（地质工程专业论文）交通循环荷载下加筋灰土动三轴试验研究.pdf

摘要 摘要 石灰改良土作路基填料，是近几年修筑高速公路、高速铁路过程中应用较 多的一种路基填筑技术。石灰土填筑的路基整体性强、承载力高、刚度大、水 稳性好，在路基中加入筋材还可进一步提高路基的整体受力性能，减小其变形 及不均匀沉降量。 目前对石灰土及加筋土的研究主要侧重于静力学方面，而有关石灰土及加 筋土动力特性的研究较少。因此有必要对石灰土及加筋土进行动力特性试验研 究，为路基工程设计提供理论参考。 本文采用g d s 动三轴仪进行了两种不同直径加筋石灰土试样的动三轴试 验，得到以下主要成果： ( 1 ) 当动荷载低于临界动应力时，试样动弹性模量随着振动次数的增大而 逐渐增大，试样处于硬化状态；反之，动弹性模量随着振次的增加逐渐减小， 试样软化，并在振动到一定次数以后发生破坏。在围压为1 5 k p a 、3 0 k p a 和6 0 k p a 时所对应的临界动应力，素土试样分别为不小于1 2 0 k p a 、1 8 0 k p a 和2 4 0 k p a ，1 层加筋试样分别为1 8 0 k p a 、1 8 0 k p a 和2 4 0 k p a ，2 层加筋试样分别为不小于 1 8 0 l 【p a 、2 0 0 k p a 和3 3 0 k p a 。 ( 2 ) 试样阻尼比随着动应变的增大而增大，围压对阻尼比影响不明显。小 直径试样动应变在0 - 0 4 范围内，其阻尼比为0 - 0 1 6 ；大直径试样动应变在 0 - 0 2 范围内，其阻尼比为0 - 0 1 2 。 ( 3 ) 动应力低于临界动应力时，试样的累积塑性应变p 与振次n 、循环应 力比d ( 为动应力吼与围压仉的比值) 的关系可以用经验公式s 。= a d n 6 来拟 合，经验公式拟合值与试验实测值吻合很好。 ( 4 ) 采用f a a c 3 d 有限元差分程序建立软土地基加筋石灰土路堤三维数值 模型，探讨加筋灰土路堤在交通循环荷载作用下的动力响应。分析结果表明： 沥青层底部加筋比在其它位置加筋，工后沉降量减小1 2 左右。基于石灰土累 计塑性应变经验公式的分层总和法计算的加筋和不加筋灰土路堤沉降量，与数 值计算结果比较接近。 最后，关于进一步工作的方向作了简要的讨论。 关键词：循环荷载，动三轴，加筋灰土，动力特性，累积塑性应变 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fl i m e - s t a b l i z e ds o i lh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ec o n s t r u c t i o no f h i g h w a ya n dh i g h s p e e dr a i li nr e c e n ty e a r s t h el i m e - s t a b l i z e ds o i lr o a d b e df i l l i n g c o n t a i n st h em e r i t ss u c ha sw h o l es t r o n g , h i g hb e a r i n gc a p a c i t y , s t i f f n e s s ，a n dg o o d w a t e rs t a b i l i t y g c o g r i dm a t e r i a lp l a c e di nt h es u b g r a d em a ya l s of u r t h e ri m p r o v et h e o v e r a l ls u b g r a d em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，r e d u c i n gi t s d e f o r m a t i o na n du n e v e n s e t t l e m e n t c u r r e n t l y , r e s e a r c ho nl i m e - s t a b i l i z e ds o i la n dr e i n f o r c e