冻融循环作用下黄泛区饱和含盐粉土动力性能及细观损伤演化规律

山东省黄泛区地处季节性冻土区，当地大量采用含盐粉土修筑公路路基，冻融循环作用后路基土动力性能受损，在车辆荷载作用下会发生路基翻浆病害。为研究冻融作用、盐分含量对饱和路基粉土动力性能及细观结构特征的影响，针对不同含盐量粉土开展有侧限封闭冻融试验，采用振动三轴试验测试多次冻融作用后解冻状态土样的骨架曲线、动模量和动阻尼比，同时采用核磁共振技术测试经历多次冻融循环后解冻状态饱和土样的横向驰豫时间T₂谱曲线。研究结果表明：冻融作用后动应力幅值与动应变幅值之间符合修正的Hardin-Drnevich模型，当冻融6次后骨架曲线趋于稳定；初始动模量损伤度随冻融循环次数呈双曲线型增大，氯化盐含量小于12%时，随含盐量增加初始动模量损伤度呈线性增大；阻尼比随动应变幅值增大增加明显，随盐分含量、冻融次数增加而增大；随冻融次数增多，T₂谱曲线主峰信号强度幅值减小，同时会产生横向驰豫时间长的波峰；T₂级配曲线趋于连续光滑，形态趋于相似，不均匀系数和曲率系数趋于稳定；无盐粉土T₂级配曲线的不均匀系数逐渐减小，并约稳定于5.6，曲率系数先减小后增大，并约稳定于0.986；当经历冻融6次后，随含盐量增加，T₂级配曲线不均匀系数先增大后减小，曲率系数先减小后增大。     

基于砾钢渣+橡胶颗粒的新型填料动剪切模量与阻尼比特性试验

为了解决固体废弃物循环利用问题，提出将废旧轮胎橡胶颗粒掺入废弃钢渣中形成新型土工填料。为了了解该新型填料的动力特性，采用共振柱试验对基于钢渣+橡胶颗粒的新型土工填料的动剪切模量和阻尼比特性开展研究。首先分析围压与橡胶颗粒含量对新型填料动剪切模量和阻尼比的影响，试验结果表明：动剪切模量和阻尼比与剪应变的关系类似传统土类，动剪切模量随着剪应变的增大而减小，阻尼比则随着剪应变的增加而增大，变化曲线趋势基本一致；新型填料的动剪切模量随着钢渣含量的减少和橡胶颗粒含量的增加而逐渐减小，橡胶颗粒含量达到20%时，动剪切模量与剪应变的关系曲线低缓显著，新型填料中橡胶颗粒不宜掺入太多。然后，基于Hardin-drnevich双曲线模型建立新型填料的动力特性理论模型，Hardin-drnevich双曲线模型能够较好地模拟新型填料动剪切模量归一化的数据，并对新型填料参考剪应变随橡胶含量的变化趋势进行了预测。最后，将新型填料的最大动剪切模量与纯钢渣、南京砂和福建标准砂的最大动剪切模量进行比较。分析结果表明：新型填料的橡胶颗粒含量不宜超出15%，这种新型填料动剪切模量适中，阻尼比较大，具有较好的抗震减震能力，能够替代砂土成为一种回填材料。     

