考虑D-P边界退化的冻风积土蠕变损伤规律研究

为研究季冻区冻风积土的蠕变变形规律及损伤演化规律,采用冻土GDS三轴测试分析系统开展了不同负温条件下三轴蠕变试验,分析了不同负温对冻风积土蠕变损伤特性的影响。根据典型蠕变曲线的三阶段特征提出了蠕变损伤时间阈值及屈服时间阈值确定方法。根据Kachanov对混凝土材料蠕变损伤的假设,对冻风积土的弹性模量及抗剪强度参数进行弱化,分析了不同负温条件下,不同蠕变损伤阶段冻风积土蠕变损伤规律。将西原模型中塑性元件改进成了具有损伤特征的非线性黏塑性体,并假设其服从于Drucker-Prager屈服准则,建立了冻风积土分阶段的蠕变损伤模型,将模型计算值与实测值进行比较,验证模型的合理性。研究结果表明:温度对冻风积土蠕变特征影响显著,温度低于-15℃时仅出现蠕变第I、II阶段,温度高于-10℃时会出现第III阶段,分阶段蠕变损伤模型可以较好地描述冻风积土在不同蠕变阶段损伤特征;屈服边界退化是导致冻风积土发生蠕变损伤的主要原因,发生蠕变损伤后会导致屈服边界不断缩小以及有效应力不断增加,塑性区的范围不断扩大,发生蠕变损伤后有效应力状态点会落在损伤后的屈服边界附近。     

膨胀土与改性膨胀土累积塑性应变及动力特性

结合成都绕城路膨胀土路基处治项目,利用动三轴试验研究膨胀土及改性膨胀土在重复荷载作用下的永久变形及动力特性。分析不同围压下弹性应变、累积塑性应变和动应变与荷载重复作用次数之间的关系,在log log坐标系中比在普通坐标系中能更好地区分累积塑性应变的三个阶段。比较了膨胀土与改性膨胀土的动力特性(如动弹性模量、动粘聚力、动摩擦角、阻尼比等),经改性后的膨胀土其力学特性得到了明显增强。     

基于不同初始静偏应力的结构性软黏土动力特性试验研究

以天津滨海新区结构性海积软土为研究对象,采用GCTS动静扭剪试验仪,基于正弦波与方波两种波形,在固结排水条件下施加不同初始静偏应力,通过考虑循环振次、应力幅值、振动频率以及围压等因素对土体结构的影响,研究结构性软黏土的动力特性。试验结果表明:初始静偏应力小于土体初始屈服应力时,施加静偏应力增加了土体固结度,提高了其结构强度,应变软化现象减弱,累积塑性应变曲线中屈服点对应的应力值大。初始静偏应力大于土体初始屈服应力时,土体初始结构破坏,出现严重的应变软化现象,累积塑性应变曲线迅速由稳定型转变为临界型,且在同条件下,方波应变值始终大于正弦波。孔压变化与初始静偏应力有关,随着静偏应力增大其孔压滞后现象严重。土体屈服应变随初始静偏应力增大而增加,静偏应力及振次相同时,方波作用下的土体屈服应变值小于正弦波。两种波形下,土体屈服应变随振次增加均呈减小趋势,且最终均会趋于一点,正弦波趋于相同数值下的振次远大于方波。土体动强度随应变标准提高而呈现增大趋势,应变标准为屈服应变值时,动强度曲线表现为先陡后缓,其他应变标准下动强度曲线较为平缓。两种波形下的动强度随振次增加而减小,最终均会趋于一点,且正弦波值大于方波。     

控制CBR条件下路基化学改良土的动力特性研究

为了研究高速公路软弱路基土经化学改良后的动力特性,该研究收集了湖北省湖区具有代表性的路基土,在控制加州承载比(CBR)为4.0%和3.0%的条件下,配置了多组不同含水率、改良剂类型、改良剂掺量的改良土试样,并利用循环加载试验测试了相应的回弹模量和累积塑性应变。试验结果表明:改良土的回弹模量和累积塑性应变受应力状态、塑性指数(IP)、水/改良剂比例、养护时间的显著影响。在同一CBR条件下,相比高IP土,低IP土改良后的回弹模量值总体上更高,但更容易产生较大的累积塑性应变。对于低IP土,增加水泥掺量或降低水/水泥比例可以有效增加回弹模量、降低累积塑性应变,增加养护时间可明显降低累积塑性应变;对于高IP土,改良剂掺量则不宜过高,其中当采用水泥-石灰作为改良剂时,增加养护时间同时有助于提高回弹模量和降低累积塑性应变。     

