EPS颗粒混合轻量土的动变形特性及修正Hardin-Drnevich模型研究

为探究EPS颗粒混合轻量土的动变形特性,通过动三轴试验研究了不同配比、围压对轻量土骨干曲线、Hardin-Drnevich模型参数的影响规律,建立了修正Hardin-Drnevich模型,并对修正模型进行了验证。结果表明:轻量土的骨干曲线呈现出明显的非线性特性与应变硬化特征。轻量土动剪切模量的倒数与剪应变关系曲线符合线性递增的变化规律,其动变形特性可以由Hardin-Drnevich模型描述。最大动剪切模量的倒数和最大动剪应力的倒数随着围压和水泥掺量的增大而减小,随EPS颗粒体积比的增大而增大。在Hardin公式的基础上,引入相对结构度k和广义孔隙比e’,提出了模型参数的表达式,建立了修正Hardin-Drnevich模型。通过改变应力状态和应力路径对轻量土进行动三轴验证试验,发现模型计算值与试验值间的相对误差均小于11%,修正Hardin-Drnevich模型对轻量土骨干曲线的预测结果良好,这表明修正Hardin-Drnevich模型可以描述轻量土特殊结构性在复杂受力条件下的动力响应。

Hardin-Drnevich本构模型在ABAQUS中的实现

利用大型有限元软件ABAQUS所提供的用户材料子程序UMAT接口,针对土石料动力本构模型中的等效线性粘弹性模型,开发了等效线性粘弹性模型中应用最广的Hardin-Drnevich模型的子程序,并运用到新疆某土石坝的动力反应分析中。结果表明:在ABAQUS中增加HardinDrnevich材料本构模型后,可以充分地利用该软件强大的非线性求解平台进行土石坝的动力反应分析,具有计算效率高和前后处理快捷等优点,同时验证了所建模型的合理性和可用性。

木质素改良黄土动本构关系研究

为有效改善黄土的动力易损性,选取新型环保加固材料木质素作为改良材料。基于室内试验,研究了不同掺量木质素改良黄土的动本构关系,分析了不同木质素掺量的改良黄土的滞回曲线特性和阻尼特性,并基于试验结果提出了考虑木质素掺量的改良黄土Hardin-Drnevich改进模型。研究结果表明:不同木质素掺量的改良黄土骨干曲线具有显著差异,同等动应力条件下,掺量1%的改良黄土的动应变最小。不同掺量的木质素改良黄土的阻尼比曲线和滞回曲线均具有显著差异,掺量1%的木质素改良黄土的滞回圈长轴更短,形状更为扁窄,面积更小。木质素改良黄土的阻尼比随木质素掺量的增加具有先减小后增大的特点,1%掺量的木质素改良黄土的阻尼比最小。木质素改良黄土动本构关系符合Hardin-Drnevich双曲线模型,并可在模型中引入木质素掺量m作为参数,得出相关性良好的Hardin-Drnevich改进模型。木质素可有效改善黄土的抗动变形能力和动刚度,但木质素掺量的持续增加不会导致其动力特性的持续增强。

循环荷载下煤矸石路基填料动力特性及骨干曲线模型研究

煤矸石作为煤矿建设和煤炭生产过程中所产生的废弃物,排放量与存储量巨大,将其用作路基填料,可产生较大的经济、社会和环境效益。通过大型动静三轴试验分析了循环荷载作用下煤矸石路基填料的动力特性,并对其骨干曲线的计算模型进行了深入研究。结果表明:循环荷载作用下煤矸石路基填料的骨干曲线并非呈现出良好的双曲线变化规律,试样的动应力随着动应变的增大而增大;随着围压的增加,试样破坏时的动应力与动应变均逐渐增大。基于动力特性试验结果,采用修正的Hardin-Drnevich模型分析了循环荷载作用下煤矸石路基填料的骨干曲线,分析表明:修正的H-D模型能取得更好的效果。在此基础上,建立了考虑围压效应的煤矸石路基填料骨干曲线计算模型。分析了循环荷载下煤矸石路基填料的动强度、动黏聚力等动力参数,求得了基于修正H-D模型的动弹模量计算公式,分析了循环荷载作用下煤矸石试样动弹模量与阻尼比的变化规律。

