列车振动荷载作用下南京细砂累积变形预测公式对比分析

列车振动荷载引起的路基长期沉降问题一直是影响列车正常运营的重要因素。首先,采用GDS空心圆柱扭剪仪对新近沉积的南京细砂重塑样进行循环三轴试验研究。在该基础上,通过总结国内外学者研究的累积变形模型公式,并与试验数据进行对比,分析了已有多种公式应用于南京细砂动力累积变形的预测时的可行性,给出了相关预测公式的模型参数参考值。根据试验结果,考虑试验围压对土体累积变形的影响规律,对部分公式进行了初步修正,扩大了相关预测公式的使用范围。研究成果对长江中下游轨道交通路基的长期沉降预测具有一定的指导意义和参考价值。     

软土地基桶形基础循环累积变形研究

针对软土地基桶形基础在循环荷载作用下的变形问题进行研究。首先, 通过桶形基础循环模型试验获得在动、静荷载作用下地基的破坏特性。然后,从模型土池中取土样,进行不固结不排水（UU）循环三轴试验,测其循环累积应变特性,建立了累积应变与其相关因素间的关系。最后,采用有限元的方法模拟模型试验,将循环累积变形等效为蠕变,在理想弹塑性的基础上加入蠕变来计算循环荷载作用下桶形基础的变形,并与模型试验结果进行比较。结果表明,软土地基桶形基础在循环荷载作用下的变形与静力下的蠕变有相似的特点,桶形基础循环累积变形可以用等效为蠕变的方法计算。     

吸力式沉箱底部土体循环特性及其等效循环蠕变模型研究

吸力式沉箱基础作为张力腿平台(TLP)的锚固基础,其底部土体不仅存在轴向卸荷作用,而且还存在循环荷载作用。现有研究很少涉及在卸荷条件下进行的软黏土循环累积变形研究。因此,通过循环三轴试验研究了轴向卸荷条件下软黏土的应变累积变形及应变软化特性。试验结果表明:在低静偏应力以及动偏应力条件下,土体应变累积及软化程度较低;随着动偏应力增加,循环累积变形逐渐变大且前期发展较快后期趋于稳定,同时应变软化程度逐渐增大;土体循环累积变形随动偏应力提高而增大,其循环累积应变曲线呈衰减-稳定的蠕变特性。在试验基础上,提出与静偏应力和动偏应力有关的软化系数公式。构建了考虑软化系数与静偏应力、动偏应力等条件下软黏土等效循环蠕变模型。将该模型推广至三维,并开发了有限元子程序。建立了循环荷载作用下吸力式沉箱基础循环抗拔承载力有限元分析法,将其用于吸力式沉箱基础循环累积变形分析中,并与沉箱模型循环试验结果进行了对比验证。     

基于分数阶微积分的粗粒料静动力边界面本构模型

分数阶微分理论在土体静力黏弹性本构模型中得到了广泛应用,然而,其在动力弹塑性模型中的应用尚不多见。为此,基于分数阶微积分理论分析了粗粒料在循环荷载下的变形特性,提出了粗粒料在循环荷载下的分数阶应变率;并以此为基础,进一步建立了粗粒料受静动力荷载作用下的边界面塑性力学本构模型。所提出模型包含10个参数,均可以运用常规三轴试验获得。为了验证所提出模型,选取了几种已有不同文献中的不同粗粒料试验数据进行了模拟,发现,所提出的模型可以较好地模拟粗粒料在静动力加载下的应力-应变行为,对于循环荷载下的长期变形也能较好地预测。     