循环荷载作用下岩盐动力特性及累积变形研究

针对岩盐动力特性及累积变形规律研究匮乏的情况,分析了不同试验条件对岩盐动力特性和累积变形发展规律的影响.通过室内动三轴试验,研究了动应力幅值、围压、含水率和加载频率等影响因素作用下岩盐的动强度、动剪切模量和累积应变发展规律.基于Monismith等提出的指数模型,建立了能够合理预测岩盐累积变形的计算模型,并确定了相关参...     

路基黏土改良填料的动剪应变门槛研究

土体的动剪应变幅值是分析土体动力特性的关键参数,针对掺砂、砾的路基黏土改良填料,进行了一系列不同围压、动偏应力、压实度、含水率条件下的大型动三轴试验,探讨了改良填料累积塑性应变的增长特点和类型,分析了动剪应变与累积塑性应变增长的内在联系,最终得出了区分累积塑性应变增长类型的动剪应变门槛,由此可以利用土体所表现出的动剪应变值判断其动力稳定性。     

重复荷载下粉性路基土永久变形特性和预估模型

以动三轴试验模拟行车荷载下沥青路面路基土长期受力状态,测试加载104次粉性路基土在3种含水量、2种压实度和3种偏应力条件下的永久塑性应变曲线,量化其对路基永久变形的影响程度。大量调研和试验数据拟合分析表明Tseng-Lytton本构模型可预估粉性路基土累计永久应变。利用上述试验结果进一步回归给出了该本构模型中参数与粉性土基本指标含水量和回弹模量的计算公式,从而得到粉性路基土的永久应变预估模型,该本构模型可用于柔性基层沥青路面车辙分析。     

土压平衡盾构刀盘掘削动态数值模拟

在盾构掘进过程中,刀盘与土体之间的相互作用非常复杂。应用大型通用有限元分析软件ABAQUS建立了在砂土和黏土地层条件下土压平衡盾构刀盘掘进的非线性动力学模型,依据德鲁克-普拉格塑性屈服准则,采用包含单元删除功能的损伤失效准则模拟土体的屈服和破坏。模拟结果反映了土体在受到切削时累积塑性应变直至破坏的变化规律;刀盘在掘进过程中所受载荷呈一定周期性变化;在其他掘进参数不变的情况下,刀盘在砂土中掘进时所受轴向力和扭矩大于黏土;刀盘在砂土中的切削效率低于黏土。研究结果能够为土压平衡盾构刀盘的设计研究提供一定的理论指导。     

反复湿化和动载作用下路基红黏土累积变形特性研究

针对南方湿热地区红黏土路基受干湿交替环境和行车荷载往复作用而出现过大附加沉降的问题,为揭示反复湿化和动载联合作用下路基红黏土的累积变形演变规律,采用喷雾加湿和暖风干燥的方法对压实红黏土试样进行定量增湿与脱湿,制备了4个不同湿化幅度和5种不同湿化次数的试样,并通过动三轴试验测试了湿化幅度、湿化次数和动应力幅值对累积变形的影响。研究结果表明:累积塑性应变随湿化幅度的增加呈非线性增大,存在临界湿化幅度为1.5%,超此幅值时累积应变成倍增加;试样经历初次湿化时,即从0次到1次,累积应变增幅较大,第2次和第3次时增幅放缓,而进行到第4次时,累积应变增幅又变大;动应力较小时,累积应变在较少振动次数下趋于稳定,而当动应力超过临界动应力水平,试样累积应变迅速增长直至破坏,且动应力对累积塑性应变的影响随着反复湿化幅度和次数的增加而增大;累积应变状态受湿化幅度、湿化次数和动应力幅值的耦合影响,从塑性安定型演变为增量破坏型,其典型滞回曲线形状由从疏到密变化到从密到疏,面积越来越大。最后基于试验加载结束时累积应变的幂函数变化规律,以湿化幅度、湿化次数和动应力幅值为变量,建立了动力湿化应变的预测模型,可用于实际工程常出现的稳定型累积应变状态的湿化变形预测。     