ds o i lp r i m a r i l yf o c u s e d o ns t a t i cp r o p e r t i e s ，b u tt h ed y n a m i c p r o p e r t i e so fl i m e s t a b i l i z e ds o i la n dr e i n f o r c e d s o i lh a sn o t b e e n e x h a u s t i v e l y s t u d i e d s oi ti s n e c e s s a r yt os t u d yd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h el i m e - s t a b i l i z e ds o i la n dr e i n f o r c e ds o i lw h i c hc a np r o v i d e t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h er o a d b e de n g i n e e r i n gd e s i g n i nt h i sp a p e r t h r o u g hg d sd y n a m i ct r i a x i a li n d o o rt e s t ，s t u d y i n gt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft w ol i m e s t a b i l i z e ds o i ls a m p l e sw h i c ht h ed i a m e t e ra n dg e o g r i da r e d i f f e r e n c e m a i na c h i e v e m e n t sa r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e nt h ed y n a m i cl o a do nt h es p e c i m e n t sb e l o wt h ec r i t i c a ld y n a m i cs t r e s s ， t h ed y n a m i cm o d u l u so ft h es a m p l eg r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t ht h ev i b r a t i o n 丘e q u e n c y ，a n dt h es a m p l ei nah a r d e n i n gs t a t u s ；o nt h ec o n t r a r y , t h ed y n a m i c m o d u l u sg r a d u a h yd e c r e a s e dw i t ht h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yi n c r e a s e d , s p e c i m e ni na s o f t e n i n gs t a t u s ，a n dt h ed a m a g eh a p p e n e da f t e rac e r t a i nn u m b e ca tc o n f i n i n g p r e s s u r et o1 5 k p a , 3 0 k p aa n d6 0 k p a ，t h ec o r r e s p o n d i n gc r i t i c a ld y n a m i cs t r e s so f p r i m es o f ts a m p l e sw e r en o tl e s st h a n1 2 0 k p a 1 8 0 k p aa n d2 4 0 k p a , 1l a y e ro f r e i n f o r c e ds p e c i m e n1 8 0 k p 山1 8 0 k p aa n d2 4 0 