分级加载下冻土阻尼比的试验研究

利用MTS-810型振动三轴试验机对不同加载频率、围压和温度下冻结黏土和冻结黄土的阻尼比变化规律进行研究。结果表明:不同频率、围压和温度下,对于冻结黏土,随动应变幅的增大,阻尼比呈先减小再缓慢增大的变化趋势;对于冻结黄土,阻尼比随动应变幅的增加先减小再逐渐保持不变。相同动应变幅下,冻结黏土和冻结黄土的阻尼比随加载频率的增加而减小,随围压的增加变化不大,温度为?0.2~?1℃时,阻尼比的变化规律不明显,温度为?2℃时,阻尼比的取值显著小于?0.2~?1℃时的阻尼比取值。当动应力水平较低时,阻尼比受频率的影响程度较大;当动应力水平较高时,阻尼比受温度的影响程度较大;在整个加载过程中,阻尼比受围压的影响程度最小。当动应变幅较小时,频率对冻结黄土的影响程度要大于冻结黏土,随动应力水平的增高,冻结黄土受频率的影响程度逐渐小于冻结黏土。在整个加载过程中,温度对冻结黄土的影响程度大于冻结黏土,而围压对冻结黄土的影响程度小于冻结黏土。     

考虑多因素耦合效应的冻结兰州黄土动力学参数研究

为了探究多因素耦合效应对冻结兰州黄土动力参数的影响,以分布在我国西部季节冻土区的兰州黄土为研究对象,通过动三轴试验研究了不同围压（0.1、0.2、0.3 MPa）、温度（-1、-3、-5℃）、含水率（14%、16%、18%）及加载频率（1、2、4Hz）影响下冻结兰州黄土的动力参数变化特征。基于试验结果,分析了冻结兰州黄土最大动弹性模量、等效黏滞阻尼系数、参考应变幅值在温度、围压、含水率、加载频率等多因素耦合影响下的变化规律。结果表明,温度、含水率、加载频率和围压等耦合因素对冻结兰州黄土动弹性模量、参考应变幅值和等效黏滞阻尼系数的影响程度有差异。可以发现,冻结兰州黄土动弹性模量和参考应变幅值随温度变化的影响最显著,等效黏滞阻尼系数随加载频率变化表现最敏感。基于试验数据,对影响冻结兰州黄土的4种因素进行归一化和无量纲化处理,采用多元回归分析方法提出了冻结兰州黄土动力学参数的预测公式,有助于快速预测冻结兰州黄土在多因素耦合效应影响下的动力学参数变化特征。     

循环荷载作用下正融粉质黏土强度特征与滞回环演化规律

季冻区路基春融过程中,特别是反复循环荷载作用下,极易造成承载能力显著降低、翻浆冒泥等灾害现象,但是目前对季冻区路基的研究大多数都停留在冻结土和经历冻融循环后全融土阶段,正融土的研究比较少。本文对正融粉质黏土进行了不同融化温度、冻结负温、含水率以及围压下的三轴单调加载和循环加卸载试验,研究发现经历循环加卸载的试样强度较单调加载绝大多数均有降低,每次循环会对试样造成一定的损伤;峰值强度随含水率的增大、围压减小而下降显著,主要由于试样顶端融化时存在大量水分和围压的约束作用造成;冻结负温和融化温度影响了融化速率,温度越低,前期强度越高,随时间推移影响减弱;用滞回环回弹模量定义了损伤变量,发现损伤变量与循环次数呈正相关;不同因素影响下,损伤变量的增长区别在于损伤快速发展和缓慢发展时对应循环次数上的差异;基于滞回环面积定义了耗散能,而损伤变量与耗散能却存在一定此消彼长的相关性。     

分级循环荷载作用下冻土动应变幅值的试验研究

通过低温动三轴试验,采用分级加载方式逐级施加动荷载,对不同加载频率、围压和负温条件下青藏冻结黏土和兰州黄土的动应变幅值变化特征进行了试验研究。结果表明,同一级荷载作用下,动应变幅值随振次的增加基本不变,可以采用平均值来反映各级加载下的动应变幅值;不同加载频率、围压和温度条件下,动应变幅值随动应力幅值的变化规律相同,即随着动应力幅值的增加,动应变幅值逐渐增大;动应变幅值随加载频率的增加而减小,但减小的速率逐渐降低,动应变幅值最终趋于一稳定值,对于青藏黏土和兰州黄土,该稳定值均随加载级数的增加而增加;随着围压的增加,青藏黏土的动应变幅值变化不大,而兰州黄土的动应变幅值呈逐渐减小的趋势;动应变幅值随温度的降低而减小。动应力幅值对动应变幅值的影响最大,动荷载振动频率的影响次之,温度的影响第三,围压的影响最小。     

