中国青藏铁路北麓河路基冻土动应变速率试验研究

基于低温动三轴试验,研究中国青藏铁路北麓河路基冻结粉质黏土在轴向分级循环荷载作用下的变形特征。在不同负温、频率、围压、含水率条件下,考察冻土试件轴向残余应变时程曲线,获得轴向动应变速率受动应力幅值影响大,并随应力比增大而增大,随负温降低、频率升高、含水率增大而减小,随围压增加而线性增大的结论;据此,提出采用幂函数拟合应力比、负温、含水率、频率与轴向动应变速率之间关系,并合理解释冻土特有的振融沉陷的成因机理。有利于合理预测青藏铁路等实际工程在交通荷载作用下由冻土动力残余变形而产生的沉降量,并对于进一步研究冻土路基列车行驶振陷问题具有重要意义,且为建立冻土疲劳模型积累基础试验成果。     

超声波法测定冻土动弹性力学参数试验研究

运用UVM -2型声速测定仪 ,测定了不同含水率的冻结砂土、冻结黄土和冻结黏土在不同温度下的超声波波速 (纵波波速和横波波速 ) ;根据弹性理论 ,利用所测得的超声波波速 ,计算了被测冻土试样的动弹性力学参数 (动弹性模量E、动剪切模量G和泊松比 μ)。计算结果表明 :冻土的动弹性模量和动剪切模量随着温度的降低而增加 ,它们之间的规律可用一个统一的方程来描述 ;冻土的动泊松比随着温度的降低而减小 ;在低含水率范围内的冻结黄土 ,其动弹性模量和动剪切模量随含水率的增加而增加 ,在高含水率范围内的冻结黏土 ,它们则随含水率的增加而减少 ;冻土的动泊松比随含水率的增加而增加。     

不同小主应力和负温条件下冻结粉质黏土平面应变试验研究

针对冻结法施工中的平面应变问题,利用改进的安徽理工大学冻土真三轴仪进行平面应变试验,分析冻结粉质黏土在不同小主应力和负温条件下的强度和变形特性,建立基于Weibull分布和Drucker-Prager强度准则的冻结粉质黏土损伤本构模型。理论和试验结果表明：同一温度下,不同小主应力下的应力–应变曲线呈现不同程度的硬化特征。破坏强度随小主应力的增加表现出先增后减的规律,随温度的降低呈线性增长的趋势。建立的非线性莫尔–库仑强度准则可以近似描述冻结粉质黏土的强度随小主应力增大而呈现出的非线性变化特征。不同试验条件下小主应力方向的应变均为膨胀变形,体应变均呈现剪缩的特性。随着小主应力的增大,试样的变形模量呈现先增后减的趋势;当小主应力相同时,其值随温度的降低而增大。当温度相同时,破坏时的中主应力随小主应力的增大同样表现出先增后减的趋势。建立的损伤本构模型可以较好地反映复杂应力路径下小主应力和温度对冻结粉质黏土强度和变形特性的影响。     

不同加载速率下冻结黏土的强度及破坏特性

冻土在不同加载速率下的强度和变形特性,是改进冻土机械开挖方法和设备所需的重要参数。通过对冻结黏土进行单轴压缩试验,研究了不同温度和加载速率条件下冻结黏土的强度特性、模量特性和破坏特性。通过分析试验,得到以下结论:(1)冻结黏土的抗压强度和起始屈服应力均随温度的降低和加载速率的增大而增大,且起始屈服应力与抗压强度有很好的线性关系。(2)温度和加载速率对起始屈服模量和切线模量影响很大,不同温度条件下切线模量与加载速率存在对数函数关系。(3)在不同温度条件下,破坏应变和破坏时间均随加载速率的增大而减小。(4)在较大加载速率条件下,温度对冻结黏土的破坏应变和破坏时间影响不明显。     