k p a , 2l a y e r so fr e i n f o r c e ds a m p l e s w e l en o tl e s st h a n1 8 0 k p a , 2 0 0 k p aa n d3 3 0 k p a ( 2 ) d a m p i n gr a t i oo ft h es p e c i m e ni n c r e a s e da l o n gw i t ht h ed y n a m i cs t r a i n i n c r e a s e d ，t h ec o n f i n i n gp r e s s u r eo nt h ed a m p i n gr a t i ow a sn o to b v i o u s s m a l l - d i a m e t e rs p e c i m e n sa ts t r a i nr a n g eo f0 0 4 ，i t sd a m p i n gr a t i oi s0 0 1 6 ； l a r g e - d i a m e t e rs p e c i m e na ts t r a i nr a n g eo fo 一0 2 ，i t sd a m p i n gr a t i oi s0 0 1 2 ( 3 ) w h e nd y n a m i cs t r e s so nt h es p e c i m e n t sb e l o wt h ec r i t i c a ld y n a m i cs t r e s s ，t h e a b s t r a c t e m p i r i c a lf o r m u l a 占p = a d “n 6 c a nb e u s e dt of i tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s p e c i m e na c c u m u l a t e dp l a s t i cs t r a i n pa n dv i b r a t i o nt i m e sn ，t h ec y c l i cs t r e s sr a t i o d ( t h er a t i of o rt h ed y n a m i cs t r e s sc r da n dc o n f i n i n gp r e s s u r e 吼) ，t h er e s u l t s h o w st h a tt h et e s tm e a s u r e dv a l u ea n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l af i t t e dv a l u e sa r ei ng o o d a g r e e m e n t ( 4 ) i no r d e rt os t u d yt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fr e i n f o r c e dl i m e - s o i le m b a n k m e n t u n d e rt h ec y c l i cl o a d i n g ，at h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lr e i n f o r c e ds o i l e m b a n k m e n to ns o f t s o i lh a sb e e ns e tu pt h r o u g ht h ef l a c 3 df i n i t ee l e m e n t d i f f e r e n t i a lp r o c e d u r e s t h eb o t t o mo ft h ee m b a n k m e n ti st h eb e s tl o c a t i o nf o r r e i n f o r c e d ，c o m p a r i n g w i t ho t h e rl o c a t i o n si tc a nd