粗颗粒含量对川西地区混合土压缩特性的影响

为解决川西地区混合土路基压缩变形问题，为该地区高速公路、铁路建设提供理论分析基础，针对该地区路基常用混合土，考虑粗颗粒含量影响，进行天然混合土大型压缩试验研究。选取川西地区3组典型天然混合土土样，对其分别采用筛分法剔除20，10，5 mm粒径颗粒，制备粗颗粒含量不同的天然混合土土样，进行粗粒土压缩试验研究。通过对比不同粗颗粒含量的土样在相同试验条件下的孔隙比及压缩模量的不同变化情况，分析川西地区混合土压缩特性受粗颗粒含量的影响规律及其影响机理，确定粗颗粒含量对川西地区混合土压缩特性的影响过渡区间。结果表明：大于5 mm粗颗粒含量对川西地区混合土压缩特性有显著影响，同种混合土中大于5 mm的粗颗粒含量越高，在相同竖向荷载下的单位沉降量越小，孔隙比变化越小，压缩模量越大；大于5 mm粗颗粒含量对川西地区混合土压缩特性的影响过渡区间为30%~45%，土体压缩时，混合土中大于5 mm粗颗粒含量小于30%时，细颗粒起主要承担作用，土体可压缩性高，此时粗颗粒含量的增加，对于混合土的压缩特性影响不大；当粗颗粒含量超过30%时，粗、细颗粒共同作用，粗颗粒骨架逐渐形成，粗颗粒对混合土压缩特性的影响开始逐渐起作用；当大于5 mm粗颗粒含量大于45%时，粗颗粒的骨架作用起主要作用，土体可压缩性显著降低；土体中的矿物成分对压缩特性也产生影响，高岭石含量高的土样，强度较高，但压缩性较低。     

察尔汗盐湖地区过盐渍土动剪切模量与阻尼比试验研究

针对交通循环荷载作用下过盐渍土动剪切模量和阻尼比的研究尚显不足的情况,基于GDS双向动态三轴伺服系统,对察尔汗盐湖地区过盐渍土动剪切模量和阻尼比的影响因素进行研究。研究结果表明:(1)动剪切模量随着动应变的增加而减小,加载初期减小速率较快,后期减小速率逐渐趋于平稳;(2)动剪切模量随着围压、冻融循环次数、振动频率的增加而增加,且增大幅值随动应变的增大逐渐减小;(3)阻尼比随着动应变的增加而减小,减小速度先快后慢,在动应变较小时曲线较陡,而超过某一动应变后,曲线逐渐平缓;(4)在较小动应变时,围压、振动频率对过盐渍土阻尼比的影响并不显著,在较大动应变作用下阻尼比随着围压和振动频率的增加而逐渐减小,但随冻融循环次数变化的规律不明显。     

倾斜坡顶黄土边坡垂直裂隙深度计算方法

垂直裂隙在黄土层中发育极为普遍，为研究黄土边坡坡顶垂直裂隙深度的问题，改进传统裂隙法中存在的缺陷，分别建立单裂隙与多裂隙滑动模型，并结合边坡滑动后垂直裂隙后壁形成的垂直张拉段土体自稳特点，采用极限平衡法对2种滑动模型进行受力分析，建立边坡极限状态方程；并进一步利用最优值法对方程进行求解，推导出黄土边坡倾斜坡顶垂直裂隙极限深度的计算公式。根据编写的计算程序，探究裂隙深度随不同影响因素的变化规律，并根据极限分析上限法及实际工程算例对公式进行验证分析。结果表明：单裂隙情况下垂直裂隙极限深度是传统裂隙法中深度的2倍，且该深度大小与坡顶倾角β取值无关；多裂隙情况下垂直裂隙极限深度的计算公式较为复杂，其大小与土体重度γ、黏聚力c、内摩擦角φ、坡顶倾角β以及地质调查参数L₂的取值有关；裂隙深度影响系数k_K随β增大而减小，随γL₂/c和φ增大而增大；滑动面倾角α随β和φ的增大而增大，随γL₂/c增大而减小，但β对k_K和α影响较小。采用极限分析上限法推导出的单裂隙和多裂隙模型中裂隙深度计算公式，与极限平衡法结果一致；其次对黄延高速公路沿线实际边坡垂直裂隙深度进行理论计算，计算结果与现场实测结果相对误差为3.76%，表明该计算公式的可靠性。     

加筋土的动三轴试验研究

以普通窗纱模拟土工合成材料,在大量动三轴试验的基础上,研究了加筋土的动力特性.试验表明:动应变水平影响动模量阻尼比成倍增减;围压对动模量的影响较大,动模量随围压增大而增大,但阻尼比随着固结围压增大而略有减小.     

