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。     

路基砾类填料土动力特性影响因素试验分析

动应力-动应变关系作为反映路基填料土动力特性的重要参数,对其进行影响因素试验研究可为路基填料土的工程特性研究提供参考依据。本文借助动三轴试验手段进行砾类土动应力-动应变关系影响因素研究,采用应力控制的加载方式进行加载,分析了试验压力、土样含水率、土样压实度、荷载作用频率和初始静偏应力等5种条件和砾类土动力特性的作用规律,并总结砾类土动应力-动应变关系变化规律。研究结果表明：当动三轴试验的围压为30 kPa、土样压实度为96%、含水率为最佳含水率7.5%时,其动应力-动应变关系曲线接近应力轴,砾类土的动强度大;荷载作用频率为1、2 Hz变化时以及小于10 kPa的初始静偏应力对砾类土的动应力-应变关系影响较小;针对各影响因素下的动应力-动应变关系曲线,对其采用的双曲线模型拟合相关系数均大于0.96,说明该模型能够有效拟合其关系曲线;根据试验模型可知,试验中压力越大,参数a、b值越小,同理,土样的压实度越大,a、b值也越小。     

隧道模型试验中几何比尺相似程度的差异性及影响比较

模型试验研究是探讨土体-结构系统的力学响应机制的重要手段之一。针对西安地铁二号线地铁隧道模型模拟中存在的问题,首先讨论了隧道结构模型试验相似比尺关系,分析了模型试验中相似材料的选用原则和关键问题,然后基于两种不同的几何相似程度,比较讨论了模型几何相似程度对隧道模型和隧道原型结构之间应力与弯矩结果的影响程度,在同等条件下两种不同的几何相似比尺设计的缩尺模型导致隧道原型结构的应力值的差异超过12%,隧道原型结构的弯矩值的差异超过140%。研究结果表明,几何相似程度决定了模型相似比尺设计的合理性,从而成为模型试验能否合理、高精度地反映和模拟原型结构力学响应的关键性制约因素之一。     

土-结爆炸冲击相互作用模爆试验相似设计方法

模爆试验是研究爆炸冲击荷载作用下地基动力性能、土-结爆炸冲击相互作用及埋地防护结构抗爆能力与破坏机理等的重要手段之一。模型相似设计是确保模爆试验能够尽可能真实地反映原型爆炸冲击动力性状的关键之一。以上覆饱和砂土层对浅埋地下圆拱直墙式防护隧道免遭炸弹触地爆炸触发地冲击波破坏的保护效应为研究目的,基于目前广泛应用的Bockinghamπ定理,采用量纲分析方法,并且结合考虑土-结体系非线性爆炸冲击动力响应、土-结接触面爆炸冲击动力响应以及爆炸地冲击波-结构动力相互作用等的相似性,求解土-结爆炸冲击相互作用模爆试验的模型设计相似关系。     

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。     

循环荷载下人工结构性土变形与强度特性试验研究

针对长期动载作用下天然沉积结构性黏土地基强度和刚度循环软化问题,分别以水泥和食糖为模拟粒间胶结和大孔隙的材料,制备了不同胶结强度和初始孔隙比的人工结构性土,开展了人工结构性土与相应重塑土的动三轴试验,分析了土体胶结强度、初始孔隙比、围压和动应力幅值对累积变形和动强度的影响规律。试验结果表明：累积应变-振动次数曲线以临界循环应力为界分为：塑性安定型、临界型和破坏型;临界循环应力随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;土体胶结强度越高,脆性破坏越明显,累积应变曲线转折点对应的应变越小。动强度的应变破坏标准采用转折点应变值更符合土性变化规律;动强度随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;动黏聚力cd随破坏振次增大而降低,而动内摩擦角?d基本不变。试验结果可为软弱土地基动力灾变控制提供有益参考。     

冻融循环作用下冻结掺和土料动力特性研究北大核心CSCD

冻融循环作用是寒区土体力学性质改变的主要影响因素之一。为研究冻融循环作用下寒区冻结掺和土料的动力特性(包括动变形和动强度),以寒区高土石坝砾石掺和土坝料为研究对象,采用低温振动三轴材料试验机,对不同冻融循环次数(0、5、20次)下的冻结掺和土试样进行不同围压和不同动应力幅值比条件下的低温动力循环三轴试验,探讨冻融循环作用对冻结掺和土料的动应力-动应变关系,体变、滞回曲线,轴向累积应变,动回弹模量,残余应变以及动强度的影响。结果表明:随着冻融循环作用的增加,冻结掺和土料的动应力-动应变曲线和体变曲线逐渐稀疏,且试样达到破坏应变的振动次数呈线性减小。通过对不同冻融循环次数下冻结试样的滞回曲线、轴向累积应变、残余变形的研究,发现冻融循环作用使得试样抵抗变形的能力下降。随冻融循环次数的增加,试样的动回弹模量减小,动强度逐渐降低,试样更容易发生破坏。研究结果较好地解释了冻结掺和土料在冻融循环作用下动力变形的机制,可为基于动力变形控制的寒区工程基础设计提供科学参考。     