e c r e a s e p o s t - c o n s t r u c t i o n s e t t l e m e n ta b o u t1 2 v o l u m e b a s e do nt h el a y e r w i s es u m m a t i o nm e t h o da n dt h e e m p i r i c a lf o r m u l ao fl i m e s o i la c c u m u l a t e dp l a s t i cs t r a i nt oc a l c u l a t et h e s e t t l e m e n to f r e i n f o r c e dl i m e s o i le m b a n k m e n t , c o m p a r e dw i t ht h en u m e r i c a lv a l u en e a r f i n a l l y ，t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rw o r ka r eb r i e f l yp r o p o s e d k e yw o r d s ：c y c l i cl o a d i n g ，d y n a m i ct r i a x i a l ，r e i n f o r c e dl i m e s t a b l i z e ds o i l ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，a c c u m u l a t e dp l a s t i cs t r a i n i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：佟瞎农 2 0 0 7 弓月弓口日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：楼t 蓄嗅 z , , - 0 7 年事月弓。日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 我国沿海地区( 包括山东、天津、上海、浙江、江苏、福建、广东等地) 以及部分内陆城市( 南京、武汉等) ，广泛分布着深厚的软黏土层。受地理条件 限制，很多高速公路不得不建在软土地基上。尤其是现在高等级公路上交通量 普遍较大，且公路运输部门不断提高效率，降低运输成本及能源消耗，采用了 大吨位重型汽车及汽车列车。超载车辆会对路面结构造成很大的损害，更是加 剧了过大工后沉降的产生。过大的工后沉降有以下几个方面的危害【1 l ：( 1 ) 过大的 工后沉降引起的路面断板、裂缝，极大缩短了维修周期；( 2 ) 在路堤横断面上过 大的工后沉降会导致路拱变形，结构层开裂，路面错台、翻浆、坑洞、裂缝等， 影响正常通行，容易造成堵车、滑溜、撞尾翻车事故；( 3 ) 桥台高差引起汽车的 冲击荷载，加速了桥头路面及桥梁伸缩缝的破坏：( 4 ) 过大的工后沉降导致路堤 整体性变差、易发生剪切变形破坏，高路堤时尤为危险；( 5 1 路堤底面沿横向产 生盆形沉降曲线，使横坡变缓，影响排水，雨水容易渗入路基；( 6 ) 高低不平的 路面增加车辆的损耗和废气排放，影响运营效率和空气质量；( 7 ) 小型结构物处 及桥头至桥梁引道之间工后沉降差过大造成跳车，危及行车安全。显然，高速 公路软基段路堤过大的工后沉降问题不仅破坏了乘车的舒适性及行车的平顺 性，还意味着庞大的公路维修养护费用。 因此如何合理的减小工后沉降已成为道路工程界普遍关注的热点问题之 一。工后沉降一方面是由于路堤堤身和地基排水固结变形引起的，另一方面是 由于交通荷载反复作用下引起的累积残余变形造成的。一般情况下，前者占较 大的比重，以往的研究工作也集中于此。 现在，越来越多的学者注意到交通循环荷载对工后沉降的影响。路基受行 车动荷载作用时，所产生的变形可分为两部分，一部分为可恢复的弹性变形， 不会对工后沉降产生影响，另一部分为不可恢复的塑性变形，随着行车动荷载 次数的增加，塑性变形逐渐积累，是工后沉降的重要组成部分。