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。     

椭圆应力路径下饱和软黏土循环单剪试验

为了研究水平剪切应力对土体动力特性的影响,采用多向循环单剪仪模拟地震时土体所受的水平剪切作用,对温州饱和黏土进行一系列不排水剪切试验,分析在双向应力幅值为1∶2时,当X向和Y向加载波形的相位差分别为0°,30°,60°和90°,循环应力比分别为0.14,0.20,0.25时,相位差和循环应力比对土体动应变、动孔压、动剪切强度及剪切后再固结变形特性的影响。试验结果表明：在循环应力比较小时,应变和孔压比发展较慢,且再固结后产生的沉降也较小;当循环应力比为0.20时,相位差的增大会加快应变和孔压比的增长,X向应变的发展会受到Y向应变的影响,且相位差越大,土体达到破坏所需的圈数越少;当循环应力比为0.25时,相位差对应变、孔压比和强度的影响不明显;循环次数相同,随着循环应力比的增加,应变及孔压的发展速度增快;在一定的循环应力比下相位差越大,双向所产生的应变也就越大,且X向应变的发展会受到Y向应变的影响;当循环应力比为0.14时,再固结后的轴向变形很小;当循环应力比为0.20时,相位差越大产生的轴向变形也越大;当循环应力比为0.25时,相位差对再固结后的轴向变形影响不大。     

含应力旋转路径条件下黏土非共轴变形特性

利用空心圆柱扭剪仪对不同含应力旋转路径条件下黏土的非共轴变形特性开展了研究。试验应力路径包括:主应力方向单纯旋转、主应力方向往复循环旋转以及旋转的同时增加剪应力,分析了主应力系数、剪应力水平、应力旋转方向及其与剪应力耦合作用对黏土非共轴特性的影响。试验结果表明:各类含应力旋转路径都会引起原状黏土相应的变形累积,中主应力系数及剪应力值对应变的开展都有一定的影响。不同主应力方向旋转路径引起的主应变增量方向都与主应力方向存在显著的非共轴现象。排水条件、中主应力系数、循环次数对黏土非共轴特性的影响较小,剪应力值较小时非共轴现象更为显著,主应力旋转方向反向时,非共轴角会随之发生突变,应力旋转路径是决定黏土非共轴变形规律的主要因素。     

主应力轴旋转条件下饱和粉质黏土应变特性及非共轴性的试验研究

为了研究主应力轴旋转条件下饱和粉质黏土应变特性及非共轴性的差异,采用HCA静动态空心圆柱扭剪仪对饱和粉质黏土在主应力轴纯旋转路径上展开了试验。在平均主应力固定的情况下,分析了中主应力系数和偏应力对试样应力应变变化特征以及应力应变的非共轴特性的影响。试验结果表明:随着偏应力的增大,各向应变速率迅速上升,累积塑性应变值也不断增大,饱和粉质黏土土样的轴向、环向、剪切应变也具有明显的周期性;由于非共轴角的存在,变形具有一定的滞后性,径向应变周期性不是很明显,但是随着偏应力的增大,径向应变由拉伸特性逐渐过渡到压碎特性;不同中主应力系数下试样的轴向、环向剪切应变对对减小,但是中主应力系数的变化,会使得平行于径向应变方向的第2主应力值变化幅度较大,使得径向变形变化值较大;非共轴角随主应力轴旋转角的增长呈现出随机波动点变化的趋势,在主应力轴旋转角变化的初期阶段,非共轴角由0°逐渐增大,主应力轴旋转角在0°～90°的范围内,非共轴角相邻点的变化波动较小,增加趋势接近线性变化;当主应力轴旋转角增大到90°后,各个相邻的非共轴角的散点波动性增强,即随着偏应力的增大,相同主应力轴旋转角对应的非共轴角逐渐缩小。     