分级循环荷载下土工格室加筋路堤模型试验研究

目前对土工格室加筋路堤研究主要集中在静载条件下,动载条件下研究的比较少。为研究分级循环荷载下土工格室加筋路堤的力学性能,采用USTX-2000的动力加载装置进行加载,对土工格室加筋路堤在不同加筋层数、格室高度、格室焊距等工况下进行一系列模型试验。对分级循环荷载下路堤的竖向变形和坡面法向变形进行研究,并与固定振幅循环荷载及静载作用下的路堤进行对比分析,研究不同加载方案路堤力学性能的差异性。试验结果表明,土工格室加筋能显著提高路堤承受分级循环荷载的能力和减小竖向累积沉降量,在加筋间距一定的情况下,两层及以上加筋效果比单层加筋效果更显著,格室高度增大和格室焊距减小均可不同程度提高路堤承受分级循环荷载能力并减小竖向累积沉降量;加筋可减小路堤分级循环荷载下的坡面法向变形,格室高度增大和格室焊距减小在分级循环荷载幅值相同时均能减小坡顶和坡中处的法向累积变形;分级循环荷载作用下,当振次≥8 000或幅值≥80 kPa时,路堤竖向累积沉降量超过固定振幅循环荷载,当振次≥9 000或振幅≥90 kPa时,路堤坡顶法向累积变形超过固定振幅循环荷载;分级循环荷载作用下,路堤竖向和坡面法向累积变形均大于静载,加筋可有效减小分级循环荷载和静载作用下坡面法向累积变形差。     

考虑颗粒破碎效应的堆石料静动力本构模型

为合理反映颗粒破碎对堆石料力学特性的影响,基于试验结果分析,得出了堆石料在压缩和剪切作用下的颗粒破碎特性规律。通过引入压缩破碎和剪切破碎的相关参数,借鉴已有本构模型的合理定义,吸收临界状态理论和边界面理论的优点,发展了考虑颗粒破碎和状态相关的堆石料静动力统一弹塑性本构模型,并阐述了模型参数的确定方法。该模型不仅能够反映堆石料在静力荷载作用下的低压剪胀、高压剪缩、应变软化和硬化等特性,还能够反映在循环荷载作用下应力-应变的滞回特性和残余变形的累积效应。最后为验证模型的合理性,分别对堆石料的静力三轴和循环三轴试验进行了数值模拟预测,结果表明：模型预测与试验数据吻合良好,所提出的本构模型能够合理地描述颗粒破碎对堆石料静动力变形特性的影响。     

长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性影响

由于软黏土渗透系数很小,目前针对饱和软黏土的循环荷载试验绝大多数都是在不排水条件下进行的。但对交通荷载而言,软黏土承受经年累月的长期循环荷载作用,实际的排水条件应该是部分排水的。基于此,通过对温州原状饱和软黏土进行不同循环应力比下的不排水和部分排水大周数（50 000次）循环三轴试验,分析了长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性的影响。研究结果表明与不排水条件相比,部分排水条件下软黏土试样的动力特性表现出很大的不同。随着循环次数的增加,部分排水条件下的孔压随先增加后降低,存在一个峰值;经过较大的循环次数后,回弹应变逐渐减小,应力-应变滞回圈逐渐缩短,面积也明显减小。为了准确预测交通荷载作用下的长期沉降,采用部分排水条件进行试验是十分必要的。     

间歇性循环荷载下路基细粒土填料永久变形特性及预测模型

实际列车运营条件下相邻列车间存在一定的时间间隔,因此,列车对路基的长期作用由列车通过时的振动加载和无列车通过时的荷载间歇组成,即间歇性循环荷载。为探究路基在列车间歇性动荷载作用下的变形特性,开展了连续加载与间歇加载(单级、多级加载)的动三轴试验,研究了间歇加载下累积塑性应变的发展规律,并提出了相应的累积塑性应变预测模型。研究结果表明,间歇加载提高了试样抵抗荷载的能力、降低了累积塑性变形的发展;间歇加载下试样的累积塑性应变曲线呈"阶段式"增长,不同于连续加载下累积塑性应变曲线"平顺型"发展的特点;基于时间硬化方法对双曲线模型进行改进,并对间歇加载(单级、多级加载)下稳定型和临界型试样的累积塑性应变进行预测,取得了良好的预测效果。研究结果对于深入分析实际列车荷载作用下路基土体的变形特性和沉降预测具有一定的指导意义。     

