不同应力路径下非饱和黄土结构特性及其本构模型研究

以不同含水率的原状黄土与相应的重塑黄土为研究对象进行等应力比加载试验,探讨黄土在不同应力比三轴试验条件下的结构变化特性,求取非饱和黄土不同应力条件下的综合结构势参数,选择合适的硬化参数建立非饱和黄土的弹塑性本构模型。研究结果表明:原状黄土与重塑黄土的p-εv曲线有明显不同,应力比k相同的原状样较重塑样的体应变εv偏小;原状黄土的结构破坏强度随含水率的增大而减小且与含水量呈幂函数关系,结构性参数mp随球应力p及应力比k的增大而减小,且不同应力比下的结构性参数mp最后几乎稳定在同一水平;原状黄土的mp*εv-p关系曲线中结构性应变mp*εv与应力p表现为双曲线形式,选择合适的硬化参数可建立弹塑性本构模型较好地模拟不同围压与初始含水量下结构性黄土的应力应变特性。     

简易轴向拉伸试验仪设计及试样合理尺寸的试验研究

针对现有土工抗拉仪存在的缺陷与不足,设计改良出一套简易轴向拉伸试验仪。通过四角调节螺栓和夹具设计,消除摩擦阻力和端部应力集中,通过轴心线的控制避免试样偏心受拉。可以完成不同尺寸长方体试样的抗拉试验。由于目前试样尺寸没有统一标准,为了得到试样的规范尺寸并分析试样尺寸对抗拉特性的影响,利用设计的拉伸装置,对不同截面和长细比试样进行试验。得到的试验结果有:ω=18.0%,ρd=1.30 g/cm3时,不同截面试样平均抗拉强度值在14.2~14.6 k Pa,平均极限位移值在8×10-2~9×10-2mm;ω=22.0%,ρd=1.45 g/cm3时,不同长细比试样平均抗拉强度值在14.4~14.9 k Pa,平均极限位移值与长细比的关系式可表示为b=9.706 7×(l/a)-6.97。分析表明:只要试样的物理状态(含水率ω和干密度ρd)相同,不论含水率ω是否小于或大于塑限值,抗拉强度值均不受截面和长细比的影响;含水率ω低于塑限值时,极限拉伸位移不随试样的截面变化;含水率高于塑限值时,极限拉伸位移与长细比呈递增的线性关系。计算每组试样抗拉强度值的极差和标准差并分析数据的离散性,结合制样难易程度和用土量等方面综合考虑,提出截面边长2.5 cm,长细比3的试样尺寸较为合理,为今后开展土体抗拉强度研究提供可靠依据。     

原状黄土各向异性及卸载变形特征试验研究

为揭示原状黄土的各向异性和卸载变形特征,从水平和竖向2个方向取样,通过湿陷性试验、压缩试验、直接剪切试验、三轴剪切试验和卸荷三轴试验,对郑西客运专线贺家庄隧道出口洞顶Q3黄土进行黄土各向异性及卸载变形特征试验研究。结果表明:黄土的竖向和水平方向力学指标有明显差异,竖向和水平方向的压缩模量E1~2平均值分别为5.82和6.83MPa;黄土竖向湿陷性系数平均值为0.026,明显大于水平湿陷性系数平均值0.019;抗剪强度参数中水平向黏聚力大于竖向黏聚力,内摩擦角变化不大;黄土的卸荷变形与主应力差呈线性变化规律,当主应力差减小至0~90kPa时,迅速发生破坏,破坏时应变为0.5%~3.5%;原状黄土的破坏具有突变性,主要表现在卸荷破坏变形很小,破坏变形时间短,速度快。     