微椭圆截面斜拉索风致振动特性与机理

斜拉桥斜拉索在生产、运输、安装和运营过程中，在各种因素的作用下，有可能使得其截面形状不再是标准的圆截面，经过调研与统计，部分斜拉索具有长短轴之比接近1的微椭圆截面，研究微椭圆截面斜拉索气动力和风致振动特性具有重要工程价值。通过对3种长短轴之比（L/D=1.05，1.10及1.15）的微椭圆斜拉索模型进行测力和测振风洞试验，对比分析了微椭圆斜拉索与标准圆柱斜拉索的风致振动特性，研究了雷诺数、风攻角和长短轴之比对风致振动特性的影响规律，并尝试运用Den Hartog驰振准则对振动机理进行分析。研究结果表明：斜拉索的截面由标准圆变为微椭圆之后，在某些风攻角下振动更加剧烈，发生振动的雷诺数范围更宽，起振雷诺数更低；振动中心随雷诺数的变化曲线与标准圆柱斜拉索不同，并且随风攻角而异；大幅振动主要发生在临界区和超临界区，对应雷诺数为Re=2.5×10⁵~4.0×10⁵，风攻角则在α=10°~30°和α=60°~80°范围之内；风致振动特性随雷诺数的变化规律与长短轴之比不是简单的单调关系，而是与风攻角相关；根据Den Hartog驰振准则判断可能发生驰振的区域与试验中实际发生振动的区域吻合较好。     

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。     

基于不同含水率下重塑黄土强度特性试验研究

在路基回填施工过程中,土体的含水率与回填速度直接关系到工程的安全性和经济效应。因此对不同含水率、剪切速率下重塑黄土的强度特性及指标进行了三轴试验研究。结果表明:含水率与剪切速率都对重塑黄土的强度有明显影响。剪切速率增加,应力-应变曲线上移;含水率增大,黏聚力和内摩擦角均减小,但减小幅度不同;黏聚力与内摩擦角均可由含水率的一次函数关系式表示。利用莫尔-库仑公式得出了重塑黄土的破坏强度公式。     

珠三角地区典型软土卸荷力学特性研究

通过珠三角地区3种典型土层,即：淤泥质土、粉细砂以及红粘土进行室内常规三轴试验与真三轴卸荷力学试验,分析探讨了不同应力路径条件下土体的力学特性,得出了侧向卸荷条件下土体的抗剪强度指标大幅度降低,且有效应力指标降低幅度大于总应力指标,粉细砂抗剪强度指标降低幅度明显大于淤泥质土与红粘土的研究结论,并以此提出珠三角地区超大软土深基坑工程设计与施工应充分考虑土体卸荷力学效应的建议。     

反复吸湿循环对原状残积土剪切特性的影响

为了研究反复吸湿循环下天然土体因吸力路径变化引起道路、桥梁等工程土体剪切特性变化的规律,开展了不同围压、吸力和反复吸湿条件下的非饱和土三轴试验研究,从有效应力原理、矿物成分和土水特征曲线(SWCC)滞回特性出发,对不同吸水条件引起的非饱和土剪切特性差异进行多角度分析和解释;同时,研究不同吸水次数后非饱和土体积变化趋势和SWCC滞回特性引起饱和度变化对土体强度的影响,深入分析土体抗剪强度吸水软化的原因。结果表明:脱湿路径下原状残积土表现出的延性和剪缩特性与正常固结土的剪切性状相似,而吸湿路径下土样具有的脆性和剪胀特性与超固结土相符;同一吸力条件下,第1次脱、吸湿路径的抗剪强度差值并不随有效应力的增加而增加;而相同围压下,第1次脱、吸湿路径的抗剪强度差值表现出随吸力增加而减小的趋势;多次吸水后,残积土总体积增加具有不可逆和滞后的特点,土体膨胀性和剪破特性与有效应力和吸力水平有关,应力水平越大,土体应变软化效应越明显;土体软化与水力滞回特性引起土体饱和度的变化和产生的不可逆变形(或累积不可逆变形)有关,多次脱吸湿循环产生的累积不可逆变形是导致土体强度下降的主要原因。研究结果对残积土边坡稳定性分析评价及其治理设计具有重要意义。     

