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。     

考虑超固结比和应力速率影响的膨胀土卸荷力学特性研究

利用GDS应力路径三轴试验系统对南阳膨胀土进行3种应力速率下、4种超固结比（OCR）的被动压缩三轴试验及3种超固结比的被动挤伸三轴试验,分析了不同超固结比和应力速率下其应力（孔隙水压力）-应变关系、有效应力路径及变形模量的演化规律,对膨胀土变形模量各向异性特性进行了初步探讨。结果表明,应力速率、超固结比及卸荷路径均对膨胀土力学特性有一定影响。在被动压缩路径和被动挤伸路径下,随着应力速率和超固结比的增加,相同轴向应变时的偏应力值单调增加;不同超固结比和应力速率时膨胀土的孔隙水压力始终为负值,且其降幅总体上随超固结比的增加而增大,但其降幅随应力速率的变化规律与剪切路径有关。在被动压缩路径下,相同应变时不同应力速率下的孔压降幅基本相同;而在被动挤伸路径下,其降幅随应力速率的增加而增大。边坡开挖路径的选择对于边坡变形影响显著,被动挤伸路径下达到设定极限偏应力时的轴向应变明显大于被动压缩路径。膨胀土变形模量E100随着超固结比和应力速率的增加而增加,但各应力速率下变形模量的各向异性特性则随着超固结比的增加而变弱。     

循环荷载下水泥土桩复合体动力参数试验研究

水泥土桩被广泛应用于软土路基加固工程中。然而,人们对水泥桩与桩间土形成的加固体的动力特性尚缺乏认识,无法合理评价水泥土桩复合地基的长期性能。基于此,本文开展水泥土桩复合体大型动三轴试验,研究围压、静偏应力、置换率及分级加卸载路径对其动力参数的影响,并分析了动力参数的波动性。试验结果表明:随着静偏应力增加,复合单元体的动弹模量减小,阻尼比增大,临界动应力比减小。随着置换率增加,动弹模量略有增加,阻尼比略有减小。逐级卸载造成复合单元体的动力参数劣化。阻尼比具有较强的波动性,复合单元体阻尼比的变异系数是动弹模量的2.8～7.0倍。相比于软土,复合体动弹模量提高了2～6倍,静偏应力越大,提高系数越大。     

循环荷载下弱膨胀土累积变形与动强度特性试验研究

弱膨胀土经防水保湿处理后可作为路基填土,而目前对其动力响应特性研究较少。为深入分析合肥地区弱膨胀土动力特性,利用GDS动静态真三轴仪对土体进行循环动荷载试验,研究了不同围压、固结应力比及动应力幅值对土体累积变形及强度特性的影响规律。依据试样在不同围压、固结应力比、动应力幅值下的累积变形,建立了弱膨胀土累积变形预测模型。根据应变速率将弱膨胀土累积应变曲线划分为稳定型、破坏型和临界型,并给出判别标准。分析了不同围压、固结应力比下弱膨胀土动强度变化规律,在固结应力比超过1.5时土体强度明显下降,动黏聚力c_d随循环破坏振次lg N_f增大呈线性减小,动内摩擦角φ_d随循环破坏振次增大略微减小。该试验结果可为相关工程提供基础数据与参考。     

考虑卸荷速率的K_0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K_0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K_0固结膨胀土的初始切线模量E_i与极限偏应力q_(ult)与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K_0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;初始切线模量E_i及极限偏应力q_(ult)随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但初始切线模量随固结应力的增加呈指数增加,而极限偏应力则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K_0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。     

考虑卸荷速率的K_0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K_0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K_0固结膨胀土的初始切线模量E_i与极限偏应力q_(ult)与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K_0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;初始切线模量E_i及极限偏应力q_(ult)随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但初始切线模量随固结应力的增加呈指数增加,而极限偏应力则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K_0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。     

饱和粉土静态液化性能试验研究

通过固结不排水三轴压缩试验,分析了围压、固结比和干密度等因素对饱和粉土静态液化特性的影响。试验结果表明,在干密度较小时,饱和粉土的偏应力-应变曲线呈现明显的硬变软化型,随轴向应变增大超静孔隙水压力增加、有效应力减小而发生静态液化,当干密度达到1.58 g· cm-3时,饱和粉土的偏应力-应变曲线表现出硬变硬化现象,超静孔隙水压力为负值或接近0,饱和粉土不再发生静态液化,即饱和粉土存在静态液化的干密度临界值;其他条件不变,随着围压、固结比或干密度的增大,偏应力峰值和残余强度均增大,静态液化势降低;根据有效应力路径建立了流滑面以作为饱和粉土稳定区与非稳定区的分界面。     

基于邓肯-张模型的结构性软土应力应变关系研究

利用固结试验与三轴压缩试验对天津海积软土结构特性进行了分析,研究表明结构性土随试验条件不同其结构屈服应力也有所不同。应用刚度比与应变的关系描述了结构损伤速率随围压的变化情况,损伤速率在结构屈服之前随围压增大而增大,当围压等于固结结构屈服应力时达到峰值,在结构屈服之后随围压增大逐渐减小。对初始切线模量与偏应力之间的关系进行了分析,结果表明初始切线模量随偏应力变化呈倒抛物线状。最后考虑围压和偏应力的影响,建立了结构性土的修正邓肯-张模型,并基于试验数据对模型进行了验证。     

