湘南地区红黏土动态回弹模量试验与预估模型研究

湘南地区广泛分布红黏土,它具有天然含水率高、孔隙比大及结构性强等特点,可用于特殊路基填料。为获得红黏土的动态回弹性能,利用动三轴试验研究了偏应力、围压应力和体应力对红黏土动态回弹模量的影响。结果表明：动态回弹模量随围压和压实度的提高而增大,随偏应力的增大而减小;动态回弹模量受含水率影响较大,并在最佳含水率附近达到最大值。基于试验揭示的动态回弹模量与应力的相关性,采用3种应力相关的典型动态回弹模量预估模型对试验数据进行回归分析,进而遴选出最佳预估模型。误差分析表明,对于湘南地区红黏土,考虑偏应力和围压应力的回弹模量预估模型具有更高的决定系数,能更好地拟合红黏土的动态回弹模量。动态回弹模量试验结果和遴选的预估模型将为湘南地区红黏土路基设计提供试验和理论依据。     

冻融粉质黏土的剪切波速与动态回弹模量及其转换关系

动态回弹模量作为评定路基性能及进行路面设计的重要参数,受土体自身物理力学状态及外部环境的显著影响而复杂多变,亟需一种高效简便的针对性监测方法。以压实粉质黏土为研究对象,开展了不同含水率、压实度和冻融循环次数下粉质黏土动态回弹模量和剪切波速试验,获得了冻融黏土的动态回弹模量、剪切波速及两者之间的转换关系。结果表明：土体动态回弹模量和剪切波速均与其物理状态紧密相关,二者都随含水率和冻融循环的增加而急剧下降,随压实度的增加而有所提升;土体的动态回弹模量还受到应力状况的影响,随围压增大而增大,随循环偏应力增大而减小,应结合实际受力状况选取相应动态回弹模量代表值反映路基的性能;采用三参数复合模型回归确定了冻融粉质黏土动态回弹模量预估模型,并建立了冻融粉质黏土剪切波速预估模型;据此构建了冻融粉质黏土动态回弹模量与剪切波速的转换关系,为实现基于剪切波速确定路基土动态回弹模量提供了理论支持。     

基于基质吸力的粘性路基土动回弹模量预估模型研究

为解决非饱和粘性路基土动回弹模量参数取值问题,采用滤纸法测定土样基质吸力,获取其土水特征曲线,并利用室内重复动三轴测试方法,进行了动态回弹模量测试,并探讨了动回弹模量的影响因素及其规律,进而在考虑含水量与基质吸力之间对应关系的基础上,集成创建了综合反映湿度状况(基质吸力)与应力状况(围压和循环偏应力)影响的粘性路基土新型动态回弹模量预估模型。研究结果表明,土水特征曲线Fredlund&Xing模型能够较好地关联非饱和粘性路基土基质吸力与湿度之间的相关关系;回弹模量测试值随围压、基质吸力和压实度的提高而增大,随循环偏应力和含水量的增大而减小。     

不同含水率下黏土弹性参数的弯曲-伸展元试验研究

用GDS弯曲-伸展元系统对不同含水率的低液限黏土进行波速试验,根据波动理论测得黏土的剪切模量、侧限模量和泊松比,研究不同含水率、不同试验有效围压、不同信号输入频率对试验结果的影响,并对S波(剪切波)与P波(压缩波)的输出波型信号特征进行分析,将不同信号分析方法所测得结果与共振柱结果进行对比。试验结果表明,(1)在低液限黏土中的剪切波速V_s、压缩波速V_p均随输入频率增大而增大,且增幅随频率增加而减小;在黏土材料中S波的近场效应随含水率和激发频率的提高而减弱;(2)剪切模量G_0和侧限模量M_0均随试验围压的增大而提高,G_0随试样含水率的提高而降低;(3)泊松比随含水率的提高而增大,且随着含水率的增大试验围压对泊松比的影响减弱。     

