车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤响应差异性研究

风积沙和砾类土是新疆绿洲–荒漠区常用的路基填料,为探明车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤应力和应变响应的差异,分别采用风积沙和砾类土作为填料建立低路堤1∶1足尺模型,进行了地基含水率分别为18%、23%和28%的静载、短时动载和长时动载作用下低路堤模型试验。试验结果表明,长时动载作用下低路堤应力和应变最大,短时动载作用下应力和应变最小。静载、短时动载和长时动载作用下砾类土和风积沙低路堤的应力均随着深度的增加而衰减,砾类土低路堤衰减速度较快。距路基顶面0.6~1.0 m处存在应力响应分界点,路基顶面至分界点段砾类土低路堤的应力大于风积沙低路堤,分界点以下风积沙低路堤的应力大于砾类土低路堤。砾类土低路堤各结构层的应变均小于风积沙低路堤,随着地基含水率的增加风积沙低路堤地基部分应变增加值较大。     

EPS颗粒混合轻质土反复荷载下变形和阻尼特性

通过反复荷载三轴剪切试验研究了EPS颗粒混合轻质土在反复荷载下的变形和阻尼特性,分析了不同围压、不同水泥掺入比及不同土质条件下轴向累积应变、回弹模量及阻尼比随轴向总应变的变化规律。结果表明：轴向累积应变与轴向总应变呈线性关系,与轴向总应变的比值较大,且在不同条件下基本不变;回弹模量随围压和水泥掺入比的增大而增大。在一定的围压和水泥掺入比下,当应变小于8%时,砂土EPS颗粒混合轻质土的回弹模量大于淤泥质土EPS颗粒混合轻质土的回弹模量;当应变大于8%时,情况相反。回弹模量与轴向总应变的关系曲线可用递减的幂函数来拟合;EPS颗粒混合轻质土的阻尼比随轴向总应变的增大而增大,随围压和水泥掺入比的增大而减小,砂土EPS颗粒混合轻质土的阻尼比小于淤泥质土EPS颗粒混合轻质土的阻尼比,但以上变化和差别都非常小,阻尼比基本保持为一常数。     

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。     

不同沉降方式下埋地管道力学响应试验研究

地层塌陷和沉降引发的埋地管道事故频发,亟需开展不同沉降作用下力学响应试验研究。针对地层塌陷和沉降作用下油气埋地管道的管周应变、土压力和土体变形开展了系统研究。研究发现：地层塌陷和沉降过程中,受管顶土拱效应影响,管道应变及土压力随塌陷区扩展先增大后减小,随沉降区扩展而增大,塌陷和沉降区内,管道沿轴向呈两端凸起、中间下凹的“马鞍形”;管道变形受沉降影响更为显著,当塌陷和沉降量均为50 mm时,与地层塌陷相比,管道在沉降过程中顶部、底部和中部的最大应变值分别增加了18.8%、249%和273%;对比管周土压力增大和减小区域的面积之比λ可知,地层沉降较塌陷λ提高了78%,因此,管道在地层沉降过程中承受更大的作用力。基于修正Marston土压力计算模型,提出了地层沉降过程中管顶竖向土压力计算方法,并采用模型试验结果验证了该方法的准确性。     

饱和橡胶砂动力特性动三轴试验研究

橡胶质轻、耐磨、渗透性好、减振性能优良,橡胶颗粒与砂土混合作为土工填料可被用于边坡、路基和垃圾填埋场中。通过室内动三轴试验研究了不同橡胶含量混合土的动强度特性及动孔压发展特性。结果表明：橡胶质量含量越高,混合土的抗液化强度越高,且混合土的液化强度曲线符合乘幂函数关系;考虑橡胶质量含量的影响,得到了归一化混合土液化强度曲线;初始应力比和橡胶含量对混合土动孔压比发展具有明显影响,建立了不同试验条件下动孔压比发展模型。试验发现,当初始动应力比超过0.4时,10%橡胶含量的混合土出现明显橡胶颗粒向上迁移现象。基于颗粒细观接触和颗粒运动状态,揭示了橡胶颗粒迁移机制。     

