用非线性最小二乘法,确定了量化记忆模型中的 , , , , , 6个参数,并将量化记忆模型生成的应力-应变关系曲线与试验曲线进行了比较。结果表明,量化记忆模型是有效可行的。     

基于达维坚科夫骨架曲线的软土非线性动力本构模型研究

试验研究表明,上海地区软土的动力变形特性符合“应变软化”规律,可用达维坚科夫（Давидеков）模型描述。首先以达维坚科夫骨架曲线为基础,采用Masing法则,构造了土体加载、再卸载的动应力-应变关系滞回曲线,推导了达维坚科夫骨架曲线和卸载、再加载滞回曲线的增量剪切模量表达式。随后将土体动应力-应变关系曲线从一维推广到三维应变空间,基于FLAC3D提供的二次开发平台,编制了基于达维坚科夫骨架曲线和符合广义Masing法则的土体非线性动力本构模型计算程序,并且通过复杂加载路径验证了编制程序的正确性和合理性。以相关文献中的土体动剪切模量比 随剪应变幅值 变化,以及阻尼比 随剪应变幅值 变化的试验结果为依据,运用编制程序计算了不同剪应变幅值下的 - 和 - 曲线,并与文献试验结果进行了对比。研究结果表明,相比于工程上广泛应用的Hardin-Drnevich模型,基于达维坚科夫骨架曲线构造的本构模型所得到的软土 - 和 - 曲线能与试验结果更符合,进而验证了所建立的本构模型的合理性与实用性,其结果可用于上海地区软土场地的动力计算反应分析。     

基于弹性模量退化的冻土动力损伤特性研究

为研究冻土在不同温度下的弹性模量退化与动力特佂,通过对不同负温条件下冻土试样进行循环加、卸载试验,获得其在动荷载作用下的应力-应变滞回曲线与疲劳损伤寿命。按照疲劳寿命与应力幅之间的关系确定了冻土在不同温度下的疲劳损伤参数。根据冻土的弹性模量退化规律提出了动弹模衰减控制方程并建立了冻土唯象疲劳损伤模型。根据冻土实测的循环加卸载滞回曲线特征,提出了理想和非理想滞回圈情况下阻尼比联合分析方法;基于Kelvin模型建立了滞回圈演化规律与弹性模量退化及加载时间的数学联系。研究发现：考虑了动弹模衰减影响的唯象疲劳损伤模型描述了冻土的加速疲劳损伤特征;理想滞回与非理想滞回阻尼比联合分析方法考虑滞回圈的实际演化特征;基于弹性模量退化的Kelvin流变模型建立了滞回圈曲线与加、卸载时间的数学联系。     

土体动非线性黏弹性模型及其ABAQUS软件的实现

基于土的动应力-应变关系--Davidenkov骨架曲线,采用破坏剪应变幅上限值作为分界点,对Davidenkov骨架曲线进行了修正,即当剪应力值大于破坏剪应力值时,土体产生破坏,土体的动剪切模量采用破坏后的动剪切模量;参考Mashing法则,构造了修正后的Davidenkov骨架曲线土体加卸载对应的应力-应变滞回圈曲线。基于ABAQUS软件的操作平台,开发了土体动弹塑性本构模型的子程序。选择南京某个典型软弱场地为研究对象,首先输入余弦加速度时程曲线,然后选取一条强震加速度记录作为基岩输入地震动,对不同峰值加速度水平下该场地的地震反应进行了二维有限元非线性分析,计算结果验证了所建模型的准确性和可用性。     

初始偏应力作用对萧山软黏土动弹模量与阻尼影响试验研究

通过对萧山正常固结饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,着重研究了初始偏应力对动弹模量（土动剪模量）及阻尼比的影响。试验结果表明,在相同的动应变水平下,随着初始偏应力的增加,土体动模量Ed、Edmax 以及Ed /Edmax与阻尼比D都有较大幅度的增加。在试验的基础上,通过指数函数建立了反映动模量Ed、Edmax 以及Ed/Edmax与动应变之间关系的经验公式。同时,采用指数函数建立了阻尼比D与Ed /Edmax关系表达式来间接模拟初始偏应力作用下阻尼比的变化规律。与以往的二次函数曲线相比,得到了更为精确的结果。     

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。     

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加而逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的循环次数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力-应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴循环旋转次数下的轴向和剪切应力-应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴循环旋转次数的增加,轴向和剪切应力-应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同循环次数下试样的轴向和剪切应力-应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着循环次数的增加而达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的循环次数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