土石坝粗粒料的湿化动力特性试验研究

采用大型静动力三轴试验仪对筑坝粗粒料做了常规和湿化三轴试验,研究了粗粒料在湿化变形后动力特性的变化情况,并与常规三轴动力试验结果进行对比。结果表明,粗粒料的动力特性受湿化变形的影响较大,粗粒料的动力性能参数发生了一定程度的衰减,对比分析两种试验的Hardin-Drnevich模型参数,发现湿化变形对k_(2)、λ_(max)影响较为明显,数值发生衰减,但对n、k_(1)的影响不明显。

基于大型动三轴试验的筑坝料动模量和阻尼比研究

采用大型多功能动静三轴仪,对某面板砂砾石坝过渡区爆破堆石料和砂砾石料开展了动模量和阻尼比试验,研究了堆石料、砂砾石料在循环荷载下的动力特性。以修正Hardin-Drnevich模型为理论基础,得到了堆石料和砂砾石料的动本构模型参数,并探究了围压以及固结应力比对这两种试验材料的动模量、最大动剪切模量、动剪切模量比和阻尼比的影响。结果表明:堆石料和砂砾石料的动模量均随着动应变的增大而减小,随着围压和固结应力比的增大而增大;两种材料的最大动剪切模量均随着有效球应力的增大而增大。

CAS-1模拟月壤动剪切模量与阻尼比的试验研究

针对中国科学院地球化学研究所与国家天文台合作研制成功的CAS-1模拟月壤（国家标准试样）,利用GDS共振柱试验仪对模拟月壤开展动力学参数的试验研究,分析了不同孔隙比、不同围压对动剪切模量G及剪应变的影响规律。试验结果表明,在应力水平很低、孔隙比较大的真实月面环境条件下,动剪切模量G较小,阻尼比较大,且随着动剪应变的增大,动剪切模量快速减小,阻尼比急剧增大。采用Hardin-Drnevich模型,得到了不同孔隙比、不同围压下归一化动剪模量G/Gmax与归一化阻尼比/max随变化的平均拟合曲线,探讨了最大动剪切模量G max、最大阻尼比max和参考剪应变r等动参数与应力水平的相关关系式,并据此给出了月壤钻取采样深度（0~3 m）内G max、max和r的值域区间以及各剪应变对应的G/Gmax和的推荐值。

考虑土体小应变特性的浅埋暗挖地铁隧道施工扰动影响的数值分析

借助霍耳局部应变传感器和非接触传感器,对传统三轴试验进行改进,研究北京典型土体的小应变刚度及其随应变变化的规律;通过引入二次函数形式表述的应变历史,分析小应变刚度的变化,采用修正Hardin-Drnevich模型表征小应变力学特性。以浅埋暗挖工法地铁隧道下穿北辰桥为例进行既有桥梁沉降的数值模拟,并与实际监测结果进行对比。结果表明:运用考虑小应变特性的模型得到的预测值与监测结果较为吻合,与常规模型的预测结果相比,预测精度最大提高26%。

某尾矿库坝基粉砂动力特性试验

通过对某尾矿库坝基粉砂进行共振柱和动三轴试验,得到动力特性参数的归一化曲线。分析变形特性与强度特性得到粉砂动力参数的变化规律。由动三轴试验得到不同固结比和固结压力下粉砂动强度、动孔压比与振次的关系,发现动强度与破坏振次间符合乘幂关系,可用幂函数来拟合;动孔压比与振次的关系可用指数函数进行拟合。采用Hardin-Drnevich双曲线模型与Davidenkov模型对动剪切模量比进行拟合,试验分析结果表明,随着围压的增加,两种模型的拟合效果均有所改善。同一围压下,Davidenkov模型拟合效果优于Hardin-Drnevich双曲线模型。