循环荷载下加筋砾性土填料的动三轴试验分析

为探究循环动载作用下加筋砾性土填料的动力特性,在不同加筋层数和围压下对加筋砾性土进行了固结不排水动三轴试验,研究加筋层数和围压对加筋砾性土动力特性的影响,并进一步分析了加筋砾性土轴向累积应变发展机制。研究表明:加筋层数增加时,轴向累积应变减小,回弹模量增大,且加筋作用的影响幅度逐渐衰减;增大围压时,土体轴向累积应变减小,回弹模量和动孔压均随之增大;随着加筋层数和振次的增加,滞回曲线逐渐向应力轴靠近,滞回圈面积逐渐减小,土体耗能作用减弱。基于安定理论和间接影响带理论,揭示了加筋作用对轴向累积应变发展的影响机制。建立了能够反映加筋层数的加筋砾性土轴向累积应变预测模型,其条件参数a、b、g与加筋层数呈线性关系,可有效预测循环荷载下加筋砾性土路基沉降变形规律。     

模块式加筋土挡墙模型试验及静动力学性能研究

加筋土挡墙作为道路路基的一部分,不但受到路面基础设施等静荷载,还承受着车辆行驶所带来的交通荷载。为研究静、动荷载下模块式加筋土挡墙的力学特性及工作性能,开展室内大模型试验,对比分析了加筋土挡墙的沉降及面板水平位移、侧向土压力系数、格栅应变等力学行为的变化规律。结果表明：静、动荷载下挡墙的破坏模式分别以局部剪切破坏和面板挤出破坏为主,格栅的最大应变量分别为1.7%和4.5%,均未达到破坏应变;两种荷载下挡墙的极限承载力相等,相比于静载,动载作用下墙顶最大沉降量增大了280%,面板最大水平位移增大了180%;加载板下降过程中四周土体受挤压发生变形,向面板施加额外的水平附加应力,从而导致墙背处的侧向附加应力系数Kr高于理论值;动载作用下土颗粒不规则运动,土中动加速度响应受动载幅值的影响较大,靠近墙面处的加速度峰值沿墙高H由上到下逐渐减小。研究成果有助于揭示静载与交通荷载作用下加筋土挡墙的力学行为和破坏机制以及提高模型试验与实际工程的关联程度。     

轮胎颗粒混合土动力特性参数影响规律试验研究

废旧轮胎碎片颗粒与砂土混合用作路基或挡墙填料、建筑物基础隔震体系等具有质轻、土压力小、减震隔振效果好、耐久性优良、费用低廉的特点。通过室内数字化动三轴试验,重点对比研究了废旧轮胎颗粒含量及围压对混合土及纯砂土动强度、动弹性模量和等效阻尼比等主要动力特性参数的影响规律。结果表明,在相同围压和动剪应力比条件下,混合土动强度相对纯砂土略有降低(最大降低量约20 kPa,即约8%);所有配比混合土动弹性模量均小于纯砂,且减小效果显著,最大减小量约22 MPa(即约60%);混合土等效阻尼比先随轮胎颗粒含量的增大而增加,之后又随之减小,临界含量值介于30%⁴0%之间,混合土等效阻尼比相对纯砂土最大增加量约91%。结果证实,混合土剪切刚度有效降低,可以发挥减震隔振的优势。     

EPS颗粒轻质混合土的蠕变模型研究

EPS颗粒轻质混合土是一种新型轻质填土材料,相比EPS泡沫块体,具有更广泛的应用前景。EPS颗粒轻质混合土的基本物理及力学性质已得到了较多的研究,但其蠕变特性研究较少。通过不同围压下EPS颗粒轻质混合土的三轴不排水蠕变试验,采用三种常用的经验模型：Singh & Mitchell模型、Mesri模型和Findley模型对EPS颗粒轻质混合土的蠕变变形进行模拟,结果表明：Singh & Mithcell模型和Mesri模型能反映蠕变趋势,但是不能拟合应变初始快速上升段,用来描述EPS泡沫块体的Findley模型在应力水平较高时,拟合效果最好,某种程度上说,EPS颗粒轻质混合土的蠕变性与EPS泡沫块体相似。推导出了一种新的半经验半理论蠕变模型,用元件模型描述弹性变形部分,用经验模型描述塑性变形部分,拟合结果表明,不管应力水平的高低,新推蠕变模型都不仅能够很好地反映EPS颗粒轻质混合土的初始快速上升段变形,也能够比较准确地拟合长期变形,即蠕变性。     

粉煤灰土冻融循环后的动力特性试验研究

为研究粉煤灰土作为路基填料的可行性，把易液化的粉煤灰和易冻胀的粉质黏土按干重1：2混合，通过冻融循环后的动三轴试验，研究了粉煤灰土的动力特性，得出了动强度和循环荷载次数及冻融循环次数的数量关系，以及动模量与动应变及冻融循环次数的关系曲线。研究表明，粉煤灰土经过3次冻融后的动力性能指标优于粉质黏土，具有良好的抗冻性及稳定性，可以作为季冻区路基填料。     

