交通荷载作用下结构性软土变形预测模型研究

交通荷载作用下结构性软土变形预测模型研究作者：刘中伟学位授予单位：天津大学相似文献(10条)1.学位论文张吉宏交通荷载作用下粉煤灰的动强度及孔压特性试验研究2006本文利用大连理工大学土木水利学院岩土工程研究所与日本诚研舍株式会社共同研制开发的“土工静力-动力液压三轴-扭转剪切仪”针对饱和粉煤灰进行了三种固结比Kc(1.0、1.5、2.0)情况下的不排水动三轴试验和循环圆耦合剪切试验及四种初始主应力方向角α0(0°、30°、45°、90°)情况下的不排水循环圆耦合剪切试验，研究不同的复杂初始固结条件和循环剪切应力路径对饱和粉煤灰动强度及孔压特性的影响。本文探讨了固结比及初始大主应力方向角对饱和疏松粉煤灰动强度的影响，初步探讨了不同的循环剪切试验方法、不同的破坏标准以及选用不同指标作为动强度参数等对试验结果的影响。结果表明：固结比及初始大主应力方向角对饱和粉煤灰的动强度具有明显的影响，选取不同的破坏标准和采用不同指标作为动强度并不改变试验结果的规律，但是采用不同指标作为动强度对于固结比的敏感程度有较大差别。本文通过对试验结果的回归分析建立了峰值孔压比与振次比之间的函数关系，并给出了参数的拟合结果，一定程度上完善了孔压应力模式；建立了峰值孔压比与广义剪应变之间的函数关系，一定程度上完善了孔压应变模式。结果表明：固结比除影响参数的取值外并不影响孔压应力模式与应变模式的函数形式，而初始大主应力方向角与固结比有相似的结论，90°除外。初始大主应力方向角等于90°是一种非常特殊的状态，其孔压应力模式需另外一种完全不同的函数描述。而关于初始大主应力方向角为90°时的特殊性在动强度试验结果中得到了体现。由于土体固有各向异性和诱发各向异性，使得土体在不同的固结状态下的各个应变分量的发展特性不尽相同，并且广义剪应变的发展也有较大差别，本文对此也进行了一定的讨论。2.学位论文贺建清石灰改良土路基填料的动力特性及应用研究2005受地理条件限制，在软土地区常用石灰来改良软土作路基填料。但石灰改良土在交通荷载作用下的力学特性的研究很不成熟，理论研究远远落后于实际工程应用。因此，研究石灰改良土的动力特性及其在交通荷载作用下的变形性状，具有十分重要的理论意义和实用价值。本文在大量室内试验的基础上，对石灰改良土的力学特性，其中主要是动力特性进行了深入研究；并基于试验成果，利用动力弹塑性有限元分析了交通荷载作用下石灰改良土道路的变形性状，取得了如下主要成果和结论：1.软土掺入石灰后，塑性指数明显降低，最大干密度随石灰掺入量的增大而减少，最优含水量随石灰掺入量的增大而增加，击实曲线峰值段比掺灰前具有相对较宽的最优含水量区间，在回填施工过程中达到设计压实度要求的含水量容易控制。工程实际中，掺灰比宜控制在5％～8％。2.采用扫描电镜(SEM)照片及能谱分析(EDS)对石灰改良土的组成和结构进行微观分析，在石灰土中首次发现了连结成空间网状结构的钙矾石结晶体。从微观结构上对石灰改良土的加固机理进一步进行研究，发现改良的作用表现为增加了土体的粘聚力。3.使用DDS-70型微机控制动三轴仪，对石灰土进行了动强度和动弹模阻尼比试验，确定了石灰土的动强度和动力参数。试验结果进一步验证了力学性质差的填料因石灰的掺入强度有显著提高。发现频率愈高，随着破坏振次的增加，动强度衰减愈快。4.动应变εd是影响土样动模量阻尼比的最主要因素，随着动应变水平的提高，动弹模量Ed成倍减小而阻尼比λ成倍增大。频率f愈高，动弹模量和阻尼比愈大。随着掺灰比的增大，石灰土的动弹模量和阻尼比相应增大。动弹模量随围压σ3c增减而增减，阻尼比λ随σ3c的升高而减小。最大动弹模量Edmax与围压σ3c呈指数递增关系；最大阻尼比λmax在7％～40％之间，与围压σ3c呈指数递减关系，并建立了相应的统计公式：λmax=kλPa{σ3c/P}-nλ5.将交通荷载简化为半波正弦荷载，基于平面应变假定，利用动力弹塑性有限元定性分析了交通荷载作用下的石灰土道路的变形性状。