地震液化离心机振动台模型试验与LEAP研究进展

离心机振动台模型试验是研究地震液化问题的重要手段,一方面可重现场地地震响应和揭示液化致灾规律,为发展工程设计方法提供依据;另一方面可以作为特定边值问题的标准模型试验数据,验证数值方法与土体本构模型及其参数选取的合理性。介绍了离心机振动台模型试验的试验原理,回顾了离心机振动台模型试验在地震液化领域的主要研究进展。围绕由中国、美国、日本和英国等国家高校与研究所联合开展的国际合作项目“液化试验与分析”(LEAP),重点介绍了若干为提高离心机振动台模型试验可重复性而发展的物理模拟新技术,包括离心机振动台的台面振动控制技术、模型土体弹性波速测试技术和基于图像分析的动态位移监测技术等。最后针对地震液化领域的若干工程和研究需求,探讨了离心机振动台模型试验领域的发展趋势。

间歇性循环荷载下冻融风积土变形特性及分数阶预测模型

列车运营对路基的长期作用由振动加载、荷载间歇交替组成,已往研究多只考虑振动加载周期对路基土体强度和变形特性的影响,而忽略了间歇期的影响。为研究间歇性循环荷载作用下风积土路基变形特性,利用GDS DYNTTS冻土动三轴仪,开展不同有效固结围压σ_(3c)、冻融循环次数FT、动应力幅值σ_(d)^(ampl)和振动频率f的间歇性循环荷载下风积土动三轴试验,研究间歇性循环荷载下冻融风积土变形特性及其影响因素。试验结果表明:间歇性循环荷载作用下风积土累积塑性应变曲线呈稳定型、发展型和破坏型三种形态。间歇阶段能够在较大程度上削弱土体的应变累积,从而使其较连续荷载作用下变形减小。基于极差方法,确定动应力幅值是影响风积土累积塑性应变的最重要因素,其余依次为有效固结围压、冻融循环次数、振动频率。采用双Abel黏壶建立考虑间歇性循环荷载作用的冻融风积土分数阶累积塑性应变预测模型,并与试验结果进行了对比分析,二者吻合度较高,说明该文建立的分数阶累积塑性应变数学模型可合理预测间歇性循环荷载作用下风积土路基长期变形特性。研究成果可为季节性冻土地区路基工程设计和灾害防治提供科学依据。

分级动荷载下土石混合体滞回曲线形态特征试验研究

城市回填区地层多以松散土石混合体形式存在,自身结构孔隙率大、强度低、工程性能较差,对隧道施工扰动和地铁列车运行等动载作用十分敏感。滞回曲线可反映土体在动荷载作用下的变形、刚度及能量耗散等特征,研究土石混合体滞回曲线对回填区地铁的施工和运营安全具有重要意义。利用KTLDYN伺服电机控制式动三轴试验系统,采用分级加载的方式对回填区土石混合体试样进行了循环荷载试验,研究了含石量P、含水率ω、固结应力比k_(c)和加载频率f对滞回曲线的形态特征(包括中心间距d、长轴斜率k、滞回曲线包围面积S和不闭合程度ε_(p))和骨干曲线的影响。研究结果表明:土石混合体的典型滞回曲线整体呈长梭形,两端呈尖叶状。d、S、ε_(p)随着振级的增加呈非线性增大,k随着振级的增加呈对数关系衰减。同一振级下,d和ε_(p)随着P、k_(c)和f的增大而减小,随着ω的增大先减小后增大;k随着P、k_(c)和f的增大而增大,随着ω的增大先增大后减小;S与P呈正相关,随着ω的增大先增大后减小,随着k_(c)和f的增大而减小。当动应变相同时,动应力和骨干曲线斜率均随P、k_(c)和f的增大而不断增大;随ω的增大先增大后减小。

淤泥固化土动力特性及在直立护岸抗震分析中的应用

以大连临空产业园填海造地项目为背景,开展淤泥固化土动力特性试验研究。运用FLAC^(3D)有限元软件对不同地基处理方案的直立沉箱护岸在地震作用下进行动力响应模拟。从加速度响应、孔压与有效应力、残余变形等方面定量评价直立沉箱护岸结构的抗震安全性。动力特性试验结果表明:阻尼比与剪切应变和固化剂掺量呈正相关,且围压越高,阻尼越小。数值分析结果表明:在地震作用下,不同的地基条件下加速度放大系数呈现出不同的峰值;沉箱下方砂土层不液化;淤泥固化土地基上沉箱的残余变形小于原状淤泥地基且高水位能减小残余变形,提高沉箱的安全性。研究成果可为类似港口工程抗震设计提供参考。