干密度对路基性能的影响研究

通过滤纸法试验,测得3种干密度下的土-水特征曲线,拟合得到3种干密度下的Van Genuchten模型参数,分析干密度对土-水特征曲线及Van Genuchten模型参数的影响。通过室内回弹模量试验,分析压实度和含水率对回弹模量的影响,并建立回弹模量与压实度和含水率之间的关系式。基于水力耦合机制,结合试验结果建立地下水位变化作用下的路基湿度及变形的动态响应模型,计算地下水位从-6 m上升到-3 m后,路基的含水率和回弹模量分布以及路基的变形。计算结果表明,干密度对土-水特征曲线Van Genuchten模型参数产生显著影响,饱和体积含水率随着干密度的增大线性减小,残余体积含水率随着干密度的增大线性增大,参数a与进气值的倒数线性相关,参数n随干密度的增大线性增大;回弹模量随着含水率的增大而减小,随着干密度的增大而增大;地下水位上升导致路基土的含水率显著增加,回弹模量明显下降,引起不可忽视的路基变形;不同填筑压实度下,地下水位变化引起的路基变形差异很明显,控制路基土的压实度是提高路基土性能的有效途径。     

低应力条件下高液限红黏土湿化变形特性研究

针对我国南方地区高液限红黏土低路堤存在工后沉降变形的问题,采用自主设计可测试低应力条件下岩土体湿化变形的试验装置,研究了不同围压、轴压与围压之比和压实度条件下高液限红黏土竖向湿化应变、侧向湿化应变的变化规律,建立了可以考虑围压、轴压与围压之比、压实度影响的高液限红黏土竖向湿化应变峰值预估模型,并对预估模型进行了验证。研究得到的主要结论为：渗流与应力耦合作用下,高液限红黏土侧向湿化应变与竖向变形均先增大、后趋于稳定,高液限红黏土试样在湿化变形稳定后呈现上部大、下部小的特点;高液限红黏土侧向湿化应变开始响应至达到峰值所需时间、侧向湿化应变峰值、竖向变形量峰值与围压、轴压与围压之比呈正相关;高液限红黏土侧向湿化应变峰值、竖向变形量峰值与压实度呈负相关,侧向湿化应变开始响应至达到峰值所需时间与压实度呈正相关;高液限红黏土侧向湿化应变可以分成由增湿引起的侧向湿化应变和由膨胀性矿物吸水引起的侧向湿化应变两部分;不同因素对高液限红黏土竖向湿化应变峰值的影响程度为：压实度>轴压与围压之比>围压;本研究对高液限红黏土低路堤工后沉降变形预测与控制具有重要的工程意义。     

高聚物堆石料回弹特性试验

基于中型三轴仪开展了高聚物堆石料回弹模量试验,分析了高聚物堆石料卸载－再加载的力学特性和回弹模量变化规律。结果表明：围压和应力水平对体积变化规律有明显影响,随着试验围压的增大,试样由初始状态的剪胀逐渐变为剪缩;高围压下,随着应力水平的增大,试样的卸载体缩量呈非线性增大;而围压在100 kPa下,卸载时表现为体胀,不同应力水平下的卸载体缩量相近且较小。平均回弹模量与初始模量的比值大约在3.9～4.2之间,应力水平为0.7条件下对应的回弹模量与平均回弹模量较为接近。高聚物堆石料的回弹模量满足邓肯-张模型关系,数值计算过程中回弹模量系数近似为初始模量系数的4.0～4.2倍。     

压实度和基质吸力对土石混合填料强度变形特性的影响研究

针对土石混合料高填方工程分析计算参数和模型确定难题,采用非饱和土三轴仪进行了控制基质吸力和净围压的36个固结排水剪切试验,定量研究了压实度、基质吸力、配合比对非饱和重塑混合料强度变形特性的影响,建立了非饱和压实土抗剪强度、切线变形模量和切线体积模量修正算法表达式。试验结果表明:破坏应力、黏聚力随吸力的增加基本呈线性增长,吸力变化对有效内摩擦角影响不大;破坏应力与强度参数随压实系数的提高而增大;土石比为4:6的土样破坏应力和强度参数整体略高于2:8的土样,有效黏聚力随粉质黏土含量的增加而增大。配合比和压实系数相同的土样,净围压或吸力越大,试样强度越大,体变逐步由剪缩趋于剪胀;净围压和吸力相同的土样,在相同配合比时,压实系数越高,应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑型转变,低净围压下部分土样趋于应变软化型。修正后的非饱和土非线性增量本构关系符合大面积填方工程实际,可用于高填方地基变形计算和高填方边坡稳定性分析。     