刚性与柔性边界下砂离散元三轴试验力学特性对比分析

为更好地从细观角度探究砂的变形破坏规律,对比不同围压加载方式下离散元三轴试验模型的有效性。采用颗粒流软件(PFC),考虑刚性和柔性两种围压加载方式,对不同密实度的HST95砂土试样建立离散元三轴试验,并结合相关室内三轴试验结果,讨论两种围压加载方式下砂土试样的力学特性、变形特性和剪切破坏过程。研究结果表明：柔性围压加载条件下模拟效果更好,且对于相对密实度越大的试样,柔性围压加载方式优于刚性围压加载方式：与室内试验结果相比,柔性围压加载下的应力应变结果误差均在10%以内,刚性围压加载结果误差在7%～53%范围内;30%密实度与70%密实度试样在刚性围压加载下,20%轴向应变时体积应变分别约为室内试验结果的0.6倍和1.1倍,且大剪切应变下试样体积缩小与实际不符。柔性围压加载下两种密实度试样的体积应变误差在1%以内;柔性围压加载下的试样可以更好地还原侧向鼓胀变形下的剪切破坏特征,并揭示剪切带的形成发展过程。     

室温下高速车轮钢断裂韧性与冲击韧性的关系

通过紧凑拉伸(CT)实验,测试不同热处理条件下高速车轮钢的室温断裂韧性;在具有不同断裂韧性的CT试样上取样,制成标准夏比V型冲击试样,在室温下对冲击试样进行冲击实验,并对其断裂韧性、冲击试样的断口和显微组织进行观察和分析.结果表明:室温下该车轮钢的断裂韧性和冲击韧性呈线性关系,预裂纹加载断裂和缺口冲击断裂以解理断裂为主;车轮钢中的夹杂物主要为Ti (C,N),在室温条件下对该车轮钢的断裂韧性和冲击韧性基本没有影响.     

贯通与半贯通红砂岩试样圆孔胀裂特征研究

胀裂破岩是常见的破碎岩石手段,为研究单孔岩样的胀裂效果,制作了4种不同边距的贯通、半贯通圆孔红砂岩试样。借助自制的胀裂装置,在刚性伺服机上进行单轴加载,分析不同加载速率、钻孔边距和钻孔深度下圆孔周边的裂纹扩展形式,研究不同边距下试样的破坏特征。研究发现：当边距为40 mm时,半贯通试样破坏所需的时间超过贯通试样。达到峰值荷载时,大部分半贯通试样的胀裂只在一侧产生裂纹,小部分出现2条不规则的裂纹,大部分裂纹只延伸一定长度而未贯穿至试样底部。随着边距增加,贯通试样在2种加载速率下破坏时间的差值逐步扩大,0.4 mm/min速率下试样的胀裂时长快速增加,破岩速率大幅降低,而0.8 mm/min速率下试样破坏时发生的位移更小。分析试样的局部应变发现,2种加载速率下试样的局部应变变化规律差异并不明显。研究结果表明：相比半贯通试样,贯通试样更容易发生变形,胀裂产生的裂纹水平对称;在边距和孔深一定的情况下,2种加载速率对试样的胀裂破坏差异较小。研究结果可为钻孔胀裂法破碎岩石提供参考。     

湿陷性黄土路基的渗流效应

以西安北至机场城际轨道交通项目为实例,设计了湿陷性黄土路基渗流的模型试验,并借助现场浸水试验及MIDAS GTS/NX有限元软件研究湿陷性黄土路基渗流对路基结构物的影响。研究结果表明:竖直、水平渗流方式下,水头高度、干密度对渗流速率影响比较显著;当入渗距离相同时,入渗时间与干密度成正相关;当干密度相同时,入渗同样的距离水头高度与入渗时间成负相关;水流先沿着竖向渗流较快,达到一定深度后逐渐向四周延伸;挤密系数越小渗流的距离越远,对挤密区的影响越大。     