公路路基软岩质粗颗粒填料级配及力学性能研究

依托安徽枞阳长江北岸公路工程,开展天然软岩质粗粒土的级配组成分析和不同级配组成的压实土样室内模型动力加载试验,通过监测动态回弹模量变化来探究软岩质粗颗粒填料的力学性质。结果表明:软岩质粗颗粒填料力学性质的主要影响因素是颗粒的级配;对于软岩质粗颗粒填料,结构强度主要取决于其内粗颗粒特别是粗砾组颗粒（20～60 mm）构成的起决定作用的骨架强度,而填充于骨架空隙内的细颗粒对填料结构强度影响次之;软岩质粗颗粒填料在其最佳含水率和最佳P₅及以上粗颗粒含量（60 %～70 %）附近呈现出最高的动态回弹模量,此时填料的级配状况最好,易形成骨架密实型结构,可表现出最好的力学特性。     

透水性级配碎石基层填料永久变形特性及预估模型

透水性级配碎石基层填料因其大而连通的孔隙可有效增强道路系统的排水和生态功能,对“海绵城市”建设意义重大,但其在交通荷载重复作用下的变形稳定性仍有待深入研究。针对由颗粒堆积理论提出的石砂比(G/S)指标所设计的5种不同的透水性级配碎石填料试样，开展了室内动-静三轴试验,研究了级配和应力状态对填料抗剪强度和累积塑性(永久)应变特性的影响,相应地提出了基于级配和剪应力比的力学-经验法预估模型,验证了模型的准确性。研究结果表明：相同G/S值的填料试样在同一围压水平下的轴向累积塑性应变随剪应力比的增大而增大,在同一剪应力比水平下的轴向累积塑性应变随围压的增大而增大；G/S=1.6~1.8的级配碎石填料抗剪强度和抗永久变形性能均最佳,预估模型对于不同G/S值、剪应力比和围压水平下透水性级配碎石填料轴向累积塑性应变的预测具有较高的准确性。     

砂性地层盾构隧道壁后注浆浆液扩散室内试验

为了探明盾构隧道壁后注浆浆液扩散机理,基于对壁后注浆过程的分析,设计由试验模型箱、注浆系统、浆液配制系统、测试及数据处理系统组成的模型试验系统,试验前首先对水泥浆液的特性进行测试,然后通过该模型试验系统分别对3种不同级配的砂样地层（对应不同分维数）进行牛顿流体、宾汉姆流体、幂律流体的壁后注浆室内试验。根据试验结果分析注浆过程中浆液流速、土体密度及含水率的变化规律,并结合理论计算分析浆液的充填率λ,超挖系数和浆液压缩系数λ₁+λ₂,浆液损耗系数λ₃,浆液在土体中的渗透系数及压密系数m的变化规律。结果表明：盾构隧道壁后注浆过程中,水灰比大小对浆液的流速、渗透扩散时间影响较大,砂样分维数对地层可注入时间的影响较为明显;浆液的充填率λ与水灰比大小有关,浆液损耗系数λ₃ 与水灰比呈正相关关系,不同砂样的超挖系数和浆液压缩系数λ₁+λ₂ 的数值变化不大;浆液在砂样中的渗透系数及压密系数m与砂样的分维数呈负相关关系;3种不同的流体注浆结束后,管片周围土体的密度与土体所处的深度成反比,随着深度的增加,土体密度的变化率减小且纵向上的离散性降低;周围土体的含水率与土体所处的深度成正比,随着深度的变化,含水率的变化率亦减小且在纵向分布上趋于某一确定值。     