Direct Shear Tests on Waste Tires–Sand Mixtures

Waste tires are used in some engineering applications and thereby reduce the potential impact on the environment, for example, as lightweight materials in geotechnical engineering projects. This paper presents a brief literature review on geotechnical applications of processed waste tires, and a laboratory study on the effect of tire shreds on the physical properties of two different sands (fine angular sand and coarse rotund sand). Each type of sand was mixed four different percentages of rubber particles; 5, 10, 20 and 50% by dry weight. Direct shear tests were employed to investigate the effect of rubber particles on the shear strength of sands and internal friction angle. The addition of shredded waste rubber particles slightly decreased both the internal angle of friction and the shear strengths of the sands within the tested stress and strain levels. Additionally, a prediction model using stepwise regression (SR) method is proposed to calculate the shear strength of sands with the increasing rubber content. The performance of accuracies of proposed SR models are quite satisfactory. The proposed SR models are presented as relatively simple explicit mathematical functions for further use by researchers.     

顶管施工对邻近地下管线的影响预测分析

采用通用Peck公式计算顶管施工引起的地下管线平面处的土体竖向位移。对地下管线的受力模型进行简化,基于Winkler地基模型,得到地下管线由于顶管开挖引起的极限弯矩、理论弯矩以及管线变形的计算方法。通过算例分析,与连续弹性解、Attewell解和王涛解的计算结果进行比较,探讨了土质条件、管线材质、管线埋深、管线管径对地下管线受力的影响。计算结果表明,本方法适用于各种土质,可较好地预估管线所受弯矩,且不会低估管线所受的最大弯矩;在相同条件下,管线埋深越大承受的弯矩也越大,但埋深仅对最大正弯矩和最大负弯矩位置附近处的管线影响较大,对其余部位影响较小;管线抗弯刚度越大,管线承受的极限弯矩和影响范围也越大;管线管径越大,管线承受的弯矩也越大。     

季节冻土地区路基冷阻层温度场效应

为研究季节冻土地区冷阻层的路基温度场效应,基于ANSYS软件热分析原理,以粉煤灰土、橡胶颗粒改良粉煤灰土和聚丙烯纤维改良粉煤灰土3种冷阻层材料为研究对象,模拟季节冻土地区道路路基温度场,研究其阻止热量交换的效果。结果表明：采用粉煤灰土为冷阻层的道路的最大冻深为1.32 m,温度梯度最低值为-17.606℃/m;采用橡胶颗粒改良粉煤灰土为冷阻层的道路的最大冻深为0.94 m,温度梯度最低值为-23.563℃/m;聚丙烯纤维改良粉煤灰土为冷阻层的道路的最大冻深为1.20 m,温度梯度最低值为-19.557℃/m。橡胶颗粒改良粉煤灰土冷阻效果最佳,其确保路基土处于零上温度不冻结状态的最小摊铺厚度为0.33 m,适宜作为季节冻土地区的冷阻材料。     

废旧轮胎胶粉对高岭土变形和渗透性质的影响

废旧轮胎胶粉用于填埋场衬垫材料改性,是提高衬垫系统有效性和扩展废旧轮胎资源化利用途径的一种手段。以高岭土作为黏性土的代表,开展废旧轮胎胶粉-高岭土混合土的力学和水力学性质试验,重点探讨胶粉掺量及尺寸对混合土渗透性、压缩性和收缩性的影响规律。研究表明,废旧轮胎胶粉-高岭土混合土的渗透系数、压缩系数、回弹指数、固结系数和体缩率等均随胶粉掺入比的增加而增大。高岭土及混合土的无侧限抗压强度大于200kPa,50kPa和200kPa压力下渗透系数满足≤1.0×10-7cm·s-1的要求,均属于中压缩性土,且体缩率小于体积应变合格值4%。与30目胶粉相比,12目胶粉-高岭土混合土压缩性和回弹量较小、固结系数较大,胶粉尺寸对无侧限抗压强度、体缩率和渗透系数的影响不显著。在本文试验条件下,为提高黏土衬垫对有机污染物的吸附能力并满足渗透性、强度及变形的要求,12目25%胶粉改性黏土可作为填埋场黏土衬垫材料。     