研究了掺灰比、交通荷载、地基力学性质对道路变形的影响。研究结果表明，用石灰改良软土能有效减小工后沉降。道路和地基的塑性变形在沿深度方向某一范围内衰减很快；在地基表面以下存在一“塑性变形有效影响深度”，该深度可作为交通荷载工后沉降计算深度。3.学位论文王静梅重复交通荷载作用下风化花岗岩路基土累积残余变形研究2004风化花岗岩的抗变形稳定性、水稳定性及动态稳定性都很差,作为路基土,在重复交通荷载作用下,将产生累积残余变形,过大的残余累积变形会导致土体的疲劳破坏,乃至变形失稳.因此研究动态交通荷载作用下风化花岗岩路基土的动力变形特性和动力参数是十分必要的.该文一方面从风化花岗岩的基本性质试验、静、动三轴试验入手,对风化花岗岩的加卸载回弹模量、动变形、动强度等动力特性进行试验研究,获得了风化花岗岩的动态力学性能的特征,通过从风化花岗岩中分离出云母,按云母含量的不同配制试件,进行膨胀量试验、承载比试验和回弹模量试验,研究了云母含量对花岗岩路基土工程性质的影响规律.另一方面从弹性理论出发,提出一种计算路基土残余累积变形的方法.通过建立计算模型,利用ANSYS软件进行瞬态动力反应分析,求出路基结构的动应力分布,结合室内三轴试验得到的路基土动力变形特性即残余变形与动应力的关系,进而根据计算的动应力分布分析路基土的永久变形.另外,对风化花岗岩水泥稳定土的工程性质也进行了研究.包括击实试验、无侧限强度试验、动应变和动强度试验等.证明风化花岗岩经水泥改良后,动强度、动模量显著提高,可以满足高速公路的路基土的填筑要求.研究交通荷载作用下路基土的动态受力特性及累积残余变形特性,并将它应用于实际工程中,不但具有很高的学术价值,而且也具有广泛的实际意义.4.学位论文陈颖平循环荷载作用下结构性软粘土特性的试验研究2007我国东南沿海广泛分布着深厚结构性软粘土土层,在其上正兴建越来越多的大型交通工程,地基土经常承受交通等动力荷载的作用.为了保证目前越来越多的大型建、构筑物的安全与稳定,减少工程事故的发生,研究软粘土在结构变化时的不排水循环特性以及对这些特性的预测和评价具有重要意义.本文在总结了目前关于循环荷载作用下软粘土特性以及弯曲元剪切波速测试与应用方面的相关研究成果的基础上,开展了如下研究工作:1.在压缩仪上开发了压电陶瓷弯曲元剪切波速测试装置,并利用该装置测试了结构性软粘土在压缩过程中的剪切波速变化规律.试验结果表明:原状软粘土的剪切波速变化与其变形规律相吻合,随应力水平增加均可分为三个阶段,这三个阶段以先期固结压力和结构屈服应力为分界点,因此,利用剪切波速可简单方便地判定出这两个关键应力值.2.对萧山原状、重塑及掺水泥的软粘土样进行了一系列的不排水循环三轴试验.研究结果表明,试样的应变一振次关系曲线上均存在着一个明显的转折点.在转折点之前,土样变形较小,而在转折点之后,土样变形急剧增大.施加的动应力幅值不同,该转折点应变也不相同,但在半对数坐标上大致落在一条直线上.原状样的转折点应变一破坏振次关系分三个阶段变化,且与压缩试验的三个阶段具有良好的对应关系；对于重塑样,该关系基本不随应力水平变化而变化；掺水泥试样的拟合系数与水泥掺量呈线性关系.土结构性对土体的动应变和动强度特性有很大影响,当固结压力大于结构屈服应力时,原状土的变形和强度特性趋向于重塑土.3.通过对三种试样剪切波速与动强度关系的分析,结果表明原状样的剪切波速由于受土结构性和孔隙比的耦合作用,总体上随着固结压力的增大而不断提高,与动强度呈非线性关系；若采用Hardin建议的F(e)=(2.973-e)'2/(1+e)对剪切波速进行归一,消除孔隙比的影响,则正常固结状态下归一化剪切波速与动强度呈良好的线性关系.重塑样的剪切波速只受孔隙比e的影响,与土结构性无关,因此随着固结压力的增大而不断增大,并与动强度呈良好的线性关系.对掺水泥试样的剪切波速同样采用上述F(e)表达式进行归一后,与试样动强度之间呈良好的线性关系,这表明对同种土样而言,只需对V,s采用F(e)进行归一,就可与相应的动强度呈良好的线性关系.