废旧橡胶轮胎颗粒-水泥改性强膨胀土的长期路用性能研究

为研究废旧橡胶轮胎(WRT)颗粒联合水泥改性强膨胀土作为路基填料的长期力学性能，采用不同掺量(3%、6%)的WRT颗粒联合水泥(3%),对广西宁明强膨胀土进行改性处理。对改性前后的试样开展扫描电镜(SEM)、核磁共振(NMR)等微观试验，对经历干湿循环作用后的改性膨胀土试样开展动、静三轴等宏观试验，测定其动回弹模量M_R及固结不排水抗剪强度，着重研究了干湿循环次数和WRT颗粒掺量对改性后强膨胀土路用力学特性的影响。结果表明：(1)改性膨胀土由于水泥的水化反应产生颗粒团聚作用，加之WRT颗粒的掺入，使其大孔隙增加，结构密实度降低；(2)WRT颗粒掺量一定时，随着干湿循环次数的增加，改性膨胀土的动回弹模量M_R表现出先增大后大幅减小的特点，其剪切破坏形态由塑性破坏向脆性破坏转变，应力～应变曲线由应变硬化型逐渐转化为应变软化型，抗剪强度有所增大；(3)M_R随着WRT颗粒掺量的增加而降低，但随围压σ_c的增加而增大，抗剪强度随WRT颗粒掺量的增加而下降。     

基于路堤粗粒土填料力学特性的改进邓肯-张模型

为研究动力及含水率变化对路堤粗粒土填料力学特性的影响，制作了不同含水率w的路堤粗粒土填料试样，先对其施加一定荷载频率f的动应力，再进行静三轴压缩试验，分析不同试样静偏应力σ₀-应变ε₁曲线变化规律，之后结合Janbu公式探讨动偏应力σ_d、w及f与参数n、K的联系，建立初始变形模量E_i、极限偏应力(σ₀)_ult与各控制变量的拟合公式，提出考虑动力及含水率影响的路堤粗粒土填料改进邓肯-张模型，最后开展验证试验，对比分析该改进模型的有效性。研究结果表明：三轴试验中粗粒土试样在ε₁>0.5%时由弹性变形进入塑性变形阶段，不同控制因素下的σ₀-ε₁曲线在0.5%<ε₁<2.0%范围内出现明显差异，切线变形模量E_t在该范围内迅速降低，降低幅度达到58%～76%;当ε₁>2%时E_t变化逐渐减缓并...     

基于扰动状态理论的生物酶改良膨胀土K-G模型

以生物酶改良膨胀土的非线性弹性本构关系为研究对象,提出基于扰动状态理论的修正K-G模型。首先开展不同生物酶掺量条件下的重塑膨胀土样的等向固结排水试验和等p三轴固结排水剪切试验,研究生物酶改良膨胀土的应力-应变关系特征,基于非线性弹性K-G模型,分析生物酶掺量对膨胀土的切线体积模量K_t和切线剪切模量G_t中相关参数的影响规律。采用生物酶掺量作为扰动掺量,以试验和扰动状态概念为基础建立扰动函数,基于扰动状态理论对K-G模型进行修正,以反映生物酶掺量对改良膨胀土应力-应变扰动关系,使本构关系符合土体的实际变形过程,更合理地描述生物酶改良膨胀土的非线性弹性应力-应变关系。结果表明：通过对比ε_v-p及ε_s-q的试验曲线、K-G模型曲线与修正K-G模型理论计算曲线,体应变ε_v的K-G模型预测值小于试验值,而剪应变ε_s的K-G模型预测值大于试验值,修正K-G模型的体应变ε_v和剪应变ε_s的预测值都与试验值较为接近。修正K-G本构模型中各参数物理意义明确,与K-G模型中的参数确定方法一致,可以较合理地描述不同生物酶掺量扰动条件下改良膨胀土的变形特性。     