西安近断层区黄土动力特性研究

为研究近断层区黄土的动剪切模量和阻尼比特性,以近骊山断层区黄土为研究对象,采用GDS动三轴试验仪进行动三轴试验,分析黄土动剪切模量和阻尼比在围压、饱和度、频率三种因素影响下的变化规律.结果表明:近断层区黄土动剪切模量和饱和度、固结比呈负相关关系,且降幅逐渐减小;与振动频率呈正相关关系,并且随着振动频率的增加,增幅逐渐减小.近断层区饱和黄土的动剪切模量出现反弹现象,其值高于非饱和黄土,其原因可能为断裂带黄土次生裂隙更为发育.其孔隙水溶解土骨架中的可溶盐增多,土体趋于软化,黏滞性增强,所需的动剪切应力增加.近断层区黄土阻尼比与饱和度、围压和固结比呈负相关关系,且降幅逐渐减小,最后趋于稳定.饱和度对黄土阻尼比影响最大,围压和固结比对阻尼比影响较小.近断层区原状黄土与重塑黄土阻尼比大致近似,近似可认为土体扰动对骊山山前断裂场地黄土影响较小.本文采用半对数坐标系下的线性函数来量化动剪切模量、阻尼比与动应变的关系,且拟合效果较好.这一研究结果可为近断层区的动力响应机制分析提供参考.

不同含水率红陶土的SHPB动力学性能实验

为研究动态加载下红陶土的动态力学特性,利用分离式霍普金森压杆系统,开展了含水率分别为5%、7%、9%、11%、13%和15%,冲击速度分别为6、8、10 m/s,分析了不同含水率和应变率条件下红陶土的动力学特性。结果表明:随着冲击速度的增大,红陶土应变率效应显著;在冲击荷载作用下,红陶土的动态应力-应变关系曲线随加载应变率提高呈现2种曲线类型,分别为脆-塑性破坏和脆性破坏,随着应变率的增加,红陶土破坏过程由塑-脆性破坏逐转变为脆性破坏;红陶土的抗压强度、动态弹性模量均随应变率的增大而增加,并随着含水率的增大先减小后增大。

轮胎加筋砂垫层抗液化性能振动台试验研究

将废弃橡胶轮胎内填充散体材料形成加筋土结构,已被应用于地基、挡土墙和边坡加固等工程,表现出较好的减震隔振效果,而轮胎加筋土的抗液化性能尚缺乏研究。开展3组小型振动台试验,通过改变轮胎垫层的排水条件,验证轮胎加筋砂垫层的抗液化效果。结果表明:轮胎加筋砂垫层具有良好的抗液化效果,与刚性垫层相比,超静孔压比峰值差值范围在0.01~0.19,残余超静孔压比差值范围在0.08~0.16,轮胎加筋砂垫层提供的排水通道具有抑制超静孔隙水压力发展和加速超静孔隙水消散的作用,孔隙水会沿着轮胎与下部土体的界面以及胎间的排水通道排出;采用量测侧向动土压力的方法,定义土体液化程度量化指标,进一步验证轮胎加筋砂垫层抗液化效果;振动过程中轮胎加筋垫层表面沉降范围为11.3~15.7 mm,表现出较好的变形协调性能。

控制饱和度的珊瑚砂振动台液化模型试验研究

为探究珊瑚砂场地的抗液化能力,本研究通过控制饱和度的振动台模型试验,克服一般模型试验中饱和度的模糊状态,对比研究了具有相似饱和度、级配和相对密度的珊瑚砂与石英砂的动态响应和液化行为,探讨了珊瑚砂场地的液化特性。研究结果表明:2种材料在相似饱和度条件下均表现为可液化状态,且在抗液化强度上未表现出较显著差异;液化前珊瑚砂的剪切模量显著高于石英砂,若直接套用现行剪切波速液化判别方法,该场地将判别为非液化场地,从而造成珊瑚砂场地使用中的液化风险被忽视;在液化发生后,二者的剪切模量皆趋于0,表明两类场地液化后的震害相似。研究应用室内模型试验证明了珊瑚砂是可液化土,抗液化强度与陆源砂土相近,这与以往震害调查的结果相互印证;研究中所使用的模型饱和制样方法以及饱和度评价方法可为未来的珊瑚土模型试验提供技术参考。

饱和橡胶砂抗剪强度和动变形特性试验研究

将废旧轮胎作为道路工程填料是一种有效的处理废旧轮胎的措施。为了研究废旧轮胎橡胶颗粒与砂混合土在道路工程中的应用潜力,文章以橡胶砂为研究对象,通过直接剪切试验和动三轴试验讨论橡胶颗粒含量对饱和橡胶砂的抗剪强度及动变形特性的影响。研究结果表明,饱和橡胶砂的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均随着橡胶含量的增加而增大;饱和橡胶砂的最大动剪模量值随橡胶颗粒含量的增大而减小;橡胶颗粒含量增大时,橡胶砂动模量比衰减变慢。研究结果可为橡胶砂的工程应用提供借鉴。