循环荷载下土体变形特性研究

为研究循环荷载下土体变形特性,基于已有的分数阶黏壶构建循环荷载下分数阶黏壶,并将其替换为西原模型黏塑性体中的常值黏壶,建立了可描述循环荷载下土体变形规律的分数阶西原模型。当循环荷载应力幅值大于土体临界应力幅值时,模型为反映土体破坏型变形规律的分数阶西原模型;反之,则为反映土体稳定型、临界型变形规律的广义Kelvin模型。采用应力分解法,将循环荷载分解为一个静力荷载和一个平均应力值为0的循环荷载,基于流变力学理论给出了静力作用下基于该模型的流变本构方程,再根据黏弹性力学理论构建了交变应力作用下基于该模型的动态响应本构方程,将已获得的土体流变本构方程与动态响应本构方程叠加,得到新的土体本构方程。结果表明:与既有的试验结果相比,基于分数阶西原模型所建立的本构方程可较好描述循坏荷载下土体各种类型的变形特征,对土体各类型变形曲线的拟合效果较好,拟合系数均在0.90以上,且模型参数值随循环荷载动应力幅值的增大而以幂函数形式减小。     

饱和砂土中裙式吸力基础水平循环特性和累积转角变化规律

裙式吸力基础是一种新型海上风电工程吸力基础形式。采用模型试验研究水平循环荷载作用下,传统和裙式吸力基础的累积转角变化规律和影响因素,循环加载方式包含单向循环加载和变幅循环加载。试验结果表明:传统和裙式吸力基础循环累积转角主要发生在前200次循环,循环累积转角随循环荷载幅值和循环次数增加逐渐增大,累积转角增长速率随循环次数增加逐渐减小。基础累积转角与循环次数之间的关系可用幂函数进行表达。采用Leblanc方法和Miner准则,对长期变幅循环加载下基础累积转角转化为等幅循环荷载进行分析,预测了基础累积转角,发现循环荷载的顺序和循环荷载幅值对基础累积转角有一定的影响。荷载幅值逐级增大条件下,预测的基础累积转角略高于实测值。另外,研究了循环加载过程对基础水平极限承载力的影响,基础水平承载力较循环加载前有一定提高。研究成果能为海上风电吸力基础的设计提供依据。     

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。     

循环交通荷载下软土路基长期沉降理论解

基于循环交通荷载下软黏土累积塑性变形、累积孔压经验公式与分层总和法结合的方法,通过计算不排水循环累积塑性变形引起的沉降和不排水循环累积孔压消散引起的固结沉降叠加,建立了一个软土路基长期沉降拟静力计算模型。对交通荷载应力路径下的软黏土空心圆柱扭剪试验数据分析,获得了不排水累积塑性应变模型和不排水累积孔压公式的参数。基于弹性理论解积分计算交通荷载下路基中的动应力,再结合分层总和法计算了路基沉降与循环周次的关系。通过工程实例分析,对比了计算沉降结果与实测结果并与以往理论分析结果,验证了所建立模型的合理性。     

长期循环荷载下人工结构性软土累积变形规律及预测模型

针对软土地区路基运营后显著的长期沉降效应问题,以及天然沉积软土均具有一定结构性的特点,制备了不同胶结强度的人工结构性土,开展了结构性土与相应重塑土的压缩试验和动三轴试验,分析了循环次数、动应力比和结构性强度对土体累积塑性变形的影响规律。试验结果表明:土体累积变形随着循环次数、动应力比的增大而增大,随着结构性强度的提高而减小;累积应变曲线可分为破坏型、稳定型和临界型3种形式。进而考虑土结构性影响,在已有累积变形模型基础上引入应力灵敏度S_σ参数,分别建立了结构性软土的破坏型和稳定型的累积变形模型,较好地预测了结构性软土不同变形状态的累积应变曲线,并分析了模型参数随应力水平和结构强度的变化规律。     

动力荷载长期作用下冻土振陷模型试验研究

基于低温动三轴试验资料,研究了青藏铁路北麓河粉质黏土在往返长期加荷作用下的变形特征。在不同温度、动应力幅、频率、围压条件下考察冻土轴向残余应变与振次的试验关系曲线,建立了冻土振陷模型,并讨论了模型参数及其影响因素。研究表明,(1) 模型参数受拟合所采用的振次水平影响较大,参数B（黏塑流蠕变率）随振次的增加而迅速减小,参数C（蠕变衰减系数）随振次的增加而迅速增大;(2) 除迅速破坏的试件外,当振次达到一定临界值以后,B、C两参数都逐渐趋于稳定;相同振次水平下B、C参数均随温度升高、动应力幅值增大、围压增高而增大,随频率的增加而减少,且频率大于6 Hz时对参数影响很小。此项研究对于合理预测动力荷载长期作用下由冻土残余变形而产生的沉降量具有重要意义,且为冻土动力学研究积累基础试验成果。     