海洋工程中大直径管桩垂直水平荷载试验研究

通过海洋环境条件下大直径管桩的垂直和水平荷载试验,分析了管桩在垂直和水平荷载作用下的受力特点,得到了管桩的垂直极限承载力、侧摩阻力及端承力、轴向反力系数等结果,以及水平荷载作用下桩顶位移和转角关系、弯矩分布、土抗力、水平地基反力系数的比例系数和最大弯矩点等参数。试验结果表明：垂直荷载作用下,极限承载力可达12000kN,在沉桩过程中部分桩有一定程度的闭塞;大直径管桩能够抵抗水平荷载的作用,弹性长桩的受力性质主要受上部土层的影响。根据试验结果计算的水平地基抗力比例系数m值,对本工程及同类地质条件的桩基设计具有参考价值。     

土工袋减振隔振机制分析及试验研究

设置于地基中的土工袋不仅可以提高地基承载力,而且具有减振隔振效果。通过水平循环剪切试验研究了土工袋的动力特性,验证了土工袋具有可变的水平刚度和较大的阻尼比,表明土工袋是一种良好的基础减振隔振材料。土工袋的等效阻尼比随着竖向压力的增大而减小,随着最大剪应变的增大而增大。同时,采用离散单元法进行了土工袋在动力荷载作用下的数值模拟计算,土颗粒间采用弹簧-阻尼器接触模型;而土工袋被看成具有张力的小颗粒薄层,这些小颗粒间的接触与袋内土颗粒间的接触模型相同,但仅设置法向的接触而无切向接触,且只受拉不受压。结果表明,土工袋的减振消能效果主要来自于袋内材料的摩擦耗能、黏滞耗能以及袋子张力引起的耗能。另外,还进行了土工袋沟槽的原位振动测试,验证了土工袋的减振隔振效果。     

Simplified uncertainties analysis of continuous buried steel pipes on an elastic foundation in the presence of low stiffness zones

In conventional design, continuous buried steel pipes are designed based on their transverse behavior where low stiffness zones of soil, uncertainties in soil and structure properties are not considered. Winkler’s analytical model and the FOSM method are used to estimate uncertainties in terms of the coefficient of variation in the differential settlement (CV_Δ) and the bending moment (CV_M) as the function of the uncertainties in the subgrade reaction modulus (k_s) and the low stiffness zone length beneath the pipe. Results show that the values of CV_Δ and CV_M are very different depending on the uncertainties of k_s and the length of the low stiffness zone.     

抗滑桩应变特征与内力非线性研究

为探究抗滑桩实际内力与变形间的规律,特别是桩土相互作用下桩体受力、变形、稳定性等特征,通过抗滑桩大型物理模型试验,结合MATLAB拟合推导实现从桩表面应变散点数据到桩身挠度分布的求解。对比同桩长不同加载条件与同加载条件不同桩长两种情况下桩表面应变、桩身弯矩、剪力及挠度,分析抗滑桩的应变特征与内力变化规律。研究表明:单调与循环加载条件下抗滑桩工作阶段划分为三阶段,即未开裂阶段、混凝土开裂-钢筋屈服阶段、钢筋屈服-桩体破坏阶段。未开裂阶段一、二级荷载下由于土的压密性桩体略微回弹,桩表面应变、桩身弯矩、受荷段剪力及挠度出现较小的负值（绝对值约为破坏时的1%）。混凝土开裂-钢筋屈服阶段应变、弯矩、剪力、挠度增速明显加快。钢筋屈服-桩体破坏阶段应变、弯矩、剪力、挠度呈非线性增长,桩体的破坏模式均为弯剪破坏。随着自由端长度的增加,破坏时应变、弯矩增大,而剪力减小,破坏时应变增长约10%,弯矩增长约3%,剪力减少约20%;相对于单调加载,循环加载下最大弯矩值和最大挠度均有增大,最大弯矩增长约2%,最大挠度增长约1%。     

隧道开挖条件下地埋管线的非线性响应分析

隧道开挖引起的地层不均匀沉降造成附近的地埋管线产生额外的变形,甚至破坏。被动管线与土体的相互作用的研究表明,不考虑土体的刚度衰减,较大的土体弹性模量使得管线的最大弯矩计算结果过大,偏于保守,造成不必要的浪费。在被动管线Winkler地基模型分析基础上,引入土体刚度衰减模型考虑土体非线性特性,提出了隧道开挖作用下管线响应的等效线性分析方法。基于自由土体位移场计算管周土体由于隧道开挖引起的附加应变,基于水平受荷桩的环状弹性介质模型考虑由于管土相互作用引起的管周土体应变,从而对被动Winkler地基模型的土体弹性参数进行修正,计算得到管线的最大弯矩。通过与现有的弹性理论方法、离心模型试验结果的对比,验证了针对隧道开挖引起的被动管土相互作用问题,该方法考虑土体非线性特性的合理性。