仿生层级薄壁方管的耐撞性研究

为了进一步改善车辆结构部件的耐撞性能,基于甲虫翅鞘微观锥形小梁结构提出新颖的仿生层级薄壁方管(BHST)结构,包括SBHST-4,SBHST-9,BHST-4和BHST-9。通过非线性有限元软件和试验验证结果建立BHST有限元模型,并对比其与传统多胞薄壁方管结构的轴向吸能特性。考虑到结构壁厚、截面尺寸和空间位置因素对BHST-9结构耐撞性能的影响,采用参数分析方法,研究小方锥管下截面尺寸b分别和空间位置参数λ、结构壁厚t对BHST-9结构轴向吸能特性的影响。此外,结合径向基函数(RBF)神经网络代理模型技术与非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对BHST-9结构进行多目标优化分析,以获取BHST-9结构的最优配置。研究结果表明:BHST-9结构呈现出较优异的轴向吸能效果,其比吸能较传统9胞薄壁方管在等质量的条件下提高了22.87%,初始峰值力降低了10.22%;适当增加结构壁厚和小方锥管下截面尺寸有利于提升BHST-9结构的吸能能力;随着λ的增加,BHST-9结构的比吸能呈现出先增后减的趋势,当λ为0.5时,不同下截面尺寸小方锥管的BHST-9结构整体上具有较高的比吸能和较稳定的折叠变形模式,且初始峰值力变化幅度较小,但BHST-9结构中的仿生小方锥管下截面尺寸和结构壁厚较空间位置参数对比吸能的提升作用更为显著;当BHST-9结构初始峰值力不高于140kN时,其最优设计参数t,b分别为1.61,24.67mm。     

透水型级配碎石基层填料强度演化特征的离散元模拟

骨架空隙型级配碎石填料因其较好的渗透性能而广泛应用于透水型基床结构层，但其在不同级配下的抗剪强度特征及演化规律仍不明确。首先针对6种不同级配类型的碎石填料试样开展了不同围压下的室内单调加载三轴压缩试验，进而采用考虑颗粒真实不规则形状的三维离散单元方法对室内试验结果进行了数值模拟研究，从颗粒间接触、微观组构和颗粒运动等角度揭示了透水型级配碎石基层(UPAB)填料抗剪强度机理及其随级配变化的演化特征，验证了室内试验得出的级配影响规律及级配优化设计方法。研究结果表明：细颗粒通过改变颗粒体系的内部排列结构(即各向异性程度)而直接影响级配碎石填料宏观抗剪强度，细颗粒含量对试样的剪切破坏形态有直接影响，随着细颗粒含量的减少，试样整体发生较大变形时表现为内部颗粒发生转动的比例下降但发生颗粒间滑动的比例增加；试样失稳的主要原因是由于颗粒拓扑结构的改变，最终发展成不可逆的塑性变形；级配控制参数G/S=1.8时试样表现出最低的各向异性特征，相同应变条件下的颗粒旋转角均值最小，表明此时试样内部的颗粒堆积排列最优且抗剪强度最高，G/S=1.8可取作“填充密实”型与“残余空隙”型结构的分界；不同级配的试样内部颗...     

基于微结构量化的含渐变带黄土各向异性特征研究

黄土层间界面稳定性问题突出，天然黄土层之间的交界面呈现渐变过渡形式。为研究黄土渐变带及相邻两土层的各向异性特征，以含黄土层、古土壤层以及两者之间渐变带的早更新世(Q₁)黄土为例，通过扫描电镜(SEM)获取各土层不同方向上的微观图像。对图像进行二值化处理，计算形状系数F、形态分维数D、概率熵H_m及定向频率P_i(α)等微观结构参数，分析3种典型土层在微观结构上的各向异性。此外，通过三轴压缩试验获得各土层不同方向上的抗剪强度参数，将微观结构参数和抗剪强度参数相结合，探究了两者之间的联系，揭示含渐变带Q₁黄土的各向异性差异表现。结果表明：①各土层微观结构均具有显著的各向异性，当平行于沉积方向时，孔隙和颗粒排列的定向性最好，与沉积方向45°斜交及相垂直时次之，但受风化作用影响各向异性表现程度有所差别；②当加载方向与沉积方向平行时，各土层的强度表现最高，而垂直时则最低，这种各向异性主要源于黏聚力的差异，并且会随着围压和含水率的增大而减弱；③黄土层和古土壤层的力学各向异性与内部微观结构的各向异性关系紧密，但是在渐变带土层中，这种关联性却表现较弱；④渐变带土层的力学规律性和整体强度均明显弱于上下土层，是土体力学稳定需要关注的重要层位。