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。     

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。     

Study on Deformation and Strength Behavior of the Large-sized Triaxial Rock Samples under Cyclic Loading

When in Institute of Soil and Rock Mechanics, Karlsruhe University, Federal Germany, the author of this paper performed some cyclic loading tests on the large-sized triaxial testing machine developed in this institute. The rock sample used were 60cm in diameter and 120cm in height. The work mainly included the study of deformation and strength behavior of the samples and was based on the viewpoint of analyzing the irreversible deformation. Under cyclic loading, although the irreversible deformation generally increased with the n umber of cycles, the deformation trends obtained at various stress levels distinctly differed from each other. At low stress levels a comparatively large irreversible deformation arouse from the first few cycles of loading. With the increase of the number of cycles its growth decayed gradually and tended finally to a stable constant value. When the stress level reached a certain “threshold” value, the situation became entirely different. The increase of the number of cycles caused an acclecrated growth of the irreversible deformation till a complete failure of the whole sample. The test results also illustrated that this characteristic stress value was slightly lower than the so-called “yield” value. The study of such a characteristic value is of great importance for under-standing the mechanical properties of rock masses under cyclic loading. The experimental curves of irreversible deformation vs. the number of cycles show a remarkable resemblance to corresponding rheological curves, which, perhaps, may not be accidental. It is propose in this paper that the relation of the strength obtained in conventional tests, the long-term strength in rheological tests and the strength under cyclic loading should be studied. Undoubtedly, it is significant for evaluating the strength and safety factor in rock engineering problems.     

周期荷载下岩石大型三轴试件的变形和强度特性研究

本文介绍了作者在联邦德国卡尔斯鲁厄大学土岩力学研究所利用该所研制的大型三轴试验机进行周期荷载下大型三轴试验的情况和结果。岩石为薄层灰岩,试件直径为60cm,高为120cm。整个研究工作是基于分析不可逆变形的观点来探讨变形和强度特性的。在周期荷载作用下,不可逆变形的总量随着循环次数的增加而增长;但在不同的应力水平下,不可逆变形的发展趋势具有显著的,甚至是质的差异。应力水平很低时,最初几次的循环荷载将导致产生较大的不可逆变形;随着循环次数之增加,其不可逆变形的增长率逐步衰减,最终趋向于一个比较稳定的常值。但是当应力水平达到某一“门槛”值后,情景则迥然不同;循环次数之增加将促使不可逆变形的加速增长,最终导致整个试件的破坏。试验结果表明,这一特征应力值略低于常规三轴试验中的所谓“屈服值”。研究结果表明,每一个加荷-卸荷循环过程中的不可逆变形主要发生在超过这一“门槛”值后的区段内。研究这样的特征值对于探讨周期荷载作用下岩体的力学性质是十分重要的。由试验获得的不可逆变形与循环次数的关系曲线在形态上与流变曲线十分相似。     

主应力轴旋转对地铁荷载作用下 软黏土累积变形的影响

为了定量评价主应力轴旋转对地铁荷载作用下隧道下卧软黏土累积变形的影响,通过有限元方法并结合实测数据的验证对地铁荷载下地基土的应力路径进行分析;在此基础上,借助空心圆柱仪对这一复杂应力路径进行室内模拟和对比试验研究。结果表明：主应力轴旋转增大了软黏土的累积变形,且最大有效主应力比（有效最大主应力与有效最小主应力之比）越大、或加载频率越高增大更明显。在实际地铁荷载和通常隧道埋深条件下,考虑主应力轴旋转使软黏土的累积变形增加9%～23%（加载频率越高,增加越大）。可用常规循环三轴的累积变形试验结果乘以土体分别在有、无主应力轴旋转下变形的比值,来预估实际地铁荷载下软黏土的累积变形,初步研究得到该比值与土体的最大有效主应力比之间存在幂函数关系。