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。     

材料状态对干砂小应变特性的影响

利用注能虚拟质量(EIVM)共振柱系统进行了干砂小应变特性试验,研究了有效平均正应力、土样密度、剪应变幅值以及荷载往复次数对剪切模量和阻尼比的影响。试验结果表明,剪切模量随有效平均正应力与土样密度的增加而增加,而阻尼比的变化规律则与之相反,并且有效平均正应力对干砂小应变特性的影响程度比土样密度的影响程度大得多;随着剪应变的增加,剪切模量越来越小,而阻尼比越来越大;荷载往复次数对剪切模量基本没有影响,而对阻尼比有较大影响。     

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.     

偶应力对层状岩体结构面边界层效应的影响

在压剪载荷作用下,层状岩体结构面附近的剪切变形梯度非常显著。基于偶应力理论,研究层状岩体结构面边界层效应。利用有限单元方法进行数值计算,并将偶应力理论的计算结果与经典弹性理论的结果进行比较。采用Serendipity单元（S单元）,导出S单元内的插值函数及位移插值公式。利用ANSYS进行前处理,并基于Matlab编制经典理论和偶应力理论相应的计算和后处理程序。结果表明：偶应力对层状岩体结构面剪应变有显著影响,尺度效应明显。相对于经典弹性理论,在偶应力理论中,应变量减小,并在边界层附近出现过渡区;剪应变突变现象得以改善,但剪应力不再连续。特征长度影响过渡区域的大小,但第二剪切模量、泊松比、弹性模量不改变过渡区域的大小。     

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。     

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。     

Evaluation of Shear Modulus and Damping Ratio of Granular Materials Using Discrete Element Approach

In this paper, an attempt has been made to highlight the influence of different parameters such as number of cycles, confining pressure, void ratio, gradation, initial anisotropy and stress path on the dynamic properties of granular materials using Discrete Element Method (DEM). A series of strain controlled cyclic triaxial numerical simulations using three dimensional DEM have been carried out on an assembly of spheres. Dynamic properties such shear modulus (G) and damping ratio (D) were determined from the typical hysteresis loop obtained during cyclic triaxial test simulation. It has been observed from the test results that the numerical simulation using DEM has captured the variation of dynamic properties over a wide range of shear strain values for different parameters considered for the current investigation. Maximum shear modulus (G _max) was found to be influenced by initial confining pressure, void ratio, gradation and initial anisotropy. Whereas, the damping ratio (D) was found to be influenced by number of cycles, initial confining pressure, gradation and stress path. Further it has been shown that the variation of shear modulus with shear strain can be divided into three distinct zones such as Isotropic Zone (IZ), Anisotropic Zone (AZ) and Stable Anisotropic Zone (SAZ). A drastic reduction of shear modulus with shear strain has been observed in the Anisotropic Zone (AZ). In addition, the results obtained using numerical simulations have been compared with the laboratory experimental values.     

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。     

强风化花岗岩动力学参数的试验研究

地震反应分析通常采用等效非线性模型,动剪切模量G和阻尼比λ是该模型的两个重要参数。为研究目前在大型工程建设中遇到越来越多的强风化花岗岩的动力特性,利用固定-自由型共振柱（GDS RCA）对强风化花岗岩的剪切模量和阻尼比进行试验研究。GDS RCA为一种国际上广泛应用的共振柱,具有良好的性能,利用其控制试样的固结围压和孔隙水压力,可以测得试样在不同有效应力状况下的动剪切模量和阻尼比。对比研究不同有效应力下共振频率、动剪切模量和阻尼比随剪应变的变化情况,给出其变化曲线。按照Hadin-Drnevich[1]所提出的双曲线模型,拟合动剪切模量比和阻尼比随剪应变的变化曲线。利用摩擦理论,对试样阻尼的产生机制进行探讨。试验结果表明,随着剪应变的增加,试样系统的共振频率随之减小,试样阻尼比随之增大;试样的动剪切模量和阻尼比皆与试样固结时的有效应力有关,而试样阻尼比也受孔隙水压力的影响。     

冻融循环对粉砂土动力特性影响的试验研究

借助GDS动三轴试验研究了不同负温下经历多次冻融循环后粉砂土的动应力、动模量、动模量比和阻尼比等动力参数的变化规律。试验发现，相同动应变下，冻融循环与动应力和动模量呈负相关性，而与动模量比和阻尼比呈正相关性，随着冻融次数增加，动应力和动模量都减小，动模量比和阻尼比都增大，通过回归分析分别给出了动模量比与动应变关系曲线和阻尼比与动应变关系曲线的归一化拟合模型。冻融循环对初始动模量和最大阻尼比影响显著。随着冻融次数增加，初始动模量减小，而最大阻尼比增大。分别对不同负温下冻融次数对初始动模量和最大阻尼比的影响进行了回归分析，提出了冻融次数修正系数的计算公式。结果表明，温度越低冻融循环对粉砂土动力特性影响越明显，经历5次冻融循环后的动力参数相对稳定，建议将5次冻融循环后的动力参数作为基本参数进行动力反应分析计算。     

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。     

循环荷载作用下高温-高含冰量冻土特性试验研究

为了研究高温-高含冰量冻土这种极不稳定土体的动力学特性,开展了固结围压为0.3、0.5、1.0、3.0、5.0 MPa,控制温度为-0.5、-1.0、-2.0、-4.0 ℃、初始含水率为50%的高含冰量青藏线重塑冻土的动三轴试验。根据试验结果,提出了用广义的双曲线模型来描述动应力-应变关系,并且给出了模型参数预报关系式;基于动弹性模量和轴向应变之间的非线性关系,提出?3 =0.5 MPa为临界围压。当围压大于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变的增大呈减小的趋势;当围压小于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变先增大后又减小;此外,动阻尼比随应变幅值和围压的增大而增大,随着温度的降低,动阻尼比变小。     