循环荷载作用下泥炭质土的动变形特性试验研究

泥炭质土是一种具有明显区域性的特殊土。通过一系列不同围压、固结比、加载频率等条件下的分级加载动三轴试验,研究了昆明泥炭质土在循环荷载作用下的动变形特性。从动骨干曲线、应力-应变滞回曲线和动弹性模量等方面重点分析了围压、固结比、加载频率对泥炭质土变形特性的影响。试验结果表明:泥炭质土的动应变随动应力幅值非线性增长,且存在某一临界动应力,当动应力幅值达到临界动应力值后,应变急剧增长,土体结构发生破坏;围压对泥炭质土动变形的影响最为显著,固结比次之,加载频率最小;固结比对泥炭质土动变形的影响程度依赖于围压,围压越大,固结比的影响越明显;相同循环振级下,泥炭质土的弹性变形随围压和固结比增大而减小,加载频率愈低,土体的弹性变形愈大;随着循环振次的增加和振级水平的提高,泥炭质土刚度逐渐下降,塑性变形产生并累积增长,围压和固结比越大,加载频率越低,泥炭质土的塑性变形越大。     

分级循环荷载下低温冻结盐渍土动强度特性试验研究

为了探究寒区路基盐渍土在交通荷载作用下的强度破坏机理,采用室内GDS动三轴试验系统,对天然重塑盐渍土进行了不同冻结温度、围压及振动频率下一系列动荷载试验,从破坏动应力、动黏聚力和动内摩擦角方面分析各试验条件对盐渍土的影响机制。结果表明：冻结温度和围压对破坏动强度影响明显,动载频率对破坏动强度影响较弱;随着温度的降低,破坏动应力和动黏聚力明显增大,而动内摩擦角有先增大后减小趋势;随着动荷载频率的增大,破坏动应力和动黏聚力变化不明显,但内摩擦角有减小趋势;围压与破坏应力呈线性相关,温度分别与破坏动应力、动黏聚力呈良好指数关系。     

冻结黏土三轴试验微观变形机理的离散元分析

基于三维颗粒离散单元法,赋予颗粒相应的细观参数,并采用黏结发生在接触颗粒间有限范围内的模型来考虑冻土颗粒中冰的胶结作用,建立了冻结黏土三维离散元数值模型.在相同围压、不同温度和相同温度、不同围压下对冻结黏土的室内三轴试验进行数值模拟,对比了数值试验与室内测试的应力-应变曲线,两者吻合较好.数值模拟结果表明:围压增大会使得接触黏结逐渐失效,在剪切带中胶结冰的破坏区域将增大,而温度的降低则会产生相反结果,这些微观变化都将对冻结黏土的宏观力学变形产生较大影响,同时,细观参数对温度的依赖性也很明显.冻结黏土三轴试验微观变形离散元模拟思路及方法可为今后运用离散单元法研究冻土力学行为提供一定的参考.     

冻结粉土三轴压缩变形破坏与能量特征分析

对不同温度和不同围压下的青藏冻结粉土进行了三轴压缩与加卸载试验,得到冻结粉土应力-应变关系曲线、抗压强度等力学参数随温度与围压变化的关系。结果表明,冻结粉土典型应力-应变曲线在低围压下大致可以分为线弹性、峰前塑性变形与峰后软化3个阶段。当? 3 < 3.0 MPa时,应力-应变曲线具有明显的峰后软化现象,随围压的增大,软化现象逐渐减弱,当? 3 达到14 MPa,应变软化现象重新变得明显;冻结粉土的强度与变形模量均随围压的增加先升后降;低围压作用下冻结粉土体积随轴向应变的增加先缩后胀,而高围压下体积变形只有体缩;低围压下冻结粉土体积塑性变形耗散能先是随着体积塑性变形增大而增大,之后由于剪胀而减少,高围压下体积塑性变形耗散能始终增加;剪切塑性变形耗散能与塑性剪应变之间近似成抛物线的关系。     

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.     

不同频率循环荷载作用下岩石阻尼比试验与变形破坏机制细观分析

通过对取自海南昌江核电厂一期工程主厂区的黑云母花岗岩,在RMT－150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机进行单轴不同频率的循环加卸载试验,研究花岗岩动应变-应力滞回曲线、动弹性模量和阻尼比同循环频率之间的规律,然后对破坏断裂断口进行细观电镜扫描试验,分析了不同频率下花岗岩断口细观形貌与结构特征。结果表明,花岗岩在循环荷载作用下的加卸应力-应变曲线并不重合,而是形成一个封闭的滞回环;当循环频率在0.01～1.0 Hz范围内变化时,随着频率增大,花岗岩滞回环面积、动弹模和阻尼比都增大;通过细观数字图像试验分析发现,循环荷载作用下,随着频率的增大,岩石断口细观裂纹总的数目、面积、分形维数均变大。文中给出不同频率循环荷载作用下岩石破裂的细观损伤力学机制,研究成果对海南昌江核电厂的地震反应分析和场地安全性评价有着重要参考价值。     