冻融循环作用后饱和黏土的应变速率效应试验研究

为研究不同应变速率加载对融化饱和黏土力学效应的影响,对不同初始压实度的融化饱和黏土进行了不同应变速率和围压下的固结不排水三轴剪切试验,分析了融化饱和黏土的应力-应变关系曲线特征、孔隙水压力、割线模量(E_(50))、峰值强度、残余强度、抗剪强度指标的变化规律。结果表明:随着应变速率的增大,融化饱和黏土峰值强度和残余强度均先增大后减小,随后持续增大;而E_(50)模量则一直增大。应变速率未改变偏应力峰值所对应的应变大小;初始压实度不影响融化饱和黏土峰值强度对应的应变值,且在围压为120 k Pa、应变速率为0.15%/h时初始压实度对融化饱和黏土孔隙水压力发展趋势的影响不大,而当应变速率超过1.5%/h时,初始压实度的影响显著。随着围压增大,融化饱和黏土峰值强度对应的应变值及孔隙水压力明显增大。应变速率小于15%/h时,内摩擦角随着应变速率增大而减小,应变速率大于15%/h时,内摩擦角则随着应变速率增大而增大;黏聚力随着应变速率的增大持续增大。其研究结果对加深融土应变速率效应的理解具有一定的理论意义。     

考虑吸力效应的非饱和黏土回弹模量预估模型

回弹模量是反映路基弹性支撑能力的重要指标,并受运营期间基质吸力变化的显著影响。通过3种压实黏土试样的土-水特征曲线试验和重复动三轴试验,研究了回弹模量与基质吸力的相关性,并基于非饱和土有效应力原理,提出了考虑吸力效应的回弹模量预估模型。结果表明：基质吸力与回弹模量之间具有较强的非线性相关性,可采用指数形式进行两者的拟合;含水率由最佳含水率-4%提升至最佳含水率+4%时,受基质吸力减小的影响,回弹模量降幅达到29.1%～39.0%;在 土-水特征曲线过渡区,采用以饱和度表征的有效应力参数,可较好地反映基质吸力对于回弹模量的贡献,预估效果优于采用残余含水率或进气值相关的有效应力参数;在相同饱和度的情况下,黏粒含量越多、塑性指数越高,基质吸力对有效应力的贡献比例越小。     

提速条件下粉土铁路路基动态稳定性研究

路基的动态响应及稳定直接决定了提速列车运行的舒适度和安全性。通过室内循环三轴试验,模拟了路基在湿度变化与提速列车动荷载作用下的动态特性。根据试验结果,结合既有线提速路基的动应力变化规律发现：在最优含水率附近,当压实系数为0.90,提速情况下路基可保持稳定状态;若压实系数为0.85,在动应力不超过70 kPa时,路基稳定性较好,但随着动应力水平增加和加载频率增大,路基的累积变形加剧并产生动强度破坏。列车提速使路基的弹性变形增大,但对路基的回弹模量影响较小。路基湿度增加导致临界动应力、回弹模量显著降低,而回弹应变、循环累积应变迅速增加,有可能导致路基产生动强度破坏,因此,雨季时应限速行车。     

Effects of water and fines contents on the resilient modulus of the interlayer soil of railway substructure

This paper deals with the resilient behavior of the interlayer soil which is created mainly by the interpenetration of ballast and subgrade soils. The interlayer soil studied was taken from a site in the southeast of France. Large-scale cyclic triaxial tests were carried out at three water contents (w = 4, 6 and 12 %) and three fines contents corresponding to 5, 10 % subgrade added to the natural interlayer soil and 10 % fine particles (<80 μm) removed from the natural interlayer soil. Soil specimens underwent various deviator stresses, and for each deviator stress, a large number of cycles was applied. The effects of deviator stress, number of cycles, water content and fines content on the resilient modulus (M _r) were analyzed. It appears that the effects of water content and fines content must be analyzed together because the two effects are closely linked. Under unsaturated conditions, the soil containing high fines content has higher resilient modulus due to the contribution of suction. When the soil approaches the saturated state, it loses its mechanical enhancement with a sharp decrease in resilient modulus.     

Small-Strain Shear Modulus of Cement-Admixed Kaolinite

An experimental study is conducted to measure small-strain shear modulus of clay-cement mixture using bender element apparatus setup in a triaxial cell. Bender element tests were conducted on cement-treated soils and the results were analyzed to study the variation of shear modulus properties of soil specimens at different cement contents, confining pressures, curing times, and compaction moisture contents. Based on the obtained results increasing the cement ratio has a significant effect on the small-strain shear modulus of the treated soils, and this effect signifies with increasing the moisture content and curing time. Rates of shear modulus enhancements due to cement content, curing time, and compaction moisture content are quantified and presented. In this study, a clay–cement–water ratio formulation is proposed that enables one to calculate cement and water contents required to obtain specific small-strain shear modulus.     