加载波形对LZ50车轴钢疲劳裂纹扩展行为的影响

在三角波、正弦波、方波3种加载波形下对LZ50车轴钢紧凑拉伸试样开展疲劳裂纹扩展试验,采用扫描电镜观察断口形貌,并结合试验数据分析加载波形对裂纹尺寸增量和扩展速率的影响。结果显示:加载频率较高时,疲劳裂纹扩展行为对波形的敏感性较低,断口形貌基本相同;加载频率较低时,波形对疲劳裂纹扩展行为的影响增大,断口形貌出现差异;稳态扩展区以疲劳条带为主要扩展机制,三角波加载下的疲劳条带间距明显小于其他2种波形,其失稳扩展区形貌以韧窝为主,且韧窝较其他2种波形下的小且浅。同时,基于LS-DYNA软件和节点位移外推法对CT试样在3种加载波形下的应力强度因子进行计算和分析。结果表明:仿真分析波形对疲劳裂纹扩展的影响机制与试验结果基本一致。     

桥上无缝线路扣件纵向阻力试验研究

以高速铁路桥梁无砟轨道WJ-7型和WJ-8型小阻力扣件为研究对象,开展不同纵向加载速率以及竖向荷载条件下的纵向阻力试验,研究了纵向加载速率和竖向荷载对无缝线路扣件纵向阻力特性的影响,并给出了不同竖向加载条件下WJ-7型和WJ-8型小阻力扣件的纵向阻力-位移曲线,以用于梁轨相互作用精细化分析。结果表明：当竖向荷载不变时,纵向加载速率对两种小阻力扣件的动刚度和纵向阻力最大值影响较小;随着竖向荷载的增大,两种小阻力扣件的动刚度及纵向阻力均明显增大,其弹塑性临界点也逐渐增大;与竖向无载工况相比,竖向荷载为50 kN时,WJ-7型小阻力扣件最大纵向阻力、弹塑性临界点增幅分别为177.74%和87.71%,WJ-8型小阻力扣件增幅分别为320.44%和118.88%。     

京沪高速铁路阳澄湖段软土的蠕变特性和次固结特性试验研究

基于京沪高速铁路阳澄湖地区原状软土的一维固结试验,探讨该地区软土非线性蠕变变形特性。研究先期固结压力、应力水平、加荷比、加载时间以及超载预压对次固结系数Ca值的影响,得到该地区软土Ca与Cc值之间的关系。试验结果表明:该地区软土在相同的应力水平条件下,加荷比大的土样蠕变变形更小,增大加荷比可以减小次固结系数;经预压处理后,土样的次固结系数Cα与预压力p和预压时间密切相关,超载预压可以减小软土的次固结系数,进而能够有效减少工后次沉降;加载的时间间隔对次固结系数有较大影响,加载时间间隔越长,次固结系数越小,主固结和次固结的区分越不明显;次固结系数与先期固结压力无明显相关,Ca和固结压力p可用双曲线拟合;试样的次固结系数Ca与压缩指数Cc之间呈现良好的线性关系,Ca/Cc值的范围在0.018～0.035之间。     

分别加载下重塑饱和黏土蠕变特性研究

针对刚性桩复合地基下卧层土体的蠕变问题,采用自制三轴蠕变试验仪,开展分别加载下重塑饱和黏土的长期蠕变试验(最长加载时间超过10 000h),研究其蠕变特性。研究结果表明:应力水平对土样变形的影响随着时间的增长逐渐显现,在较高应力水平下,土体的变形持续时间更长,在应力水平相当时,重塑饱和黏土在排水条件下的蠕变变形和蠕变基本稳定时间大于不排水条件;排水和不排水条件下的蠕变基本稳定时间约为2 000和1 000h,蠕变基本稳定时间随应力水平的提高而增加;对于重塑饱和黏土土体的长期变形,采用幂函数描述时间对其影响是合适的,幂指数拟合值基本随着应力水平的提高而增大,因此采用各加载水平下的幂指数的平均值作为不同应力水平下的幂指数并不十分合适。     