风积沙填筑铁路路基累积塑性变形及临界动应力试验研究

目前用于铁路基床的填料大多数为级配优良的填料,而对风积沙作为路基填料在列车荷载作用下的累积塑性变形特性和临界动应力研究不多,但风积沙作为路基填料已在沙漠铁路建设中得到运用。为探究列车荷载作用下风积沙填料填筑铁路路基的累积塑性变形演变特性及临界动应力,考虑围压、动应力幅值、压实系数和含水率等因素的影响,开展一系列动三轴试验。试验结果表明:风积沙累积塑性应变随压实系数、围压的增大而减小,随动应力幅值的增大而增大。以最优含水率为分界点,低于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而减小;高于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而增大。风积沙试样的累积塑性应变曲线可分为:稳定型、临界型和破坏型。根据对累积塑性应变曲线的分类,获得了不同条件下风积沙填料的临界动应力。风积沙临界动应力随围压和压实系数的增大而增大,饱和含水率下风积沙填料的临界动应力明显小于天然含水率和最优含水率下风积沙填料的临界动应力。临界动应力和围压具有较好的线性关系。构建了可考虑围压和含水率影响的风积沙临界动应力经验公式,通过临界动应力公式确定了不同工况下风积沙作为路基填料的适用范围。试验结果可为沙漠铁路的设计、施工以及运营提供经验和理论依据。

列车荷载下风积沙填料弹性应变及预测模型

随着我国沙漠铁路不断向沙漠腹地修建延伸,取得路基填筑所需级配良好填料的运距逐渐增加,导致铁路建设投资大幅提高,因此就地取材采用风积沙填筑路基已成为一种趋势,但在循环荷载作用下风积沙填料的弹性应变规律还不明确。为研究循环荷载作用下风积沙填料的弹性应变规律,结合和若铁路列车运行工况,开展一系列考虑动应力幅值、围压、压实系数、含水率及频率等弹性应变影响因素的循环荷载试验,建立与土体性质、围压及循环动荷载参数相关的风积细砂填料弹性应变预测模型。试验结果表明,细砂填料的弹性应变变化规律与动应力幅值、围压、压实系数、含水率、频率等因素有关:动应力幅值的增加会加剧细砂填料弹性应变的发展;通过提高围压、压实系数可有效改善细砂填料动力性能,减小弹性应变的发展;随着含水率的增加,细砂填料试样的弹性应变先减小后增大,天然含水率和饱和含水率试样的弹性应变较为接近,最优含水率试样弹性应变最小;频率对细砂填料应变的影响与围压有关,围压较小时频率与应变负相关,围压较大时频率与应变正相关。采用弹性应变预测模型对典型试样结果进行预测,取得了良好的预测效果。研究结果可为沙漠铁路风积沙路基结构优化及长期动力稳定性评估提供理论支持。

重载铁路粗粒土填料动力特性及累积变形分析

重载铁路路基比普通铁路和高速铁路要承受更大的动力荷载,路基本体的动力变形更加明显。重载铁路路基的核心层绝大部分为粗粒土,为了探讨重载铁路路基粗粒土填料在列车往复荷载作用下的变形和强度特性,开展了一系列大型动三轴试验,探讨了不同动应力幅值、不同围压、不同含水率对粗粒土土样累积变形的影响,分析了不同静强度和围压时动强度的特点,并根据粗粒土土样在不同围压和动应力作用下的变形规律,即增大围压或减小动应力有助于增强土体稳定,提出了基于累积变形发展趋势的路基粗粒土变形稳定界限状态和判别准则,并给出了判别准则参数。研究结果对重载铁路路基的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计具有参考价值。

循环荷载下饱和软黏土的累积塑性应变试验研究

通过以交通荷载为背景的饱和重塑软黏土室内不排水动三轴试验,研究了循环荷载作用下饱和重塑软黏土的累积塑性应变发展形态,可分为3种类型:稳定型、破坏型和临界型。根据稳定型累积塑性应变发展曲线特点,提出了饱和软黏土的稳定累积塑性应变方程,并通过试验结果分析了该方程中各拟合参数与动应力幅值、固结围压和静偏应力的变化规律,同时提出了求解无静偏应力条件下软黏土临界动应力的解析方法。通过动三轴试验结果,提出了含动应力幅值、固结围压、静偏应力和循环周次等影响因素的累积塑性应变拟合模型。