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。     

人工冻土围压SHPB试验与冲击压缩特性分析

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）,以铝质套筒作为围压装置,分别研究温度为-8、-12、-16 ℃在不同应变率下的人工冻结黏土围压状态变形特征和轴向动态应力-应变关系。研究结果表明：在围压状态下,冻土呈黏塑性破坏特征;当人工冻结黏土温度为-16 ℃、平均应变率分别为410、457、525、650、827 s-1时,其最大应力分别为10.76、12.18、14.27、20.24、23.34 MPa,最大应变分别为0.081 7、0.097 2、0.105 0、0.131 0和0.166 0,表现出较强应变率效应;-12 ℃和-16 ℃时在应变率为457 s-1下的最大应力分别为8.28 MPa和12.18 MPa;当应变率相同时,温度越低,最大应力越大,冻结黏土表现出较强的温度相关性。人工冻土的动力学特性为冻土开挖方法的研究提供依据。     

高含冰量冻土动强度和残余应变的试验研究

冻土对温度敏感且性质易变, 而高含冰量冻土的性质更是极不稳定, 针对不同温度、 不同围压下50%的高含冰量重塑冻土进行了动三轴试验.结果表明: 动强度随着振次的增大线性减小, 和温度呈二次变化关系, 随着负温的增大而增大, 围压对动强度影响不大;残余轴应变随着振次的增大而增大, 呈幂函数的关系;随负温的增大而变小, 围压对残余应变影响也不大. 根据这些影响因素, 分别给出了高含冰量冻土的动强度和残余应变的计算公式, 这些结果可为该类土的动力特性研究提供参考.     

动荷载作用下冻结兰州黄土的动应变幅变化特征研究

采用分级循环正弦荷载模拟车辆振动, 通过动三轴试验对冻土的动应变幅进行了研究. 结果表明: 对于频率为0.1 Hz的前5级加载和频率≥0.5 Hz的各级加载作用下的动应变幅, 可以采用等价应变幅描述每一级动荷载作用下的动应变幅. 存在一个临界频率(约为7 Hz), 当加载频率小于该临界频率时, 等价应变幅变化复杂; 当加载频率大于该临界频率时, 等价应变幅随加载级数基本保持不变. 当加载频率≥0.5 Hz时,不同加载级数下等价应变幅随加载频率的增大而减小. 围压对等价应变幅影响较小; 当频率≤0.5 Hz时, -0.5 ℃条件下的等价应变幅略大于-1.0 ℃条件下的等价应变幅; 当频率>0.5 Hz时, 不同温度下的等价应变幅近似相等.     

Effects of Frequency on the Dynamic Properties of Intact Rock Samples Subjected to Cyclic Loading under Confining Pressure Conditions

A series of laboratory tests was performed to assess the effects of frequency on the dynamic properties of sandstone samples subjected to cyclic loading in the confining stress state. Three levels of confining pressure (2.0, 10.0, and 40.0 MPa) and three sets of frequencies (0.1, 1.0, and 3.0 Hz) were applied for the axial cyclic loading tests by the MTS-815 Rock and Concrete Test System. The results from the cyclic loading tests indicate that frequency has a strong influence on the dynamic deformation, the dynamic stiffness, and the failure mode at the same confining pressure. With an increase in the frequency, the axial strain and the number of cycles at failure increased at the same confining pressure, the residual volumetric strain increased when dilatancy occurred at the same confining pressure, and the number of cycles at failure increased. A new damage variable D was defined that describes the degradation process of sandstone samples upon dynamic cyclic loading. The larger the frequency, the wider the localized band. Sandstone samples subjected to dynamic cyclic loading responded with a significantly higher initial stiffness. The higher the initial stiffness, the greater the frequency.     

冻土动力学参数研究的成果综述与展望

通过对前人的试验成果进行整理, 得到冻土动力学参数随温度、频率、应变幅、含水量和围压等因素的整体变化规律. 整体上看, 冻土的动弹性模量和动剪切模量随温度的降低而增大、随荷载振动频率的增加而增大、随动应变幅的增加而减小、随含水量的增加先增大后减小、随围压的增加而增大; 冻土的泊松比随温度的降低而增大; 冻土的阻尼比随温度的降低而减小, 随频率、应变幅、含水量、围压的变化规律性不强. 通过对试验条件和数值模拟时的实际工况对比分析, 给出如下建议: 动弹性模量和动剪切模量的预估适合用两段式线性模型, -5℃可以作为两段式的分界点; 列车荷载作用下冻土的动力响应属于小应变幅的振动, 冻土动力学参数应选择波速法的试验结果.     

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。     

循环加载时围压对岩石动力特性的影响

针对砂岩岩样,探讨了在不同围压作用下和轴向循环加载时岩样的动力力学性质,研究围压对砂岩岩样的动力力学性质的影响。采用的试验设备是MTS－815岩石和混凝土试验系统,5组围压分别为10、20、30、40、50 MPa。岩样为汶川地区的干砂岩,轴向荷载施加的频率为1 Hz。结果表明,（1）随着围压的逐渐增加,试样的残余轴向应变和体变逐渐增加,且剪胀发生时的残余体变也逐渐增加;（2）动力荷载作用时岩样在高围压比低围压下的初始刚度和强度高;（3）不同围压作用下,当应力比Rs较大时,岩样在较小的循环次数下发生破坏;（4）试样的破坏模式为剪切破坏,动力荷载作用下试样形成的局部化破坏带更宽。