膨胀土与红黏土石灰改性对比试验研究

为探讨石灰改性膨胀土与红黏土的强度发展规律,以生石灰与消石灰改性的南阳膨胀土与郴州红黏土为研究对象,进行了无侧限抗压、固结快速直剪和固结压缩试验的对比研究。研究发现：在1 a养生龄期内,石灰改性的南阳膨胀土与郴州红黏土无侧限抗压强度与养生龄期的对数基本呈线性关系;按大于最佳含水率3%制样的强度在养生28 d以后高于按最佳含水率制样;生石灰改性效果比消石灰改性效果好,由于矿物成分不同,石灰改性南阳膨胀土的效果比石灰改性郴州红黏土好     

循环荷载下石灰改良膨胀土临界动应力的探讨

为探讨各影响因素对石灰改良膨胀土临界动应力的影响规律与程度,进行了振动三轴试验,获得了不同含水率与振动频率下石灰改良膨胀土的临界动应力。基于本文的试验结果,通过石灰改良膨胀土脆性破坏机理分析和临界动应力的影响因素探讨表明,由于石灰的改性作用,导致改良后膨胀土的塑性降低,表现出脆性性质;质量控制指标（掺灰比和压实系数）是影响石灰改良膨胀土临界动应力的决定性因素;由于改性后动力水稳定性较好,石灰改良膨胀土临界动应力受含水率变化的影响有限;而外部动静荷载形式与程度(振动频率和围压)的影响程度较弱。即在保证掺灰比和压实系数的前提下,石灰改良膨胀土的临界动应力能够维持在一个比较稳定的范围内。     

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。     

交通荷载作用下结构性软土动本构关系的试验研究

基于大量动三轴试验,针对滨海新区结构性软土,研究了其动应力-应变、动模量和阻尼比变化规律,并对振动波型、加荷频率以及固结应力比等影响因素进行了深入的研究,得出了如下的结论：振动波型对于结构性软土的动应力-应变类型影响不大,但是最大动弹模量 和动剪切模量 的相差可达2.5倍左右;结构性软土具有明显的频率效应和门槛振动频率;半正弦波型条件下,当围压小于结构屈服压力时,最大动弹模量 随固结比的增加而递减,超过某一应变幅值时,最大动弹模量 将随着固结比的增加而减小;偏压状态下,低应变条件下固结比越大,阻尼比越大,当应变值超过0.004以后,随应变值的不断增大,固结比越大,阻尼比反而越小。所得出的结论对工程应用具有一定的指导意义。     

饱和场地土动力特性试验研究

在工程实际中认为饱和度超过80 %即为饱和土,但在室内土工试验中制作的土样饱和度达95 %以上,后者经过试验测定,动力参数与前者实际上有一定差异。在50,100,200 kPa三种固结压力下分别对饱和度为95 %,92 %,88 %,83 %的饱和土样进行了循环单剪试验,得到了4种土样在3种固结压力下的最大动剪模量Gdmax和最大阻尼比Dmax,以及动剪模量比G/Gdmax-? 和阻尼比D/Dmax-? 归一化数值,并进行了对比分析。结果表明：在同一固结压力下,土样的Gdmax,Dmax,G/Gdmax随着饱和度增大有相对递减的趋势,而阻尼比D/Dmax数值随着饱和度加大而逐渐增加;随着固结压力的增大,4种土样的Gdmax,Dmax以及G/Gdmax-? (? 为动剪应变)数值上差异逐渐减小。最后对此种现象进行了讨论并分析其产生的原因。     

CAS-1模拟月壤动剪切模量与阻尼比的试验研究

针对中国科学院地球化学研究所与国家天文台合作研制成功的CAS-1模拟月壤（国家标准试样）,利用GDS共振柱试验仪对模拟月壤开展动力学参数的试验研究,分析了不同孔隙比、不同围压对动剪切模量G及剪应变 的影响规律。试验结果表明,在应力水平很低、孔隙比较大的真实月面环境条件下,动剪切模量G较小,阻尼比 较大,且随着动剪应变 的增大,动剪切模量快速减小,阻尼比急剧增大。采用Hardin-Drnevich模型,得到了不同孔隙比、不同围压下归一化动剪模量G/Gmax与归一化阻尼比 / 随 变化的平均拟合曲线,探讨了最大动剪切模量Gmax、最大阻尼比 和参考剪应变 等动参数与应力水平 的相关关系式,并据此给出了月壤钻取采样深度（0～3 m）内Gmax、 和 的值域区间以及各剪应变对应的G/Gmax和 的推荐值。     

上海软土动剪切模量衰减规律的试验研究

为了获得上海软土在循环动力荷载作用下的动力特性,特别是动剪切模量的衰减规律,采用原状第④层上海软土进行等向固结不排水动三轴试验,分析了加载频率和动应力比 对动剪切模量的影响。试验结果表明,对于上海第④层软土,动应力比达到0.2时,土样才发生破坏;土样的剪切模量-累积轴应变曲线不受加载频率和动应力比的影响;剪切模量的衰减下降主要发生在轴应变0～1%区间。最后提出了一个描述剪切模量衰减规律的数学模型。     

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。     

固结比对砂土动剪切模量及地表反应谱的影响

采用共振柱试验方法,研究了固结比对砂土最大动剪切模量以及对动剪切模量比与剪应变非线性关系的影响。通过土层地震反应计算,初步给出了这种影响对地表反应谱作用的估计。对福建标准砂和哈尔滨砂进行了系统试验,提出了计算不同固结比砂土最大动剪切模量的建议公式,公式显示固结比kc>1、最大动剪切模量较kc=1时的增长程度明显比Hardin公式要大。同时,给出了固结比对动剪切模量比与剪应变非线性关系及其对地表反应谱的影响。结果表明,固结比对砂土动剪切模量比与剪应变非线性关系有一定影响。随着固结比增加,模量比非线性关系曲线有一定提高,在强地震动作用下的土层反应分析中应考虑实际固结比的影响。