超低温冻结黏土单轴抗压力学性质试验研究

地下交通、煤炭开采等工程常遇砂土交错和地下水极为丰富的软弱地层施工难题,可利用液氮使土体处在超低温冻结状态以达到土层稳定和加固的目的,因此,探究超低温冻土的抗压强度对于工程施工的长期稳定和安全具有重要意义。为揭示超低温冻结黏土单轴抗压力学性质变化规律,对含水率为17%,20%,23%的土样进行–10℃~–180℃的单轴压缩试验。结果表明:冻土温度高于–80℃时,呈弹塑性破坏,低于–80℃时,呈脆性破坏;冻土抗压强度随温度降低,先呈线性增加,当温度低于–80℃后强度基本稳定,并对温度与冻土抗压强度进行拟合,拟合效果较好;含水率在17%~23%,冻土抗压强度随含水率增加而增大,冻土弹性模量随温度降低呈上升趋势,且含水率越高弹性模量越大。最后,对比分析了4种应力–应变方程对超低温冻土关系的适用性,发现幂函数和双曲线公式拟合超低温冻土应力–应变关系精度较低,拟合效果并不理想;复合幂指数模型对弹塑性破坏过程拟合精度较好,并能准确地描述该过程的屈服和破坏情况,但对于脆性破坏段的应力–应变曲线并不适应,因此该模型有一定的局限性;黏弹塑性方程对冻土应力–应变关系拟合精度最好,后引入温度函数,改进黏弹塑性方程,提出与冻土温度有关的复合型方程,该方程拟合精度更高,补充了超低温冻土应力应变方程理论,可以为实际工程提供理论参考。     

列车荷载下青藏冻结粉质黏土变形特性试验研究

基于低温动三轴试验,对列车荷载下青藏冻结粉质黏土的动应变发展情况进行研究,得到冻结粉质黏土的回弹应变和累积塑性应变随振动次数、动应力幅值、冻结温度和初始含水率而变化的规律。结果表明:①青藏冻结粉质黏土回弹应变在加载初期迅速减小,振动一定周次后随振动次数的增加不均趋于稳定;②累积塑性应变随着振动次数的增加呈增大趋势,且表现出稳定型、破坏型和临界型三种形态;③冻结粉质黏土的回弹应变和累积塑性应变随着动应力幅值增加和冻结温度升高而增大;④初始含水率越高,冻结粉质黏土的回弹应变越小、累积塑性变形越大。研究成果对我国冻土地区铁路路基长期动力稳定型评价及路基设计具有重要参考价值。     

温度和掺砾量对冻结掺砾黏土单轴压缩特性影响的试验研究

为探究冻结掺砾黏土的单轴压缩特性,开展不同温度、不同掺砾量条件下冻结掺砾黏土的单轴压缩试验。试验结果表明:温度和掺砾量对冻结掺砾黏土应力–应变关系、单轴抗压强度、破坏应变和弹性模量影响显著,单轴加载条件下试样均表现为脆性破坏,且掺砾量越小,脆性破坏特征越显著。冻结掺砾黏土的单轴抗压强度随温度的降低而增大,随掺砾量的增加而减小,其变化幅度与试样内部黏土–砾石基质的空间结构分布紧密相关;破坏应变随掺砾量的增加而减小,随温度的变化其规律并非一致,而是显著依赖于掺砾量的大小;弹性模量呈现出随温度的降低而近似线性增大、随掺砾量的增加先增大后减小的变化趋势,且存在一个与温度相关的临界掺砾量。     

人工冻结竖井中冻土壁强度与变形分析*

 在K0排水固结后再冻结(K0DCF)过程下，通过冻结兰州砂土和冻结兰州黄土的卸载剪切试验发现，不同围压下两种土质的应力-应变曲线均类似于理想刚塑性应力-应变曲线，但是K0固结段却表现出明显的差异。他们的屈服强度随围压的增大而线性增大，且黄土的屈服强度明显大于砂土；破坏变形随围压的增大也线性增大。他们的屈服强度均随温度的降低而增加，但黄土的强度值明显大于砂土；对破坏变形则存在两种不同的关系，对砂土，随温度的降低破坏变形降低；对黄土，随温度的降低破坏变形逐渐增大。     

H-V立体加筋黏土单轴试验

为了研究H-V立体加筋黏土应力-应变曲线及强度特性,在恒定应变加载速率下,对H-V立体加筋黏土进行了单轴无侧限抗压强度试验,得到了不同加筋高度及不同含水率下的应力-应变曲线。在给定的含水率下,研究了加筋高度为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的H-V立体加筋黏性土与极限应力的关系,得出了在一定范围内极限应力随竖向加筋率的增大而增大,但是其中存在一个最佳竖向加筋率,大于或小于这个加筋率,试样都不能达到最佳效果。在给定的加筋高度下,研究极限应力与含水率之间的关系,得出了极限应力随含水率的增加,先增大后减小的规律。此外,本文还研究了极限应力与分维数D之间的关系,得出了极限应力随着分形维数D的增加,先增加后减小,存在一个最优值。     