路基土石混合料的累积塑性应变预估模型研究

在重复荷载作用下,土石混合料路基的累积塑性变形与路面病害直接相关。为了定量预估土石混合料在不同荷载作用次数下产生的累积塑性应变,开展了一系列大型动三轴试验,结合试验结果与回归分析,比选了已有预估模型,并在半对数模型的基础上建立了只需要静强度和含水率作为参数的累积塑性应变预测模型。预测值与实测值的对比结果表明,所建立的预估模型在振次大于50 000次后具有较好的预测效果,可以为土石混合料路基的长期变形预估提供必要的依据。     

高速铁路隧道结构动力累积损伤模型试验研究

为探讨高速铁路隧道衬砌结构在列车振动荷载长期作用下的动力累积损伤特征,阐述混凝土结构动力相似材料模型试验原理,以武广高速铁路金沙洲隧道为原型,利用微粒混凝土作为相似材料,构建隧道与围岩动力相互作用全断面试验模型,施加高速列车振动荷载对相似材料模型进行动力累积损伤试验;试验过程中同步测试隧道衬砌结构各特征点动应变、超声波速度以及隧道底部围岩接触应力的时程响应数据,分析隧道衬砌结构动力响应特征与累积损伤规律。得出了在设计使用寿命期内,高速列车振动荷载长期作用下,隧道衬砌结构动力累积损伤效应不明显,而隧道底部围岩累积损伤破坏则应引起足够重视等研究结论。     

大振次交通荷载对压实黄土微观结构变化的影响

长期交通荷载作用下路基土体累积应变的持续发展在引发路面沉降的同时也会影响土体的动力特性。当前研究大多停留在宏观角度,并未从微观上合理揭示其应变发展、动力参数变异的机理。在我国西北地区的公路交通建设过程中,黄土是应用最为广泛的路基填料。为了揭示长期交通荷载作用下压实黄土的宏观力学响应与其微观结构变化的内在联系,采用动三轴试验得到了长期交通荷载作用下压实黄土的累积应变和动模量随振次的发展规律,进而结合扫描电镜对振动前后压实黄土试样的微观结构进行了对比分析。研究结果表明,长期交通荷载作用下压实黄土的累积应变及动模量随振次的发展表现为明显的两阶段变化特征。按照塑性应变速率发展规律可以对其两阶段变化进行定义,分别为"对数下降段"和"稳定震荡段"。长期交通荷载作用前后压实黄土的微观结构变化主要表现为"凹坑"和贯通孔隙的闭合、颗粒之间胶结的断裂以及颗粒的破碎和重分布。推测"对数下降段"累积应变的快速发展和动模量的逐渐增加是"凹坑"和贯通架空孔隙闭合的宏观表现,"稳定震荡段"累积应变的持续发展和动模量的逐渐衰减则是颗粒之间胶结的断裂以及颗粒的破碎和重分布的宏观表现。建议在工程中通过预振等措施消除对数下降段的累积塑性应变,以期有效控制运营期沉降。     

黏土一维剪切流变的等效时间线模型

为揭示变剪应力作用下黏土的流变特性,建立了一维剪切弹黏塑性模型。参照Yin等提出的等效时间流变模型的建模思路,将剪切应变速率分为弹性剪切应变速率和黏塑性剪切应变速率。弹性剪切应变速率与加载路径无关,用非线性函数模拟。而对于黏塑性剪切应变速率,首先基于Singh等提出的常剪应力作用下的蠕变速率经验公式推导黏塑性剪切应变、等效时间与剪应力之间的函数关系式;然后参照Yin等提出的等效时间法,把该关系式通过等效时间代入蠕变速率经验公式,获得以剪应力和剪应变为变量的黏塑性剪切应变速率式。弹性剪切应变速率式与黏塑性剪切应变速率式之和即为一维剪切流变的等效时间线本构关系式,再通过淤泥质黏土的分级加载试验和黄土的加卸载试验与该本构关系式剪切应变表达式之间的比较,验证该模型在变剪应力加载下的适用性。研究结果表明:所构建模型的预测曲线和分级加载试验曲线、加卸载试验曲线吻合较好,这说明该模型在变剪应力加载下具有较好的适用性;模型良好的预测性也说明其建模过程中用到的等效时间法不仅适用于一维压缩流变,还适用于一维剪切流变,拓展了等效时间法的应用范围。     