模型试验的分离相似设计方法——以锚索格构加固边坡模型试验为例

提出了模型试验的分离相似设计方法,以锚索、格构梁加固边坡振动台试验为例进行介绍。将传统量纲分析法中描述振动台试验各个相关参数之间关系的函数关系式定义为1级特征方程。根据边坡、锚索、格构和地震波特性的不同,将1级特征方程进行分离处理,得到分别用于边坡、锚索、格构和地震波相似设计的2级特征方程。根据每个2级特征方程中参数的重要程度不同,将关键设计参数从2级特征方程中分离出来,组成3级特征方程。根据3级、2级和1级特征方程可以分别推导得到针对边坡、锚索、格构梁和地震波各自的关键参数、相关参数和无关参数相似比,选择关键参数相似比作为模型设计的主要依据,并对试验模型进行了相似设计。解决了按照传统量纲分析法要求,模型试验无法同时满足所有参数相似比要求的问题。     

非饱和膨胀土SWCC研究

研究土体吸力与含水量关系,对于非饱和土的变形和强度问题,有重要的应用价值。利用非饱和土三轴仪对膨胀土进行试验研究,比较系统地分析了矿物成分、孔隙结构、土体应力状态、应力历史等因素对土-水特征曲线的影响。尤其土的矿物成分和孔隙结构是主要的影响因素。综合考虑各种因素的影响,通过室内和野外吸力量测,对土-水特征曲线进行拟合、比较,建立了幂函数模型。由土-水特征曲线可知,室内干湿循环土-水特征曲线具有明显的差异性,野外土-水特征曲线的差异性不明显,并与室内浸湿曲线相似。将野外曲线和浸湿曲线结合起来,推算非饱和状态下土的渗透性、抗剪强度等指标,可以较好地解决岩土力学问题。     

土工带加筋碎石土本构关系的三轴试验研究

通过碎石土和加筋碎石土的大型三轴试验,分析了土工带加筋碎石土的变形特性和土工带加筋对碎石土应力-应变关系的影响,采用双曲线函数拟合加筋土体的应力-应变试验曲线,建立了土工带加筋碎石土的非线性模型以克服经典的刚塑体模型不能反映加筋土体在达到破坏荷载前的变形形态的缺点,提出了土工带加筋土体切线模量的计算公式,该模型能正确反映土工带加筋土体的变形特性,在岩土工程方面有一定的实际应用价值.     

Development of synthetic soil mixture for experimental shaking table tests on building frames resting on soft soils

In this study, a synthetic soil mixture has been developed and proposed for experimental soil-structure interaction shaking table tests on building frames with shallow foundations resting on soft soil deposits. The proposed mix provides adequate undrained shear strength to mobilise the required shallow foundation bearing capacity underneath the structural model while meeting both criteria of dynamic similarity between the model and the prototype to model soft soils in shaking table tests. To find the most appropriate mixture, different mixes with different proportions of mix components were examined in the soils laboratory. Performing bender element tests, the shear wave velocity of the soil specimens was acquired at different cure ages and the results were examined and compared. Based on the test results, a synthetic clay mixture consisting of kaolinite clay, bentonite, fly ash, lime and water has been proposed for experimental shaking table tests.     

大型地下洞室群地震模拟振动台试验研究(Ⅱ):试验方案设计

为了解大型地下洞室群在地震过程中的动态响应特征,以大渡河流域的大岗山水电站大型地下洞室群为原型,开展地震模拟振动台物理模型试验研究。作为国内外首次进行此类振动台试验研究,系统介绍整个试验的方案设计。首先,根据本次试验的目的和特性,给出试验基本简化原则,并对模型体系进行相似设计,按照完全相似模型推导出各物理量的动力相似常数、确定模拟范围、模型尺寸和相似材料配比。然后,对试验边界条件进行设计,确定了作为柔性边界的聚苯乙烯泡沫板的材料和几何参数,制作了用于测量围岩内部应力的应变砖传感器,并介绍模型制作、洞室成型与开挖等工艺步骤;最后,确定试验输入波形,并按相似理论要求进行调整,给出模型试验的加载工况。经后期试验数据的分析,证明试验条件简化合理,模型设计与制作成功。一整套模型设计方法与制作工艺,可供今后类似试验作为参考。     