单轴与主动围压作用下冻土动态力学性能分析

利用SHPB装置对冻土在-6℃和-16℃时进行有无主动围压的动态冲击试验,对比分析了两种状态下的冻黏质土的应力-应变曲线及其强度和破坏形式。结果表明,无围压作用下冻土的应力-应变曲线比主动围压作用下的应力-应变曲线多了黏性阶段;主动围压对冻黏质土动态抗压强度提高作用大于无围压,两种状态下的冻土都有应变率效应和温度效应;无围压作用下的冻土破坏呈脆性破坏。     

橡胶混凝土的冲击压缩试验研究

采用分离式霍普金森压杆装置对橡胶颗粒体积分数为0%～20%的橡胶混凝土进行多应变率动态力学性能试验研究,得到同一类试件在4种应变率下的应力-应变曲线.结果表明,橡胶混凝土是应变率敏感材料,其峰值应力、极限应变表现出显著的应变率强化效应.对于同一橡胶颗粒掺量,橡胶混凝土的增强效应随着应变率的增大而增强.对于同一应变率水平,橡胶混凝土的变形能力随橡胶掺量的增加而增强.从破坏形态来看,橡胶混凝土的抗冲击性能明显优于普通混凝土.     

单轴循环冲击下岩石的动力学特性及其损伤模型研究

利用改进的大直径SHPB试验装置,对花岗岩试件进行单轴循环冲击压缩试验,分析花岗岩在循环冲击载荷下的力学特性及能量吸收规律。通过基于Weibull分布的动态统计损伤模型计算岩石的累积损伤,结合试验曲线分析岩石累积损伤的演化规律。研究结果表明：随着冲击载荷循环作用次数的增加,变形模量变小,试件的屈服应变增大,峰值应力呈降低趋势。岩石的累积比能量吸收值随着冲击次数的增加而增大,且试件破坏前其值增加缓慢,试件破坏时其值急剧增大。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线具有较好的一致性,该模型能反映岩石的强度与应变、应变率的关系。累积损伤随着循环冲击次数的增加而增大,其增加速率由小变大,试件破坏前累积损伤的增加较为平缓,其主要增量由最后一次冲击破坏产生。     

上海人工冻结软黏土抗压抗拉强度试验研究

对3种典型的上海饱和冻结软黏土进行单轴无侧限抗压强度试验,通过对试验数据的分析,得出饱和冻结软黏土的单轴抗压强度受温度、应变速率、含水率及干密度等因素的影响规律:①抗压强度随应变速率的增加以幂函数的形式增大;②抗压强度随温度的降低线性增加;③在相同的应变速率及温度条件下,含水率越大,冻结软黏土的抗压强度越大;干密度越大,抗压强度越小。并得出抗压强度与温度、应变速率关系的幂函数模型参数。通过恒温下冻土间接拉伸试验,分析了保持轴压的大小及加载速率的大小对抗拉强度的影响,得出试样所受轴压和围压对抗拉强度起到一个弱化作用的结论,并分析了原因。对抗拉强度与加载速率进行线性回归,得出了模型参数。通过分析图表得出了抗拉强度随加载速率增加而增加,轴压保持越高抗拉强度增长速率越小的结论。     

菏泽矿区深部黏土层冻结土的力学性状试验研究

 对万福矿井400～700 m深度3个巨厚黏性土层取样进行冻土力学性状试验研究,获得如下结果：(1) 深部黏性土冻土的应力–应变曲线关系主要表现为应变硬化特点,达到峰值应力之前显现较大幅度的屈服形变;(2) 从－15 ℃,－20 ℃和－25 ℃三种对比温度的冻土力学性状看,温度对于冻土蠕变性的影响较对强度的影响更明显,－20 ℃是有效控制深部黏土冻结壁蠕变性的冻结状态界限值。经分析认为,深层黏土冻土力学性状及其与冻结温度的关系特点主要与层深部黏性土的含水性和结构性有关。试验土样处于半坚硬状态,所含水分以结合水为主。因结合水冻结温度要比重力水低得多,温度降低至－20 ℃以下,土中胶结冰含量会因结合水的冻结而明显增加,胶结冰和粒间摩擦力对于冻土强度的发挥程度趋于稳定,由此导致冻结土流变性的急速降低。     