路基作为道路的 主要承重层和面层一起将车轮的荷载的反复作用传布到底基层、垫层和土基， 为此保证路基填料的质量，提高路基填料的力学性能，可以有效减小工后沉降。 第1 章绪论 在软黏土、膨胀土和粉土等土性不良地区高速公路、铁路的建设中，不良 土体经过石灰、粉煤灰和水泥等添加剂的改良，可以有效提高工程力学性能， 使其能够适用于工程建设。石灰、粉煤灰和水泥改良土在公路和其它部门已经 大量使用了多年，积累了丰富的经验，这些传统的无机结合料改良土比起改良 前的土料在工程技术性能有不同程度的提高和改善。这主要表现在【2 】： ( 1 ) 吸水，降低土的塑性，改善土的力学性能，增大土的凝聚力，有效地提 高了土的抗剪强度，使土的承载力、固结特性和压实性得到改善； ( 2 ) 使土的水稳性、抗冻性和耐干湿循环能力等耐久性能有所改善； ( 3 ) 强度和耐久性随着时间的延续不断增长； ( 4 ) 扩大了土料的应用范围，使可用土料地区分布广泛，原料十分充足； ( 5 ) 施工技术较为成熟，使用成本低。 由于存在上述诸多优点，石灰改良土路堤在我国北方和南方公路建设中已 得到较多的应用i 】，其便于就地取材，降低建设成本。高液限、高含盐量和高 压缩性的黏土和亚黏土经石灰改性后，能达到规范要求的物理力学性能。如江 苏沿长江南北的高速公路，地基土为含水量较高、塑性指数为1 0 - - 2 5 的黏土和 亚黏土，施工中对现场的土经晒干粉碎，掺5 8 的石灰后进行路堤填筑，取 得良好效果1 6 j 。 加筋对提高土工构筑物的稳定性已为人们熟知，但理论研究成果落后于工 程实践。目前对加筋土的室内试验研究，主要侧重于筋土界面特性和静力方面 的研究【7 1 们，尚未对加筋灰土动力特性试验进行研究，对其在循环荷载作用下的 动力特性尚未明了。 1 2 循环荷载下改良土动三轴试验研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外有关改良土的动力特性方面的研究报道不是很多，以下学者在改良土 方面的做了相关研究： a k o t o 和s i n g h ( 1 9 8 6 ) o l l 通过循环三轴试验确定石灰改良红土的弹性及粘弹 性参数，分析了动荷载、含水量、养生时间、掺灰比对回弹模量的影响。由试 验结果可知，掺灰比愈大、养生时间愈长，回弹模量愈大，含水量、动荷载增 2 第1 章绪论 大，回弹模量减少。 f a h o u m ( 1 9 9 6 ) 【1 2 】基于塑性指数对动剪模量和阻尼特性的显著影响，先选 取三种塑性指数明显不同的黏土进行石灰处理，然后对其动力特性进行了试验 研究，试验结果表明：随着动应变水平的提高灰土的动剪模量降低，阻尼比增 大。增加掺灰量，对石灰改良土的动力特性有很大影响，动剪模量增大，阻尼 比降低。 s a u r e 和w e i m e r ( 1 9 7 8 ) 1 3 】对冻融条件下石灰改良土的动变形特性进行了试 验研究，试验结果表明：反复冻结和融化严重影响着石灰土的动强度与动变形 特性，甚至造成道路结构中的石灰稳定层产生拉伸破坏，路基填料呈现出颗粒 材料的特征。 1 2 2 国内研究现状 贺建清( 2 0 0 5 ) 【1 4 】对石灰土进行了动强度、动弹模和阻尼比的试验，确定了石 灰土的动强度和动力参数。验证了力学性质差的填料因石灰的掺入强度有显著 提高。动应变是影响土样动模量e 和阻尼比a 的最主要因素，随着动应变水平 的提高，动弹模量e 成倍减小而阻尼比a 成倍增大。频率，愈高，动弹模量e 和 阻尼比a 愈大。随着掺灰比的增大，灰土的动弹模量e 和阻尼比a 相应增大。最 大阻尼比a 在7 4 0 之间。 张颂南( 2 0 0 5 ) i x 5 j 以生石灰作为改良剂对膨胀土进行了性质改良。进行了素 土、改良土的击实试验、动载试验、无荷膨胀率试验、膨胀力试验、固结试验、 细观试验和不同龄期的石灰土无侧限抗压强度试验等，较系统研究了石灰改良 膨胀土的工程性质。 唐剑潇，王建华，赵明龙( 2 0 0 7 ) 1 6 1 通过动三轴试验，研究干湿循环过程对 水泥改良粉质黏土动应力应变关系的影响，根据试验结果从弹性模量日、阻尼 比a 、振动塑性应变占。三方面建立了一种描述此种改良土动力特性的应力应变 关系模型。 曾阳生、张佩知( 1 9 9 2 ) 1 7 1 利用动三轴仪模拟列车荷载作用下铁路路基基床内 的受力状态，对由两种不同的膨胀土构成的石灰土进行了动变形与动强度的试 验研究。