若对掺水泥试样的剪切波速和动强度分别采F(e)和e进行归一,其值与原状样的剪切波速和动强度(未归一化值)呈良好的线性相关关系.4.在循环三轴试验的基础上,提出了无偏移应力和有偏移应力情况下土体变形的本构模型,拟合值与测试结果吻合得较好.利用该模型结合2.5维有限元程序和分层总和法计算了交通循环荷载作用下软基的长期瞬时累积沉降,结果表明,交通荷载作用下路基下卧层软土地基的长期瞬时累积沉降随时间的增加而不断增大,但其增长速率会逐渐减小,直至稳定.软土地基的沉降随着交通荷载速度的提高而增大.软土地基的沉降主要分布在一定的深度范围以内,在该深度以下,沉降迅速变小.对软弱地基进行注浆加固,能有效降低交通荷载作用下软粘土地基的沉降.最后,本文给出了结论和进一步研究的建议.5.学位论文龚云强交通荷载作用下结构性粘土动本构关系试验研究2008随着我国城市交通的高速发展，交通荷载所引起的岩土工程问题正在引起人们的高度重视。国内外的实测资料表明在长期的交通荷载作用下，软粘土地基上会产生较大的附加沉降，从而引起巨大经济损失和社会影响。这个问题的解决可以为现有交通设施的安全运行和今后重大交通基础设施建设提供重要的技术支撑，具有重大的理论和现实意义。交通荷载作为一种特殊的循环荷载，既不同于静载荷，也不同于地震荷载，而是长时间往复施加的循环荷载。因此，若要全面而正确地反映复杂应力(初始应力+循环荷载)条件下软土的真实动力特性，必须在深入细致的力学特性试验基础上，发展物理概念正确、数学表述简便、参数易于测定的动力本构模型。本文以天津地区软粘土为研究对象，着重开展反应交通荷载作用下结构性粘土动力特性的本构模型研究。通过室内动三轴试验，研究了结构性软土的动变形、孔隙水压力及动强度和动应力应变特性。鉴于该软土具有结构性的特点，提出考虑土体结构性破损过程的损伤参量。为了考虑软土结构性的逐渐破损过程，提出反映结构损伤的损伤参量，并建立适应于动荷载作用下结构性软土的边界面损伤模型，易于在土工数值分析时采用。通过比较理论计算与三轴试验结果，验证了本模型的合理性和有效性。6.学位论文卢正交通荷载作用下公路结构动力响应及路基动强度设计方法研究2009交通动荷载作用下公路结构的响应特性与静态情况有很大不同，而目前国内实际工程中的分析方法和设计理论仍是基于静荷载假设。本文以理论推导、数值分析和模型试验相结合的手段，对交通荷载作用下公路结构的动力响应进行了较为系统的研究，同时提出了确定路基填土高度和模量的动力设计方法。首先，考虑车辆荷载的多轮性质，利用三角级数、Fourier变换及叠加原理等方法推导获得了粘弹性地基上连续配筋混凝土路面在多轮荷载作用下的稳态响应解；另外考虑基底剪切阻尼作用，详细分析了荷载参数、路面参数和地基参数对路面动力响应的影响。利用不平整路面的实测资料，提出了适合公路路面的不平整数学模型，通过对车辆荷载的简化，建立了不平整路面和车辆的耦合振动模式，并采用数值计算探讨了荷载速度、路面不平整波长和路面不平整幅值等对路面响应的影响规律。其次，考虑更符合实际的连续介质地基模型，将地基看成是层状弹性介质和层状饱和多孔介质，应用弹性动力学原理和Biot波动理论分别考虑了刚性路面和柔性路面的情况，利用矩阵传递法推导获得了置于刚性基岩上的层状地基和分层半无限地基的刚度矩阵，并采用Lame对位移场的分解理论和积分变换方法求得了路面-层状地基系统在交通荷载作用下的三维振动解。在此基础上，以路面-弹性层-饱和层系统为例，利用数值计算详细讨论了荷载速度、振动频率、饱和土层渗透系数、弹性土层厚度和以及弹性土层和饱和土层刚度比对地表位移和孔隙水压力分布的影响规律。第三，基于线性热弹性理论，对Biot波动方程进行修正，建立了考虑温度效应的饱和多孔地基在简谐荷载作用下的动力响应控制方程。通过对控制方程的求解，获得了热流固耦合地基动力响应问题的温度场、应力场、位移场和孔