分散性土动剪切模量影响因素的试验研究

分散性土耐冲蚀性低、抗渗性能差,在纯水中具有很高的分散性,严重威胁水利工程的安全。在分散性土的鉴别和改性方面已有很多成果,但分散性土动力特性的研究见诸报端的还很少。利用日本诚研社生产的DTC-199型电液伺服加荷往复扭剪三轴仪,对取自宁夏某碾压均质土坝的分散性土的动剪切模量进行了探索。通过改变试样的含水率、干密度和围压等初始条件,研究分散性土在不同试验条件下的动力特性及剪切模量的变化规律,并进行对比分析。得出:分散性土的动剪应力-应变关系符合Hardin-Drnevich双曲线模型;控制初始条件,当其他条件相同时,含水率越低,动剪切模量越大;干密度越大,试样动剪切模量越大;围压越高,其动剪切模量越大;初始剪切模量及最大动剪应力的变化规律与之相似。动剪切模量随动剪切应变的增大普遍呈衰减趋势。

筑坝堆石料的动模量阻尼比试验研究

为研究目前在土石坝工程中遇到的长石砂岩类堆石料的动力特性,采用大型高压多功能静动三轴试验机,对某面板堆石坝长石砂岩类堆石料进行了动模量与阻尼比试验研究。分析了围压对最大动模量、动剪切模量比和阻尼比的影响,并以Hardin-Drnevich模型为基础,确定主堆石料、过渡料和垫层料3种坝料的动模量和阻尼比等特性参数。试验结果表明:动模量随着动剪切应变的增大逐渐衰减,最大动模量随围压的提高而增大,各种材料的动剪切模量比随着动剪切应变的增大而减小,变化趋势满足Hardin-Drnevich公式,有效固结围压越大,动剪切模量比随动剪切应变衰减的速率越慢;阻尼比随着动剪切应变的增大而增大,围压越大,阻尼比越小,变化趋势可用提出的修正的Hardin-Drnevich公式进行描述。研究成果可为土石坝抗震设计与动力稳定评价提供理论基础。

动载下饱和重塑黄土的骨干曲线变化研究

针对饱和重塑黄土进行了一系列等向固结和偏压固结下的排水与不排水动三轴试验,分析了饱和重塑黄土的动力性质、骨干曲线模型及其影响因素。基于动三轴试验结果,探讨了在考虑累积塑性应变影响下,修正Hardin-Drnevich模型的适用性。结果表明,考虑累积塑性应变时,修正Hardin-Drnevich模型能够较好地模拟饱和重塑黄土的骨干曲线试验结果。进而分析了等向固结和偏压固结、固结围压、波形和排水条件等因素对饱和重塑黄土骨干曲线的影响,得到偏压固结和固结围压的增大使骨干曲线上移,土体强度增加,而波形对骨干曲线的影响较小;排水条件下的骨干曲线较不排水条件下的有所上移,土体强度增加。所得结论可供工程设计人员参考。

渤海海域软表层土的动力特性

为深入研究渤海海域软表层土的动力特性,在渤海海域多个钻孔钻探取样的基础上,研究了其软表层土的工程物理性质。利用振动三轴试验仪进行了一系列不排水动力试验,分析了渤海软表层土在动荷载作用下的动剪切模量比、阻尼比变化特征,并与陆域同等埋深软弱土进行了对比。利用Hardin-Drnevich模型、Davidenkov模型等开展了软土非线性动力本构关系研究。研究结果表明:在类似埋深条件下的陆域软弱土与海域软表层土动力特性有明显差异;Davidenkov模型对陆域与海域软弱土动剪切模量比曲线的拟合效果优于Hardin-Drnevich模型。