应变累积对黏土动剪模量和阻尼比影响的试验研究

通过对比试验,研究了分级循环加载试验中的应变积累现象,分析其对土动剪模量和阻尼比的影响,并指出:由于剪切应变的积累,分级循环加载试验得出的滞回曲线随着加载级数的增加,而沿着剪应变轴逐渐发生平移,但其形状特性并未发生变化。讨论了分级加载试验数据处理的方法,试验结果表明:先前的较小幅值荷载作用下产生的累积应变对后继较大幅值荷载下测得的动剪模量和阻尼比影响较小。最后,分析了分级循环加载试验方法的意义。

饱和黄土液化机理与特性的试验研究

基于室内土动力学试验、电化学试验和电镜扫描图像处理分析,研究了饱和黄土液化的机理,建立了饱和黄土孔隙水压力和应变的增长模型,定量研究了黄土液化的主要影响因素。

循环荷载作用下路基粗粒土填料临界动应力和累积变形特性分析

粗粒土填料作为铁路路基核心层,直接承受行车荷载的反复作用,其在动载反复作用下的变形特性决定了路基工作性能,但目前对粗粒土填料在列车往复作用下的动力变形特性研究不多。为探究行车荷载对基床粗颗粒土动力变形特性的影响规律,进行一系列粗粒土填料持续振动条件下的大型动三轴试验,包括不同动应力幅值(模拟不同列车轴重)、不同围压(模拟不同埋深下的侧压作用)和不同含水率(模拟不同雨水环境)等多种情况。获得路基粗粒土填料的临界动应力和累积应变随围压和含水率变化的系列关系数据和变化规律。试验结果对重载铁路路基核心层的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计具有重要参考价值。

交通荷载作用下低路堤动力特性试验研究

结合连盐高速低路堤,对路堤进行了动应力、振动响应等现场测试,分析了路基中附加动应力及振动位移的变化规律.并且通过应力控制的室内动三轴试验,采用一定的动应力频率、不同的循环应力比来模拟交通荷载,研究了在循环荷载作用下,连盐高速公路饱和软粘土的轴向累计应变、孔隙水压力和轴向周期应变软化的变化规律.实验结果表明:路堤中动应力和振动位移随行车速度和车重的增加而增加,随深度的增加而降低,有效影响深度达2.5m;原状土的临界循环应力比远大于重塑土,承受循环应力能力高于重塑土.因此,要加强浅层路基强度,同时要减少对底部下卧层软粘土的扰动.其结果可为在软土地基上设计和施工低路堤高速公路提供有益的参考.

持续动荷载作用下基床粗粒土填料累积塑性应变试验研究

粗粒土填料在重载铁路基床层广泛应用,其受列车动荷载影响明显,研究基床粗粒土在持续动荷载作用下的累积变形有重要意义。通过制作不同含水率的粗粒土试样,对试样开展不同围压、不同动应力幅值的大型动三轴试验,分析试样在持续动荷载作用下轴向累积塑性应变的增长特点。基于安定理论,划分不同条件下试样的动力行为,探讨含水率对粗粒土试样累积塑性应变的影响,得出不同动力行为之间的临界应力表达式。建立塑性蠕变动力行为累积塑性应变预测模型,模型的准确性验证表明:此模型在动荷载重复次数N≥50 000时有较高准确性。试验结果对重载铁路基床层动力稳定性评价有参考价值。

地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软黏土动力响应研究

以上海地铁二号线静安寺站-江苏路站区间隧道周围饱和软黏土为研究对象,通过对隧道周围不同位置、不同深度土体中预埋土压力盒和孔压计,进行现场连续动态监测,对地铁振动荷载作用下饱和软黏土的响应频率、土体响应应力幅值随距离地铁隧道远近以及土体响应应力幅值随深度的变化规律进行研究,并提出了土体动力响应衰减计算公式,利用该式可以计算出地铁列车经过时的影响范围及其动力响应值的大小,可以预测与估算地铁列车振动荷载对周围建筑物的影响情况,为地铁设计、施工以及安全运营提供有价值的参考。

冻土动力学参数测试研究

冻土的动力学参数既是工程设计的依据之一,也是数值模拟时不可缺少的参数。本文分析了取自青藏铁路的两种路基土,即粉质粘土和细砂的动弹性模量和动阻尼比变化特征。试验发现,冻结粉质粘土和冻结细砂的动力学参数随频率、温度和含水量的变化规律相同。冻土的动弹性模量随频率的增加或温度的降低而增加。含水量增加时,冻土的动弹性模量先增加后降低,在饱和含水量附近达到最大。冻土的动阻尼比随频率的增加或温度的降低而减小。含水量增加时冻土的动阻尼比略有增加。