基于Martin-Darvidenkov模型的冻结粉质黏土动力特性研究

冻土作为一种由固体矿物颗粒、冰晶体、未冻水及气体组成的多相结构体系,其动力学性质相较融土更为复杂。为了研究冻土动力特性的演化规律,探究等效线性黏弹性模型对冻土的适用性,以青藏粉质黏土为对象开展了一系列分级循环加载条件下的低温动三轴试验,深入分析冻土动弹性模量和阻尼比随振次、围压及动应变幅值的变化规律。研究结果表明：冻结粉质黏土骨干曲线的初始斜率随围压的增大而减小,体现了围压的强化作用;分别采用H-D模型和M-D模型对冻土的骨干曲线进行描述,结果显示相比H-D模型,采用M-D模型可以较好地模拟冻结粉质黏土骨干曲线在高动应变幅值下的软化现象;冻结粉质黏土的动弹性模量随动应力幅值的增大非线性减小,且基于M-D模型的动弹性模量预测模型可较好地描述冻结粉质黏土动弹性模量随动应变幅值的非线性变化规律;在每级循环荷载作用下,动弹性模量随振次的增大有小幅波动;滞回曲线面积随动应变幅值的增大呈非线性增大的趋势,阻尼比随动应变幅值的增大呈现出先减小后增大的趋势。此外,在每级动荷载作用下,当加载级数较小时,阻尼比随振次的增大逐渐减小,随着加载级数的增大,阻尼比随振次增大而减小的趋势逐渐减弱;当加载级数较大时,阻尼比随振次的增大呈现出逐渐增大的趋势。     

黏土一维剪切流变的等效时间线模型（双语出版）

为揭示变剪应力作用下黏土的流变特性,建立了一维剪切弹黏塑性模型。参照Yin等提出的等效时间流变模型的建模思路,将剪切应变速率分为弹性剪切应变速率和黏塑性剪切应变速率。弹性剪切应变速率与加载路径无关,用非线性函数模拟。而对于黏塑性剪切应变速率,首先基于Singh等提出的常剪应力作用下的蠕变速率经验公式推导黏塑性剪切应变、等效时间与剪应力之间的函数关系式;然后参照Yin等提出的等效时间法,把该关系式通过等效时间代入蠕变速率经验公式,获得以剪应力和剪应变为变量的黏塑性剪切应变速率式。弹性剪切应变速率式与黏塑性剪切应变速率式之和即为一维剪切流变的等效时间线本构关系式,再通过淤泥质黏土的分级加载试验和黄土的加卸载试验与该本构关系式剪切应变表达式之间的比较,验证该模型在变剪应力加载下的适用性。研究结果表明：所构建模型的预测曲线和分级加载试验曲线、加卸载试验曲线吻合较好,这说明该模型在变剪应力加载下具有较好的适用性;模型良好的预测性也说明其建模过程中用到的等效时间法不仅适用于一维压缩流变,还适用于一维剪切流变,拓展了等效时间法的应用范围。     

季冻区路基土的能量损伤演化模型研究

依托辽宁阜新某公路路基土样,进行冻融循环试验及三轴压缩试验,分析不同含水率、围压、冻融次数下的弹性能变化规律;基于能量衰减定律,建立能量损伤演化模型,探索季冻区路基土的损伤规律。结果表明：含水率较高时试件应变与弹性能正相关,弹性能随冻融次数和含水率的增加而平顺,含水率较小时弹性能迅速升高出现峰值,然后逐渐减小最后趋于平稳;在围压加持下,随着应变的增加弹性能整体呈现先增大至峰值点后减小并趋于稳定的变化趋势,曲线相同应变位置的弹性能值随围压的增大而增大;能量损伤演化模型曲线与试验曲线吻合度较高,为季冻区冻土路基灾害防治提供了理论依据。     