试验结果表明：石灰膨胀土在动荷( 列车荷载) 作用下的动应力应变关 系能很好满足双曲线关系，石灰膨胀土的动弹模量与动强度均比原膨胀土的相 3 第1 章绪论 应值大有提高，石灰膨胀土的动弹模量与动强度均随石灰掺灰比m 的增加而增 大，而m 值超过8 后，变化缓慢，掺灰比以m = 8 1 1 适宜，其中以m = 8 为最 佳；石灰膨胀土的最大动弹模量毛。与侧压力仉有关，并提出了相应的经验公 式。 李时亮，黜( 2 0 0 5 ) t 1 8 】对粉煤灰用作路堤填料时的动力特性进行研究。在 粉煤灰动三轴试验的基础上，对影响粉煤灰动强度的若干影响因素进行了分析， 对粉煤灰路堤在饱水条件下的抗液化性能进行了探讨。研究结果表明：振次、 初始静应力水平、含水量等对粉煤灰的动强度都有显著的影响；粉煤灰路堤在 饱水条件下的抗液化性能则与地震动峰值加速度、初始静应力水平等有密切关 系。 郭志勇( 1 9 9 2 ) 1 1 9 l 对某公路路基膨胀土进行了改性试验和动力特性试验研究， 改良剂采用当地易购的石灰，按不同的比例进行试验。通过不同石灰掺量下改 性土的常规试验、强度试验、膨胀试验和动力三轴试验研究，认为改性后的土 样其工程特性和力学强度指标都有了较大幅度的提高。 徐望国、张家生和贺建清( 2 0 0 7 ) d o 1 2 1 】做了低灰量水泥土动力特性试验研究， 研究了水泥土强度、变形特性和振动液化性能及影响因素，试验结果表明：应 力水平对动应力应变具有显著影响；水泥改良土低掺量配比设计中，试验研究 结果表明在3 o 5 o 之间存在一个合理低掺量；水泥改善了土体的抗振动液 化性能。 沈正和黄晓明( 2 0 0 7 ) i 冽做了固化粉煤灰动力特性试验研究。分析了固化粉煤 灰在重复荷载的作用下的永久变形及动力特性。研究固化粉煤灰弹性应变、累 积塑性应变、临界动应力和动回弹模量变化规律，论证了固化粉煤灰作为城市 道路路基填料的可行性。结果表明：动应力是影响固化粉煤灰的动回弹模量大 小的主要原因，其临界动应力值在9 0 1 0 0 k p a 之间。 蒋军和朱向荣( 2 0 0 1 ) 瞄】 2 4 1 通过一系列室内循环三轴试验，对含砂芯软黏土 复合土样在不排水循环荷载作用下的性状开展了试验研究，分析了循环荷载幅、 循环次数、固结比、加载历史以及砂芯置换率等因素的影响。 杨广庆( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 等t 2 5 】 2 6 l 通过水泥改良土的动三轴试验，分析了水泥改 良土在列车重复荷载作用下的动力特性，研究了水泥改良土的临界动应力、累 积塑性变形、弹性变形和回弹模量的变化规律及影响因素，论证了水泥改良土 作为高速铁路路基基床底层材料的可行性。 4 第1 章绪论 蔡袁强等( 2 0 0 3 1 2 7 1 通过动三轴试验研究了水泥土复合试样的动模量和阻尼 比的变化规律，着重研究了置换率和围压的影响，提出了一种简单实用的计算 复合试样模量和阻尼比的方法，并给出了由试验确定的归一化公式。试验结果 表明：复合试样的动弹模勤、阻尼比a 和应变水平的相关曲线与纯黏土的有 关曲线形状基本一致，只是在相同应变时大小不同；经过置换后，复合试样的 最大动弹模量较纯黏土的最大动弹模量有所提高，而阻尼比减小；在相同的应 变水平下，随着围压的增大，动弹模量增加，阻尼比减小；围压较小时，置换 率对最大动弹模量的影响更加显著，与之类似，置换率较小时，围压对最大动 弹模量的影响也很显著。 1 3 循环荷载作用下加筋土研究现状 1 3 1 循环荷载下加筋土试验研究现状 有关加筋土的研究多以静力分析为主，有关循环荷载下加筋土动力特性的 研究鲜有报道。已有的研究成果有： w e b s t e r 和a l f o r d 2 s l 对土工合成材料加筋路堤进行现场试验，发现加筋路堤 可以有效降低车辙深度，说明筋材的抗拉强度对提高道路的整体性能有本质的 关系。 f a n n i n ( 1 9 8 7 ) 【冽通过对在循环荷载作用下双基础模型试验研究表明：加筋土 的筋材随着系统的变形而变形，这起着限制地基表面向外作用的剪应力和约束 两个基础之间地基位移的作用。 