低幅值小应变振动下土体弹性刚度的非线性特征与表述方法

随着高速铁路建设的兴起,轨道以及沿线附近建筑物承受低幅值小应变振动荷载的作用。对于小应变振动下土体的有限元计算,如何确定连接应力和应变之间纽带的刚度张量E,对于建立合理的预测模型来分析高速铁路轨道以及沿线建筑物的沉降变形至关重要。低幅值小应变振动下剪切模量G和阻尼比D随剪应变幅值的变化是反映土体刚度及阻尼特征最重要的两个参数。通过共振柱试验发现,振动荷载作用下土体的剪切模量G必须通过振动应变幅值和固结围压共同来确定,即使在小应变（剪应变幅值10-6相似文献   

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。本文通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的圈数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴旋转圈数下的轴向和剪切应力应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴旋转圈数的增加,轴向和剪切应力应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同旋转圈数下试样的轴向和剪切应力应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着加载圈数的增加达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的圈数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

Bouc-Wen土体动力模型的阈值应变研究

探讨Bouc-Wen土体动力模型的适用条件与参数对滞回圈的影响等。基于热力学基本定律,研究了Bouc-Wen土体动力模型的增量耗散函数表达式,讨论了不同动应变水平下某筑坝土石料的能量耗散机制。发现筑坝土石料的动力特性存在2个阈值应变,即第l和第2阈值应变。其对应的模量比分别为0.94左右及0.50～0.80之间。第2阈值应变与传统意义上以孔压升高或体积变化为标准的门槛应变相当。对进一步认识土体动应力-应变特性有一定意义。     

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。     

确定砂土动剪切模量和阻尼比的方法对比

确定土体动剪切模量的常用方法有规范法、Kumar法和自相关函数法,确定相应阻尼比的方法有规范法、Das and Luo法、Kokusho法、Kumar法和互相关函数法,为了分析不同方法所产生差异,实现定量化对比分析,笔者以福建标准砂（粒径为0.5~1.0 mm）为研究对象,采用不排水的应力控制动三轴试验,探讨不同的确定土体动剪切模量和阻尼比方法的差异性,并给出了不同土体条件建议选用的方法。结果表明：1）3种方法确定动剪切模量的结果有一定的差异,随剪应变的增大结果的差异逐渐增大,有效围压对结果的差异性有所影响,当剪应变为4×10^-3,有效围压为100 kPa时,3种方法差异显著,相对误差最大接近20%;2）而5种方法确定阻尼比的结果差异显著,随着剪应变的增大,5种方法确定的阻尼比相对误差大体上均在迅速减小,只有规范法在有效围压为100 kPa时,其相对误差有较小的增大趋势;5种方法中,Kumar法确定的阻尼比最接近平均阻尼比,互相关函数法远高于平均阻尼比,Das and Luo法和Kokusho法确定的阻尼比基本一致但低于平均阻尼比。建议以后的工程应用中,加载方式为应力控制时,可采用自相关函数法确定动剪切模量,采用Kumar法确定阻尼比,二者确定的动剪切模量和阻尼比均最接近平均值。     

压实黄土非线性压缩应力-应变关系在地基沉降计算中的应用

目前以压缩试验得到的e-p曲线为基础的分层总和法仍然是地基沉降分析中最常用的方法。割线模量法是近年来为人们所熟知的计算地基沉降的新方法,具有不受初始孔隙比影响、便于电算等优点。传统的割线模量法将土体的压缩应力-应变关系视为双曲线形式。通过对压实黄土压缩应力-应变关系曲线的研究和对传统割线模量法计算的割线模量与压缩模量的比较表明,导致割线模量法和e-p曲线法计算结果差异的主要原因是土体压缩应力-应变关系符合双曲线的假定,将压实黄土的应力-应变关系用更符合实际情况的幂函数进行拟合,得到了基于幂函数形式的压缩应力-应变关系曲线的沉降量计算公式,并结合具体工程进行了沉降计算对比分析,将割线模量法进行了推广应用。     

基于动土压力影响的坝基动剪切模量反演研究

对于土石坝的坝基中土体应力-应变关系的求解,由于非自由地表以及土体所受水平正应力变化的影响,理想一维剪切梁模型方法并不适用。利用下覆饱和砂土地基的土石坝离心振动台试验,分析了不同输入地震峰值下非坝体覆盖区地基、坝中、坝趾处土体加速度的响应规律,得到了坝基中上部土层动土压力在水平向的变化特征,提出了考虑水平向动土压力影响的坝基土体剪应力-剪应变反演计算方法,并与利用理想一维剪切梁模型所绘制的应力-应变滞回圈对比,分析了动土压力对坝基土动剪切模量的影响。结果表明：由坝基底部至坝顶,加速度的放大效应基本呈线性增大;土压力在水平向的变化情况在剪应力-剪应变反演计算中不能忽略;考虑水平向动土压力的影响后,土体剪切模量的计算值减小。随着深度增加,动土压力对坝基中部土体剪切模量的影响比上部土体更大,且计算相对误差随着深度和输入地震波峰值加速度的增加而变大。