钙质砂固结排水剪切特性三轴试验

为给中国南海岛礁吹填钙质砂地基上基础设施提供设计与施工参考,通过一系列三轴试验研究了钙质砂固结排水剪切特性。定性分析了钙质砂应力-应变、体变与应力路径变化规律,非线性拟合试验数据获得了不同特征状态下钙质砂抗剪强度、内摩擦角和孔隙比的归一化表达式及其参数取值,进一步定性分析给出了抗剪强度、内摩擦角和孔隙比的非线性变化特征。研究结果表明：(1)围压小于300 kPa时钙质砂发生应变软化和剪胀;特征状态偏应力随围压或相对密度增大而变大,体变随围压(或相对密度)增大而增大(或减小);钙质砂排水剪切应力路径为一系列平行直线,围压越大应力路径越长。(2)不同相对密度下特征状态抗剪强度(或内摩擦角)具有较好归一性;峰值状态抗剪强度(或内摩擦角)大于相变状态,而相变状态大于临界状态;抗剪强度(或内摩擦角)为量纲一化平均主应力的幂函数(或对数函数),而相对密度对余量内摩擦角的影响随围压增大而减小直至消失。(3)在压缩平面内,特征状态孔隙比随量纲一化平均主应力增加而减小,且不同相对密度下临界状态孔隙比具有较好归一性;特征状态孔隙比可用负指数函数予以表达,该函数的上、下限与特征状态孔隙比实际极限值基本吻合。     

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。     

粒料的正交异性非线性回弹特性研究

粒料的回弹力学特性具有非线性和正交异性。为研究此特性，设计了一种综合考虑粒料应力依赖性和正交异性的动态回弹特性解决方案，该方案包含：改进的重复加载三轴试验方案、正交异性系数α、Uzan应力依赖模型。改进的试验方案包含多个应力水平，每个应力水平上通过施加应力扰动，实现压缩、拉伸和剪切3个应力状态；α表征粒料的正交异性程度，并减少正交异性增量本构方程中的未知数；Uzan三参数应力依赖模型表征模量和泊松比的应力依赖性。推导了增量本构方程，并计算了粒料的5个回弹特性参数：竖向模量、水平向模量、竖平面内泊松比、水平面内泊松比，剪切模量。使用该方案对3种粒料（石灰岩、砾石、花岗岩）进行了室内试验研究，计算了粒料的回弹特性参数，分析了应力水平、级配和含水率对动态回弹特性的影响。结果表明：①该解决方案同时考虑了粒料的正交异性和应力依赖性，实测数据和计算数据相关性良好，计算结果准确合理；②粒料的回弹模量和泊松比都具有应力依赖性，动态回弹模量主要受体应力的影响，泊松比受剪切应力的影响更大；③粒料的回弹模量和泊松比均存在显著的正交异性，当剪应力较大时，有可能出现剪胀现象；④各回弹特性参数随影响因素的变化规律正确，该方案能够显著地反映出各因素对回弹特性参数的影响。     

基于脑电信号分析的不同年龄驾驶人疲劳特性

为研究不同年龄驾驶人驾驶过程中疲劳情况及疲劳累积速度,对比其疲劳产生与变化的差异性,获取不同年龄驾驶人的最优驾驶时间,设计自然驾驶试验,利用Physio生理多导仪采集脑电数据,并采用主观检测方法对驾驶人进行问询。应用MATLAB对采集到的脑电数据进行降噪处理,通过积分获取各时段α波、β波和θ波的平均功率谱密度,进而求得脑电指标R_（α/β）,R_（θ/β）,R_{（α+θ）/β}。利用SPSS将其与驾驶时间进行单因素方差分析,并通过敏感性判断,选取R_{（α+θ）/β}作为驾驶疲劳表征指标。对各年龄段驾驶人的R_{（α+θ）/β}进行均值化处理,并将其与驾驶时间进行线性拟合,分析驾驶人年龄对驾驶疲劳累积速度的影响。对驾驶过程中各时段的R_{（α+θ）/β}进行配对样本t检验,并结合主观问询结果确定不同年龄驾驶人的最优驾驶时间。研究结果表明：青年和中年驾驶人在0~1.5 h内疲劳累积速度相对缓慢,老年驾驶人较快;在1.5~3 h内,青年驾驶人疲劳累积速度最快,中年驾驶人最慢;老、中、青年驾驶人的最优驾驶时间分别为60~75,120~135,105~120 min;不同年龄驾驶人其驾驶经验、体力和精力及外界环境干扰是影响疲劳累积速度的重要因素;试验结果验证了采用R_{（α+θ）/β}作为驾驶疲劳表征指标的有效性,有助于为不同年龄驾驶人安全驾驶时长的确定提供科学依据。     