r a j u 和f a n n i n ( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ) 3 0 11 3 1 】研究了在单一和循环荷载作用下，埋设在土 中的不同类型的土工格栅的荷载应变位移特性，得出如下结论：动荷载的频率 对接触面的摩阻力影响很小；具有较大连接强度的土工格栅在循环荷载作用下 的关系曲线与单一荷载作用下十分相似。具有较大连接强度的土工格栅在循环 荷载作用下，其抗拔力随着位移的增加而增大，呈现一种强化特性：而具有较 小连接强度的土工格栅在循环荷载作用下，其抗拔力在达到最大值后，随位移 的增加而减小，呈现一种软化特性。 我国加筋土动力特性试验研究方面的成果不多，多数集中在加筋粉煤灰土 方面。邓荣基和梁波等人( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ) 3 2 11 3 3 对加筋粉煤灰土进行动力特性试验 5 第1 章绪论 研究。研究了加筋粉煤灰动强度、加筋效果。并从加筋机理入手，建立了加筋 强度的束力模型，分析了粉煤灰静、动强度的拉力破坏和黏着破坏两种情况下 的强度指标纱和硬塑料板作模拟材料，作振动三轴试验得出了动内摩擦角和动 内聚力两个强度。 周健、胡晓虎( 1 9 9 9 ) 瞰】通过室内动力试验，对加筋粉煤灰进行了振陷试验研 究，得到了加筋粉煤灰的震陷经验计算公式，利用有限元动力分析计算方法对 软基上加筋粉煤灰路堤算例进行了震陷计算分析，计算中考虑了不同地基、不 同地震烈度等对计算结果的影响，为加筋粉煤灰路堤抗震设计提供了参考依据。 张小江、周克骥等( 1 9 9 8 ) 3 5 j 研究了用聚丙烯纤维加筋黏性土抵抗静动荷载作 用下土体发生张拉裂缝的功能。试验研究结果表明，纤维加筋土的静动力抗张 拉、抗断裂性质，诸如极限拉应力、极限拉应变、动强度、动模量、临界断裂 韧度等，与素土相比都有很大的提高，说明纤维加筋黏性土是一种比较理想的 土坝防渗抗震填料。 孙晋( 2 0 0 7 ) 3 6 1 对窗纱、软钢丝和塑料加筋粉土进行动力特性试验研究。得到 了如下一些结论：筋材类型对动应力应变关系的影响不明显；加筋土的动弹性 模量随动应变的增加而减小，其变化呈指数衰减；动弹性模量随围压增大而增 大；加筋土的阻尼比与加筋层数和土的密实度有关；加筋后，土的动黏聚力明 显提高，动内摩擦角基本不变。 1 3 2 循环荷载下加筋土数值分析研究现状 数值模拟方法由于能较好地模拟循环荷载作用下土体响应的实际情况而得 到广泛应用。常用的数值模拟方法有有限差分法、有限单元法、边界单元法等。 b o n d t ( 1 9 9 5 ) 1 3 7 1 和l i u ( 1 9 9 8 ) 等1 3 8 j 提出用平均结合刚度来表示格栅与土体之 间的黏结和承载力特性，用六节点的接触面单元来模拟筋土之间的相互作用。 他们还采用各向异性的本构关系来模拟基层的性质，但他们并没把沥青路面的 竖向位移作为研究的对象，而是研究了路面裂缝的传播速度和加筋后承载力的 增加特性；他们也没有考虑加筋位置的不同对加筋系统的影响。 m u t h u c u m a r a s a m y ( 1 9 9 2 ) 等【冽基于土体与加筋材料之间完全连接的假设，分 别采用等效迭代线弹性法和弹性增量法来分析动载作用下加筋土的响应问题。 m i u r a ( 1 9 9 8 ) 1 4 0 l 将土工织物作为杆单元，并假设了节理单元的强度，但他们没有 6 第1 章绪论 考虑筋土之间的嵌锁作用，因此他们的计算结果与加筋系统的实际特性符合的 不好。 s a a d ( 2 0 0 6 ) 使用a d i n a 对室内加筋道路模型进行了三维动力有限元分 析。b a s s s a ms a a d 的分析中，沥青面层用线弹性模型模拟，基层用d r u c k e p r a g e r 模型模拟，地基采用剑桥模型模拟，格栅采用膜单元来模拟，格栅与土体之间 假设没有滑移，处于紧密结合状态。荷载作用在路面的一个矩形区域上，作用 时间为0 1 秒。通过这个计算模型，b a s s a ms a a d 分析了基层和软土层的厚度、 强度以及加筋的位置等因素对加筋效果的影响。分析的结果表明：格栅的加筋 效果在基层较薄的情况下会发挥得更好，格栅的铺设可以切实减小沥青面层底 部的应变，格栅铺设的最佳位置是铺设在基层中并且距离基层底面1 3 基层厚度 的地方。 