玄武岩纤维水泥土的冻融循环特性试验研究

为研究软土地区隧道基底水泥土加固材料的性能,分别进行了冻融循环条件下玄武岩纤维水泥土的静态抗压和劈裂抗拉试验,同时对不同冻融循环次数后的玄武岩纤维水泥土试样的高度、质量以及超声波进行了测试,探讨冻融循环作用对新型玄武岩纤维水泥土材料的物理及力学特性的影响。试验结果表明,随着冻融循环次数0、1、3、6、9和12的依次增加,玄武岩纤维水泥土试样的高度、质量和波速总体呈先减小后增大的趋势;其抗压强度和抗拉强度同样先减小后缓慢增大,6次冻融循环后的试样强度最低;冻融循环作用影响着玄武岩纤维水泥土的物理和力学特性,且物理特性和力学特性之间存在一定的相关性。该研究可为季节性冻土区隧道工程设计与建设提供一定的试验基础。     

钢结构曲板极限承载力及曲率影响研究

为得出圆柱曲板单元直边受压的稳定特征,以北京长安街西延线永定河特大桥钢曲塔为研究对象,通过足尺模型试验研究四边简支边界条件下曲板的极限承载力;同时在考虑材料和几何非线性的条件下,基于ANSYS软件对曲板试件的弹塑性屈曲进行数值分析,进一步得出曲率对极限承载力的影响。结果表明:曲板试件加载过程中,加载方向与垂直板面方向均产生明显变形,达到极限承载力时最大变形发生在靠近曲板中间位置且垂直板面的方向;曲板荷载-位移曲线数值结果与试验结果符合较好,极限承载力小于直板试件对应值;曲板尺寸不变的条件下,随着曲率增大,曲板极限承载力逐渐降低,且局部稳定折减系数与曲率呈线性关系。     

软土地铁车站接头结构在强地震作用下的响应研究

利用FLAC3D对典型地铁车站接头结构进行三维数值模拟,并考虑不同方向的地震波激励下的地铁车站接头结构的响应.结果表明:水平向和竖直向地震波耦合输入对地铁车站接头结构的轴力和剪力有利,但对于弯矩是不利的;接头处区间隧道断面竖直向变形大于水平向变形;竖直向地震波加速度输入时结构的加速度放大系数远大于水平向;土-结构体系在地震作用下,端墙与中板连接处的动土压力幅值最大;而车站端墙的动/静比值从端墙顶部到底部从大到小有规律变化.     

站区到发线无缝线路稳定性现场测试与计算分析

以在武汉纸坊站和武昌南站进行道床横向阻力现场测试获取的标准道床横向阻力不同的测点实测数据作为初始参数,利用有限元软件建立无缝线路稳定性有限元模型并进行计算,分析站区无缝线路的稳定性。研究结果表明:轨枕端头道砟缺失区段标准道床横向阻力偏小,且容许温升小于规范要求,应及时维修;利用移动加载车进行定点静态加载试验,推导出轨枕横向位移与车测钢轨横向位移的线性关系;通过移动加载试验,提出移动加载时轨枕横向位移不应大于0.60 mm的限值;通过理论计算得出移动加载时的轨枕横向位移曲线,现场发现轨枕横向位移超过0.60 mm的区段道床明显破坏,应及时补充道砟并捣固以确保无缝线路的稳定性。     

高速铁路路基黄土填料改良后的工程特性研究

以高速铁路路基黄土填料为研究对象,制备不同水泥掺量的黄土填料试样及重塑黄土试样进行动力性质试验,并对水泥改良黄土试验路堤的稳定性进行了评价。结果表明:抗振陷能力最强时试样的水泥掺量为6%~7%,且该掺量的水泥改良黄土经1 500次振动后动弹性模量趋于稳定,阻尼比的增长幅度很小也趋于稳定;当压实系数、地基系数、动态变形模量等均满足规范要求时,水泥掺量6%~7%的改良黄土路堤在施工期及工后的沉降变形均能满足设计要求。     