冻融循环作用下花岗斑岩动载强度研究

 对冻融前后的花岗斑岩进行相关静态、动态力学试验,获得岩样不同冻融次数下的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度及冲击动载应力～应变曲线。在Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型参数分析的基础上,对经历不同冻融次数的花岗斑岩进行SHPB试验模拟。结合室内试验数据与数值模拟计算结果,分析花岗斑岩动载强度与应变率及冻融次数的关系。研究结果表明：岩样冻融前后动态应力～应变曲线形态有所区别,SHPB试验的反射波和透射波形态发生明显变化,相同入射波情况下试样产生不同的应变率;SHPB试验数值模拟结果与实测值吻合较好,得到的不同冻融次数下花岗斑岩HJC模型参数是可靠的,数值模拟与室内试验相结合是研究分析的有效方法,二者优势互补;花岗斑岩动态强度受冻融次数与应变率共同影响,其影响效应相反,相互耦合。岩石冻融循环作用下的动载强度研究是一项重要课题,是冻融损伤条件下岩石动态本构关系研究的基础,对解决寒区露天边坡稳定性问题具有重要意义。     

饱和冻结黏土在常应变率下的单轴抗压强度

冻土作为一种复杂的多相介质,其强度受多方面因素的影响。通过三种不同干密度饱和冻结黏土在常应变率下的单轴抗压强度试验,得出了饱和冻结黏土的单轴抗压强度受温度、应变率、破坏时间及干密度等因素的影响规律,并分别建立了以温度、应变率(或破坏时间)及干密度为变量的强度预报方程。     

浮法玻璃应变率相关的动态本构关系

采用改进的SHPB(分离式Hopkinson压杆)技术测试了较高应变率范围内浮法玻璃的动态应力-应变曲线,探讨了其动态力学性能.结果表明:浮法玻璃为弹脆性材料,其动态应力-应变关系呈非线性特征.在较高的应变率范围内,浮法玻璃动态应力-应变关系与应变率相关,其弹性模量随应变率的增大而增大.基于损伤力学的基本理论,并根据SHPB测试结果,拟舍得到了浮法玻璃应变率相关的动态本构方程.     

温度梯度冻土蠕变变形规律和非均质特征

采用K₀DCGF（K₀固结—保持荷载冻结—形成温度梯度—再试验）方法,开展不同温度梯度冻结饱和黏土三轴蠕变试验,研究冻土蠕变变形规律和温度梯度诱导的冻土非均质特征。结果表明：K₀DCGF模式中温度梯度冻结饱和黏土蠕变曲线由瞬时蠕变、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变4个阶段组成;温度梯度冻土径向蠕变速率小于轴向蠕变速率;温度梯度冻土最小轴向蠕变速率与蠕变应力之间满足指数函数关系,而长期强度极限与蠕变破坏时间之间则满足对数函数关系;梯度温度冻结过程中的水分场重分布和试验后冻土变形的非均匀分布是K₀DCGF蠕变试验中“温度梯度诱导的冻土非均质性”的重要体现;蠕变试验后温度梯度冻土冷端含水量最高,密实度最大;蠕变试验后温度梯度冻土宏观径向变形/试样高度沿试样高度方向分布随蠕变应力增加由先增加后降低规律逐步演化为持续增加规律,这一现象与冻土初始瞬时蠕变速率密切相关。     

高温冻结粉土的累积应变和临界动应力

 在－0.95 ℃恒温状态下对青藏人工冻结粉土试样进行不同动应力幅值下的振动单轴压缩试验,获得2种频率下不同动应力幅值时冻土试样累积应变和振动次数之间的关系曲线,发现冻土的累积应变随着振动次数的增加呈增长的趋势,且表现出稳定型、破坏型和临界型3种形态;在振动次数相同时,动应力幅值越大,累积应变越大;加载初始阶段应变速率随时间的增大而减小,且应变速率对数与时间对数间均有较好的线性关系,但随着振动时间的增加,破坏型曲线的应变速率达到一个最小值后开始增大,稳定型曲线的应变速率则在一定幅度的范围内波动;振动频率越高、动应力幅值越大,应变速率越大;振动频率越高,临界动应力越小。