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。     

Effect of Matric Suction on Resilient Modulus of Compacted Aggregate Base Courses

This research was conducted to investigate the effect of matric suction on resilient modulus of unbound aggregate base courses. The study characterized the water characteristic curves and resilient modulus versus matric suction relationships of aggregate base courses that were compacted at different water contents and between 98 and 103 % of the modified Proctor density. The soil–water characteristic curve (SWCC) and the relationship between resilient modulus (M _r ) and matric suction (ψ) were established for different unbound granular and recycled asphalt pavement materials. This relationship is important for predicting changes in modulus due to changes in moisture of unbound pavement materials. Resilient modulus tests were conducted according to the National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) 1-28A procedure at varying water contents, and the measured SWCC was used to determine the corresponding matric suction. Three reference summary resilient moduli (SRM) were considered: at optimum water content, optimum water content +2 % and optimum water content ?2 %. The Bandia and Bargny limestones are characterized by a higher water-holding capacity which explains why the modulus of limestone was more sensitive to water content than for basalt or quartzite. Limestones tend to be more sensitive to changes in water content and thus to matric suction. The shape of the SWCC depends on the particle size distribution and the cementation properties from dehydration of the aggregates. Material properties required as input to the Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (M-EPDG) to predict changes in resilient modulus in response to changes in moisture contents in the field were determined for implementation in the M-EPDG process. Results show that the SRM was more correlated with matric suction than with compaction water content (for resilient modulus testing). The empirical models commonly used to predict the SWCC such as the Perera et al. (Prediction of the SWCC based on grain-size-distribution and index properties. GSP 130 Advances in Pavement Engineering, ASCE, 2005) and the M-EPDG (NCHRP in Guide for mechanistic-empirical design of pavement structures. National cooperative highway research program. ARA, Inc., ERES Consultants Division, Champaign, IL, 2004) models tend to underestimate the SWCC and cannot provide reasonable estimation. SRM normalized with respect to the SRM at the optimum water content varied linearly with the logarithm of matric suction. Empirical relationships between SRM and matric suction on semi-logarithmic scale were established and are reported.     

分级循环荷载下岩石动力学行为试验研究

利用WDT-1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了分级循环荷载试验,研究了岩石的动弹性模量对应力幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和耗散能随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律。试验结果表明,分级循环荷载下岩石的能量耗散越多,动弹性模量越小;应力水平越高,动弹性模量和耗散能越大;含水率和应力幅值越大,动弹性模量越小,耗散能越大。讨论了邓肯-张模型能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,构建了动弹性模量随应力水平、应力幅值及含水率变化的演化模型,探讨了模型参数的确定方法。根据能量耗散的经验法则,建立了耗散能演化模型,结果表明,该模型能够描述分级循环荷载过程中能量耗散行为。     

分级循环动荷载下水泥土动力特性试验研究

随着车辆载重的变化,其荷载幅值也会随之变化。然而,已有的研究大多关注恒定动荷载下水泥土动力特性,对分级循环荷载作用下水泥土的动态特性研究较少。利用GDS动三轴仪,开展一系列水泥土动三轴试验,探讨分级荷载条件下静偏应力和围压等因素对水泥土动力特性的影响。试验结果表明:水泥土的轴向塑性应变随着围压和静偏应力比的增加而增加。水泥土轴向应变在0.1%～0.5%范围,其应变发展属于稳定型,分级加卸载对应变发展过程影响较大,对最终应变影响较小。建立了考虑水泥土加卸载条件、围压和静偏应力比的塑性应变的经验模型,分级卸载的相关系数大于0.95,而分级加载的相关系数在0.8～0.9之间。分级卸载时,第一级荷载对应变发展起主导作用,而分级加载时,最大动应力比无法主导前几级荷载较小时的应变发展。在分级加卸载条件下,水泥土的骨干曲线表现为2种模式:上升型和下降型,可将其简化为多段直线,利用建立的累积塑性应变计算方法,提出了确定多段直线分界点的方法,并验证了其可行性。     

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。