不同幅值和频率的交通荷载下黏土变形特性研究

采用GDS空心圆柱扭剪仪对南京河西地区软黏土施加不同循环动应力比(CSR)和不同频率的模拟交通荷载,分析研究土体在交通荷载下的动力特征。试验结果表明:应变曲线随CSR的变化可分为稳定型、临界型和破坏型;在不同频率下,可用频率折减系数对广义剪应变开展进行预测;在较低的CSR(小于0.23)下土体逐渐达到准二次平衡状态,孔压趋于稳定;在较高的CSR下,土体由于结构改变无法达到准二次平衡状态,孔压逐渐上升;不同频率下的孔压变化是由塑性体积应变开展程度和单位时间内塑性体积应变累计“次数”共同作用的;土体的割线弹性(剪切)模量E_(d)(G_(d))与循环正(剪)应变幅值ε_(m)(γ_(m))的关系可以用Hardin-Drnevich模型来描述,发现1/E_(d)~ε_(m)或1/G_(d)~γ_(m)的斜率与CSR成负线性相关,而频率对土体割线模量几乎没有影响;通过计算土体的总体等效阻尼比,发现土体破坏时其值约为0.018,且该值大小随频率变化影响不大,同时相比于CSR,荷载频率对总体等效阻尼比影响较小。

大豆散体材料的动力特性试验研究

为了研究大豆散体材料动力特性的演化规律,通过一系列不同围压下的室内动三轴试验,深入分析了大豆散体材料的动应力-应变关系、动弹性模量和阻尼比的变化规律。研究结果表明:大豆的动应力-应变关系具有显著的非线性和滞后性特征,采用Hardin-Drnevich等效线性化黏弹性模型可以较好地模拟大豆散体材料的动应力-应变关系;大豆散料的骨干曲线斜率随围压增加而增大,表现出围压的强化作用;大豆的动弹性模量随动应变的增大呈逐渐减小的趋势,相同动应变幅值条件下,动弹性模量随围压增加而增大;滞回曲线面积随动应变幅值的增加呈现出非线性增大的趋势,围压越大,大豆散料的滞回耗能能力越强;阻尼比随动应变幅值的增加呈增大的趋势,且相同动应变对应的阻尼比随围压的增大而减小。

地下结构抗震分析中若干土层模拟方法对比研究

动力时程在地下结构抗震分析中应用广泛,土体动力特性的准确模拟对动力时程分析结果有重要影响。介绍了Rayleigh阻尼和Hardin-Drnevich模型的基本理论,验证了等位移边界条件的有效性。从地表加速度响应和加速度幅值沿深度放大两方面,对比分析Mohr coulomb模型、Shake91、Rayleigh阻尼和Hardin-Drnevich模型在2Hz和8Hz正弦波作用下的响应结果。结合理论分析得出:静力Mohr coulomb模型对动力时程分析适用性有限;建议在地下结构抗震分析中采用场地基频与接近地震波主频固有频率计算Rayleigh阻尼参数;Hardin-Drnevich等粘弹性非线性模型比等效线性化方法更适用于地下结构抗震分析。

循环荷载下原状黄土的动应力——动应变关系试验研究

利用英国GDS双向动态三轴试验系统对西宁地区原状黄土进行动三轴试验研究，主要包括：与自然沉积方向呈不同角度的原状黄土的动应力-动应变关系试验研究；原状黄土的深度和固结压力对其动应力-动应变关系影响。结果表明：①西宁原状黄土在不同取样角度下的动应力～动应变关系存在明显差异。加载初期，原状黄土各向异性不明显，当εd≥0．8％时，试样表现出显著各向异性。随着动应力增大，较小动应力增量引起试样较大动应变，动应力-应变关系曲线呈现弱硬化型；②西宁原状黄土在不同取样角度下的动应力-动应变关系符合Har-din-Drnevich双曲线模型，得出了各深度处、不同角度下H-D模型参数；③原状黄土的埋置深度和初始固结压力对其动应力-动应变关系有显著的影响，达到同一动应变所施加动应力与土体埋深、困压同增减，较深黄土层的动弹性模量较大，但随着深度逐渐增加，动弹性模量的增量逐渐减小，大围压下、较深黄土层的可以更好的抵抗振动变形，袁明西宁浅层黄土多孔隙或架空体系结构，受到地震等动力荷载作用时，易发生振动变形。