地震荷载作用下粗颗粒含量对川西混合土动剪切模量和阻尼比的影响

为分析川西地区混合土地震荷载作用下的动力特性，针对该地区保留全部粒径的天然混合土，对3组土分别采用筛分法剔除60，20，10，5 mm粒径颗粒，制备粗颗粒含量不同的天然混合土土样，利用DJSZ-150粗粒土动、静两用三轴试验机进行大型动三轴试验，采用Hardin-Drnevich双曲线模型（H-D模型）拟合动应力-应变关系曲线，获得G_d/G_max-γ和λ-γ曲线变化规律，分析不同围压和粗颗粒含量对川西混合土动剪切模量G_d和阻尼比λ的影响作用。结果表明：混合土动剪切模量G_d、阻尼比λ均随围压及大于5 mm的粗颗粒含量的增大而增大，原因是随着围压增大，粗细颗粒的接触增多，土体结构更加紧实，提高了颗粒壁隙间的动摩擦力，增大了能量传递时的耗损，导致动剪切模量与阻尼比随之增大；当粗颗粒含量小于40%时，细颗粒构成土骨架，粗颗粒的接触被细颗粒阻隔，导致其对动剪切模量及阻尼作用贡献不大，此时动剪切模量和阻尼比随粗颗粒含量增加而增加的速度较慢，当粗颗粒含量为40%~60%时，混合土中粗颗粒骨架形成，且细颗粒有效填充了粗颗粒间的孔隙，粗颗粒在土中起主导作用，此时动剪切模量与阻尼比随着粗颗粒含量的增加而快速增加，当粗颗粒含量大于60%时，粗颗粒的增加无法进一步增强其骨架效应，而此时细颗粒间的胶结作用随粗颗粒的增多导致细颗粒的相应减少而减弱，动剪切模量和阻尼比随粗颗粒含量增加而增加的趋势不明显。     

钢筋UHPC矩形截面受弯构件的钢筋应力简化计算

为建立钢筋UHPC矩形截面受弯构件的钢筋应力简化计算方法，首先基于UHPC结构计算的基本假定建立了钢筋应力数值计算方法，然后推导并修正了考虑UHPC抗拉贡献的钢筋应力简化公式，最后通过与国内外文献相关试验结果进行对比，对所提出的钢筋应力简化公式的适用性进行了验证。结果表明：①数值计算方法所得钢筋应力预测值与实测值整体吻合良好，证明了该方法的有效性。②由于忽略了UHPC的抗拉贡献，直接采用GB 50010—2010规范和JTG 3362—2018规范推荐钢筋应力公式计算所得UHPC构件的钢筋应力误差较大。③根据UHPC结构计算基本假定推导出UHPC受弯构件开裂截面钢筋应力简化公式，并结合参数分析结果建议简化公式中系数α取值0.85，β取值0.50；钢筋应力在125~400 MPa范围时，简化公式预测效果较好；但当钢筋应力在40~125 MPa范围时，由于过高估计UHPC的抗拉贡献，简化公式预测结果明显偏小，甚至出现负值。④为避免简化公式过高估计UHPC抗拉贡献，改进了UHPC受拉贡献系数β的取值方法，进而得到了钢筋应力修正公式；修正后钢筋应力计算值在裂缝发展阶段内，与实测值、数值分析值均整体吻合良好，且与其他文献的钢筋应力试验值吻合也较好，表明修正公式的适用性也较好，可为UHPC结构设计规范的编制提供参考。