尾矿料的动力特性试验研究

通过对某铜矿的尾矿料进行动三轴和共振柱试验,研究了尾矿材料动力变形特性,提出了简单实用的孔隙水压力模型,给出了能更加准确地预测尾矿材料的动孔隙水压力的公式,并将其与Seed提出的预测公式进行了比较。在不同密度尾矿料的动三轴试验基础上,分析了相对密度对液化特性的影响,得出了相对密度小于70 %时抗液化强度随相对密度的增加而明显增加的结论。在不同围压下进行动三轴试验,结果表明：在相同的液化振次条件下,围压越高,动剪应力比越低。由共振柱试验可知,尾矿料的阻尼比随着动剪应变幅的增大而增大,而动剪模量随动剪应变幅的增大而减小,动剪模量和阻尼比与动剪应变幅的关系受围压影响不太敏感。     

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。     

海洋沉积土动剪切模量与阻尼比的试验研究

动剪切模量和阻尼比是工程场地地震安全性评价及地基动力反应分析的重要动力学参数。为评价某海域海洋土的动力学特性,对10.3～84.2 m深度范围内的海底淤泥质粉质黏土、粉砂及细砂开展共振柱试验。利用双对数模型建立了最大动剪切模量随上覆压力的递增关系。研究发现,现有规范的剪切模量比与阻尼比的推荐取值并不适用于海洋沉积土,即使考虑借鉴以往研究成果也必须将其限制在一定的应变范围,并应考虑土体的天然应力状态取值。利用马丁-达维登科夫（Martin- Davidenkov）模型及阻尼比与剪应变的经验关系建立了剪切模量比和阻尼比随剪应变的变化规律,并由此提出了适用于海洋沉积土的5×10-6～10-3应变范围内剪切模量比及阻尼比的推荐值。研究成果可为海洋工程场地的设计、施工及抗震分析提供技术参考依据。     

水平-竖向加筋饱和砂土动弹性模量试验研究

利用美国GCTS公司研制的USTX-2000全自动非饱和土/饱和土动三轴仪,在不同围压下对以有机玻璃作加筋材料的H-V加筋饱和砂土进行了一系列循环荷载下动三轴试验,研究了H-V加筋饱和砂动弹性模量及阻尼比随围压、动应变、竖筋高度的变化规律,从而得到最大动弹性模量与围压的关系。试验表明,纯砂和加筋砂的动弹性模量都随动弹性应变幅的增大而减小,随围压的增大而增大,且H-V加筋砂较纯砂和水平加筋砂有效地增大了动弹性模量,并随着竖筋高度增加而增大;纯砂和加筋砂的最大动弹性模量随着围压的增大而增大,且H-V加筋随竖筋高度增加而增大;纯砂和加筋砂的阻尼比随动弹性应变幅的增大而增大,纯砂和H-V加筋砂的阻尼比随围压的变化不够显著,但有减小的趋势,H-V加筋砂阻尼比随竖筋高度的变化不明显,但加筋砂比纯砂有效地减小了阻尼比。     

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。     

吸力历史对非饱和粉土动力变形特性的影响

以非饱和粉土为研究对象,利用吸力可控的动三轴仪对其进行动力变形试验,得到了在不同净围压和不同吸力路径下非饱和粉土试样的骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,研究了先脱湿后吸湿的吸力历史对其动力变形特性的影响。结果表明,在同一净围压和吸力下,非饱和粉土试样经历过先脱湿后吸湿的骨架曲线和动弹性模量比仅经过脱湿的要高,而试样经历过先脱湿后吸湿的阻尼比比仅经过脱湿的要小;此外,随着非饱和粉土试样经历过最大吸力的增大,其骨架曲线和动弹性模量增大,而阻尼比减小。试验结果可用非饱和土的平均骨架应力和弯液面水的表面张力作用来解释,并用两项联合预测非饱和土试样的最大剪切模量。     

基于统计本构关系的岩体弹性模量特征及影响因素分析

结构面是影响岩体弹性模量的主要因素。基于岩体结构面参数统计,结合岩体应变能推导出的节理岩体本构关系,能够真实地反映岩体弹性模量的弱化和各向异性。在此基础上,以吉图珲铁路隧道围岩为例,研究了岩体弹性模量特征及影响因素。结果表明,该岩体弹性模量的弱化和各向异性程度随应力轴线与结构面法线的夹角而变化,并在夹角值为54.5°时达到最大;同时,岩体弹性模量的弱化与结构面内摩擦角和黏聚力成反相关,与结构面平均半径和密度呈正相关。当结构面半径超过3 m时,岩体弹性模量弱化趋于稳定。应力环境对弹性模量同样有影响,围压的增大,可使岩体弹性模量增大,同时减小了其各向异性和弱化的程度。当围压达到2.32 MPa时,各向异性及弱化现象消失。     

水泥土-粉土复合试样动弹模量的试验研究

通过水泥土-粉土复合试样的动三轴试验,研究了动荷载作用下围压、置换率及初始干密度对复合试样动弹模量 的影响。结果表明：经过置换后,复合试样的动弹模量得到提高;动应力-应变关系曲线符合双曲线模型;动弹模量和应变相关曲线与纯粉土的有关曲线形状相似;水泥土-粉土复合试样的动弹模量随应变水平的增长而降低;在相同的动应变水平下,随围压、置换率及初始干密度的增大而增大;在围压较小时,置换率、围压和干密度对动弹模量的影响更显著;复合试样的最大动弹模也随围压、置换率、初始干密度的增大而增大;归一化后的 曲线分布在一个相对狭窄的范围内。