波浪荷载作用下软黏土软化模型研究

波浪荷载能引起海床土体的主应力轴连续旋转。不同于地震、交通等循环荷载,在周期性波浪荷载作用的土体应力路径方式下,软黏土的软化效用更为明显。本文分别对天然和扰动的海床土体在波浪荷载作用下的应力响应进行模拟,并分析应力路径的特点;为描述软化后的应力-应变关系,将软化效用和累积塑性应变的参数引入到能够反应土体动力非线性的Hardin-Drnevich模型中,建立修正模型,使之能够反应软黏土体软化与塑性应变累计特性;通过与模拟波浪荷载下土体应力特征的循环耦合试验结果进行对比分析,验证该修正模型的可靠性。

洱海泥炭质土动剪切模量和阻尼比试验研究

为探究洱海地域泥炭质土动力学特性,利用GDS动三轴仪对重塑土样进行循环加载试验,得到了一系列围压、固结比、频率控制条件下的泥炭质土动应力-应变关系曲线,分析了不同围压、固结比、频率对土体动剪切模量C_(d)、动剪切模量比G_(d)/G_(dmax)和阻尼比λ的影响规律。结果表明:动剪切模量G_(d)随剪应变γ_(d)增大而减小,γ_(d)较小时,衰减速率较小,随着γ_(d)继续增大,衰减速率先增大后减小;在同一剪应变下,G_(d)随围压、固结比增大而增大,G_(d)对频率变化表现不敏感;采用Hardin-Drnevich双曲线模型(H-D模型)对重塑泥炭质土动应力-应变曲线拟合效果较好,动剪切模量比G_(d)/G_(dmax)随剪应变γ_(d)增大而减小,围压、固结比和频率对G_(d)/G_(dmax)的衰减规律无明显的倾向性;阻尼比λ随剪应变γ_(d)增大而增大,围压对λ变化规律影响较复杂,γ_(d)较小时,λ随围压增大而减小,γ_(d)较大时,λ随围压增大而增大;固结比越大,λ越大,频率越大,λ越小,λ对频率变化表现更敏感,体现了循环加载下泥炭质土的速率效应。

应变控制下舟山岱山海相软土动弹性模量及阻尼比试验研究

为探究舟山岱山海域海底岩土地质层动力学特性,借助GDS动三轴系统对应变控制循环荷载作用下舟山原状海相软土动弹性模量和阻尼比变化规律进行研究。得到舟山岱山海相软土动应力、动应变、动孔压时程曲线以及应力–应变关系曲线,讨论各围压下动弹性模量和阻尼比随动应变幅值的变化趋势。结果表明:舟山岱山海相软土的应力–应变关系曲线为不完全封闭的滞回圈;循环加载过程中土样发生应变软化;同级加载下动弹性模量和阻尼比数据点围绕某恒值作小幅波动,故可采用代表该恒值的均值来表征该级加载下的动弹性模量和阻尼比,由此所得的各围压下动弹性模量–动应变幅值、阻尼比–动应变幅值关系曲线呈收敛趋势;由修正Hardin-Drnevich(H-D)模型建立的应变控制下舟山岱山海相软土动弹模及阻尼比归一化模型可揭示深海环境中海相土受围压影响的动力学机制。将共振柱试验结果与动三轴研究作比较,得到结论:两类试验成果可以互为补充,前者可揭示海相土的弹性特征,后者可反映海相土弹塑性阶段的动力学特性;舟山岱山海相软土在两类试验中均对围压敏感。