循环荷载下偏压固结饱和粉土刚度软化规律研究

以研究饱和粉土在循环荷载下长期变形和刚度软化为目的,通过GDS动三轴试验仪开展了一系列不同动应力比和不同固结应力影响下的偏压固结试验,分析了饱和粉土的动应力～应变曲线的变化趋势,揭示了累积孔压、累积应变与循环次数的关系。试验结果表明:刚度软化、累积应变、累积孔压均与动应力比、固结应力、循环次数有关,随着循环次数、动应力比、固结应力的增加,刚度软化加剧,累积孔压、累积应变增大。建立了刚度软化模型,通过对试验数据进行拟合分析发现,软化系数与累积孔压、累积应变呈指数关系,且累积孔压的关系更加显著。该模型参数少,易获取,易嵌入本构模型中,应用方便。     

LYP160级钢单调及循环加载性能试验

为探讨国产LYP160级钢单调及循环加载下的力学性能,对12个LYP160级钢试件进行单调加载试验和多种加载制度下的循环加载试验,分析其单调加载力学性能、本构关系及循环加载应力-应变特性;并基于Ramberg-Osgood模型拟合了不同循环加载制度下LYP160级钢的应力增量-应变增量关系曲线。研究结果表明:LYP160级钢具有良好的塑性变形能力和滞回性能,不同循环加载制度下的应力-应变曲线饱满;其循环加载应力-应变曲线与单调加载应力-应变曲线差异明显,循环加载应变幅值、加载历史对其循环应力-应变曲线影响显著;若循环加载应变幅小于LYP160级钢的强化初始应变,则循环硬化现象不明显,若循环加载应变幅大于LYP160级钢的强化初始应变,则循环硬化现象非常明显;基于Ramberg-Osgood模型能较好地模拟各循环加载制度下的应力增量-应变增量曲线,应变幅逐级增大的加载制度下各应力增量-应变增量曲线较为接近,而应变幅逐级减小的加载制度下应力增量-应变增量曲线与其他加载制度下的应力增量-应变增量曲线差异较大。     

控制UCS条件下的路基无机结合料改良土动力性能评价

针对湖南省四种不同塑性指数(PI)的路基软土,在控制无侧限抗压强度(UCS)为350 k Pa和700k Pa的条件下,研究了采用粉煤灰、石灰、水泥三种无机结合料进行改良的配比组合方案,并对改良土进行了循环加载试验以评价其动力性能(如回弹模量和累积塑性应变)。研究结果表明,各种结合料组合对提高USC的效果排名为:(石灰+水泥)水泥(石灰+粉煤灰)粉煤灰石灰,为达到目标UCS,土的塑性指数越大,则改良所需的结合料组合排名越靠前。由于素土类型和改良方案的区别,UCS相近的改良土可能呈现较大差异的回弹模量。在同一UCS控制条件下,改良土回弹模量总体随着水/结合料比例的减小而提高,而累积塑性应变则总体随着该比例的减小而降低,回弹模量、累积塑性应变均与土的PI无明显相关性,在7 d的基础上适当延长养护时间可以有效提高回弹模量,在实际工程中,利用改良土应重视压实后的养护工作。     

重复荷载下沥青混合料变形的数值模拟

采用加载0.1 s、卸载0.9 s的半正弦波间歇荷载模拟路面实际的车辆荷载,利用线性Drucker-Prager蠕变模型对重复荷载下AC-13C基质、改性沥青混合料的变形进行黏弹塑性数值模拟,预测得到的变形与实测变形相比非常一致。沥青混合料的蠕变应变随着时间的增长而增大,初期增长率大而后期增长率小。在沥青混合料未屈服时,蠕变应变就是沥青混合料的永久应变;当沥青混合料发生屈服,产生了不随时间变化的塑性应变,此时蠕变应变加上塑性应变即为沥青混合料的永久应变。结果表明线性Drucker-Prager蠕变模型可以预测重复荷载作用下沥青混合料的变形,可用于移动荷载下沥青混凝土路面结构的力学响应分析。