基于静力触探测试技术的基础沉降计算

基于现有静力触探技术的基础沉降变形研究,考虑不同地层条件,建立直接应用静力触探测试指标的基础沉降变形计算方法。该方法采用经验公式初步确定基础沉降计算深度,并通过应力比法验证;采用基于静力触探锥尖阻力的线性经验公式确定土体压缩模量;采用Schmertmann基底应变影响系数间接确定地基土体竖向应力,并规定刚性边界条件下基底应变影响系数为0。工程实例的计算表明:所建立的直接应用静力触探测试指标的基础沉降变形计算方法的计算结果与实测值一致性好,物理意义明确,适用于各类地层条件,应用范围广;计算过程简单,仅需手算即可完成;计算过程所需参数仅需通过静力触探原位测试获取,无需钻探、取样及室内固结试验,可避免钻探取样对试样扰动大、试验结果难以反映土体原位物理力学性质、试验数量少、代表性不够及原状样取样不便等问题。     

循环荷载下重载铁路道砟磨耗破碎及力学特性试验研究

为深入研究重载列车循环动载作用下散粒体道砟的颗粒磨耗破碎和力学行为劣化等特征,开展3种不同动应力幅值下的室内大型动三轴试验。通过对染色道砟颗粒进行激光扫描和三维重构,量化分析不同循环加载应力状态下不同粒径道砟颗粒的磨耗破碎特征,深入分析循环加载下试样的宏观力学特性和力学行为劣化等。研究结果表明,循环加载后道砟颗粒普遍从原始粒径破碎至相邻粒径,偶尔出现破碎至相隔粒径的现象,另有质量占比1%左右的少量道砟颗粒破碎至最小粒径4.75～22.4 mm;在相同的循环加载动应力幅值下,随粒径的增大,道砟颗粒破碎至相邻粒径的质量占比总体呈增大趋势;循环加载过程中颗粒磨耗存在尖角磨损、棱边磨耗与表面纹理改变等3种典型类型,动应力幅值230 kPa下颗粒最大磨耗深度为0.36～5.2 mm,平均磨耗深度为0.03～0.62 mm,颗粒磨耗程度随粒径的增大而逐渐加剧,尖角磨损出现的数量更多且概率更大,其次为棱边磨耗;循环加载三轴试验前后各粒组颗粒含量变化幅度与级配曲线偏移距离随动应力幅值的增大而增大,Bg、Br与BBI 3种颗粒破碎指标均随动应力幅值的增大而增大,Br与BBI两者对动应力幅值的变化反应程度...     

地铁列车荷载下原状土孔压及应变模型试验研究

基于GDS循环动三轴试验,首先对比了不同形式的动荷载作用效果,结果表明偏压正弦波模拟列车循环荷载效果较好。然后研究了初始固结度和加载频率对地铁荷载作用下软黏土动力特性的影响,结果表明:排水加载条件下原状土孔压发展趋势分为2个阶段,第1阶段孔压迅速上升,达到峰值后进入第2阶段,表现为孔压下降且降速渐缓并趋于稳定;初始固结度越大,土样的累积峰值孔压越小,孔压消散时间越短;原状土应变发展呈现稳定型,固结度越低,轴向应变越大,应变稳定所需时间越长;且低频引起的累积应变较大,工程中应予以重视。提出的孔压及应变模型可较好地模拟列车荷载作用下不同固结度的原状软黏土的动力特性规律。     

超固结土三轴率敏性特性及影响因素分析

为建立超固结土的弹黏塑性本构模型并预测其长期变形,研究土体不同应力历史的时间相依变形特性,采用土体率敏性三轴试验,对预加800k Pa有效应力历史的饱和黏土开展不同加载速率下的三轴剪切试验,并通过改变有效围压(50,100,200和400kPa)、细砂含量(占比0%,10%和20%)和加载速率(0.5625%/min,0.037 5%/min和0.002 5%/min)等方式,深入探讨超固结比、黏性以及应变速率对土体变形特征的影响,引入能通过试验测定的应变率参数ρ来表征黏土率敏性大小。试验结果表明:归一化不排水抗剪强度随超固结比(OCR)单调递增;随着OCR的增大,土体剪胀软化越明显;应变速率与土体的抗剪强度呈半对数线性关系;随着含砂的降低,土体的黏性增大,剪胀软化也越明显;率敏性随超固结比的增大而增强,土体黏性越大率敏性就越显著。