软黏土在循环荷载作用下动力本构模型的研究

针对软黏土在循环荷载作用下的变形特性,即几乎不存在纯弹性变形阶段及应变趋于零时仍存在能量耗散,结合软土地铁车站振动台模型试验中对饱和软黏土进行的动三轴试验,利用边界面模型理论建立了软黏土的黏弹塑性动力本构模型。并进一步利用该模型对自由场振动台试验进行数值模拟计算,计算与试验的结果基本吻合。该本构模型可用于循环荷载作用下软黏土的动力响应分析。     

黄草坪2^#隧道洞口段大型振动台物理模型试验研究

以国道318线黄草坪2^#隧道进洞口为原型开展大型振动台物理模型试验研究。介绍试验模型相似关系、模型材料、模型箱体设计、测试方案和加载制度,对隧道洞口段衬砌结构、洞门建筑以及洞口仰坡的加速度、动土压力、动态位移及动态应变反应规律进行系统分析,对黄草坪2^#隧道洞口段的地震安全性进行评价。     

循环荷载下黏土应变积累积强化模型研究

循环加载历史是影响土的动力特性的一个重要因素。通过对一种原状粉质黏土进行高循环次数单剪试验,研究了黏土体应变随剪应变幅值及循环次数的变化规律,以及由于体应变的累积对黏土动力特性产生的影响。试验结果表明,黏土的体应变随着循环次数的增多和循环剪应变幅值的增大而增大,而土的动力特性则随着体应变的不断累积而出现强化现象,表现为动剪模量增加,阻尼比减小。对累积体应变与动剪模量、阻尼比之间的关系进行了研究,提出了相应的强化关系式。在常用的非线性模型基础上,通过引入动剪模量的强化系数和阻尼比的衰减系数,建立了一种能考虑循环应变历史影响的土动力模型。     

Modulus and damping from shaking table tests of reinforced soil walls

The paper presents rational procedures to estimate normalised shear modulus and damping ratio from measured responses of reinforced soil model walls tested in a 1-g shaking table. Displacement measured at the top of the model walls and input base acceleration time histories are used to produce equivalent hysteretic responses of the model walls. Equivalent hysteretic loops at different strain amplitudes are developed and used to calculate normalised modulus degradation curves and damping ratio for the tested model walls. Model wall responses are also analysed using the single degree of freedom (SDOF) model to determine damping ratio and phase difference, and to verify the validity of SDOF model for application with reinforced soil walls.

Results indicate that the normalised shear modulus significantly decreased at the early stage of the base shaking (i.e. γ_s < 0.03%). For example, about 68% and 80% reductions in shear modulus occurred at γ_s = 0.005% and 0.01% respectively. In addition, a 90% reduction in the normalised shear modulus realised at relatively strong input base acceleration (i.e. for γ_s > 0.03%). Minimum damping ratio of 5% to 10% for both model walls was obtained, increased to 15% to 20% at strain amplitude γ_s = 0.3%, and reached higher values thereafter. Finally, dynamic properties determined from the proposed method are compared with experimental and empirical relationships proposed in literature as well as resonant column test results.     

桩网结构模型试验柔性拱研究

基于E.Buckingham ?定理,应用因次分析方法,对桩网结构模型进行了相似理论推导,求解了模型与原型之间的相似关系,并基于所得的相似关系,结合现场工程实践对桩网结构模型进行了设计与制作。模型试验结果表明,（1）应用因次分析方法推求模型与原型之间的相似关系是可行的;（2）桩网结构柔性拱的沉降波形呈“网兜”状;（3）土工格栅应变随着路基填筑的增高与循环加载次数的增加而增大,土拱形成前格栅应变增大较快,土拱形成后应变增长变得缓慢。     

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。     

刚度可调层状多向剪切模型箱的研制及性能测试

为满足不同场地条件下岩土工程振动台试验的需求,在总结国内外振动台试验土箱经验的基础上,研制了刚度可调的层状多向剪切模型箱。该剪切箱由系列空心环形钢框架堆叠而成,层间由滚珠和螺杆相连,高度可根据试验工况改变,通过调节螺杆的刚度、数量和排列方式等,实现其刚度变化。利用ABAQUS软件分析得出各种组合模型箱的特征频率,验证了箱体刚度可调的特性。运用该模型箱开展了自由场振动台试验,分析了不同高度、距箱侧壁不同距离处观测点的加速度时程及其相应反应谱,并采用2-范数偏差指数对边界效应进行量化。结果表明,新研制的层状剪切箱无明显的边界效应,能较好地实现自由场地在平面内的动力响应。