喻泽红1 4 2 】通过有限元分析指出：土工网与土的界面特性对加筋土的力学性 能有重要影响。建立了加筋路堤的有限元计算模型，编制了有限元计算程序， 合理模拟筋材与土体间力的传递，分析了加筋长度、加筋密度和加筋型式对加 筋效果的影响，提出了加筋路堤的加固机理、减小路堤差异沉降的机理。结果 表明：加筋后，路堤内土体应力发生重分布，土体单元竖向应力和水平应力减 小，土体的抗剪强度有效发挥，加筋体受力状态得到改善，抵抗变形和拉裂的 能力得到增强，能够承受更大的荷载作用。加筋桥头路堤可以明显减小差异沉 降，将桥背路堤与桥头交界处的台阶式跳车沉降转变为连续的斜坡式沉降，可 作为公路工程处理差异沉降的有效方法。同时提出了土工合成材料加筋路堤的 布置长度和间距的优化设计方法。 朱湘( 2 0 0 2 ) 等1 4 3 1 利用有限元方法对软土地基上的加筋路堤进行了分析，分析 中考虑软土层厚度、加筋模量、加筋层数及位置、筋材与土界面强度、地基强 度和施工速度等因素的影响，提出加筋的效果体现在施工期间对沉降、侧向位 移的抑制和降低以及路堤稳定性的提高上。土工格栅的抗拉模量、加筋土的界 面强度越大，加筋的效果越明显，对侧向位移以及沉降的抑制和消减作用就越 大。 张兴强( 2 0 0 1 ) 【删基于d e s a i 的薄单元理论，提出了解决平面问题的土工格栅 与土相互作用的动力有限元分析模型。模型分别采用不同的本构关系模拟土工 格栅纵肋、横肋与土的动力相互作用，基于该模型编制了加筋土的动力有限元 分析程序，并利用该程序对加筋和不加筋道路的动力响应作了对比，得到了一 7 第1 章绪论 些有益的结论。但该模型参数太多，不易确定，因而也不利于应用。 李艳春( 1 9 9 6 ) 等1 4 5 j 在有限元基础上，利用弹簧单元模型来模拟筋土之间的 相互作用，对土工格栅的受力变形特性进行了分析。指出土工格栅纵肋的拉伸 特性和横肋的抗挠刚度是土工格栅结构中影响荷载分布的主要因素。 刘飞禹( 2 0 0 7 ) 4 6 j 采用通用有限元软件a b a q u s 对软基加筋与不加筋道路在 交通荷载作用下的动力响应进行了对比分析，研究了动荷载作用下软基加筋道 路的作用机理。结果表明，软土的软化特性对软基加筋和不加筋道路的动力响 应有明显影响，同时，加筋可以使土体应力均化，约束土体的水平变形，减小 道路的整体沉降，并减少道路的不均匀沉降。之后又详细研究了荷载形式、荷 载频率、筋材模量、加筋位置、加筋层数和软土层厚度等对加筋效果的影响。 1 4 本文研究思路及内容 针对当前对灰土及加筋灰土动力特性缺乏系统的研究，本课题通过交通循 环荷载下加筋石灰土动三轴试验，研究加筋灰土的动弹性模量、阻尼比、临界 动应力等动力参数，以及加筋灰土的累积塑性变形，并结合数值分析探讨加筋 灰土路堤工后沉降。 本文拟主要在如下几方面开展研究工作： ( 1 ) 利用g d s 动三轴试验设备，对加筋灰土进行应力控制的循环三轴试 验，分析加筋灰土在循环荷载作用下的动应力应变关系。 ( 2 ) 在动三轴试验的基础上，分析了加筋灰土的动弹性模量、阻尼比等动 力特性参数，并得出不同加筋情况下石灰土的临界动应力和临界动弹性模量。 ( 3 ) 对加筋灰土累积塑性变形与振次、围压、动荷载的关系进行回归分析， 提出一个用以预测循环荷载下加筋灰土塑性变形的经验模型。 ( 4 ) 利用n a c 3 d 有限差分程序建立加筋路堤三维模型，研究加筋路堤在 交通循环荷载下的动力响应。 8 第2 章灰土循环三轴试验 第2 章灰土循环三轴试验 2 1 引言 高速公路、高速铁路等这些设施建成之后经常受到交通循环荷载作用，其 变形、强度和稳定问题成为人们关注的重点。 动荷载作用于土体，主要有两种效应：一是速率效应，即荷载在很短的时 间内以很高的速率施加于土体所引起的效应；二是循环效应，即荷载的增减， 多次往复循环地施加于土体所引起的效应【4 7 】。交通荷载的大小随时间发生变化， 其变化频率不高，作用时间相对较长，一般只考虑循环效应。车辆行驶时对路 面和路基的作用荷载会因车型、车速不同而差别很大，其作用大小、作用时间 及作用频率均呈动态变化，要准确模拟是比较困难的，因此为了研究的方便， 一般将交通荷载作为循环荷载考虑。对于修建在软土地基上的高速公路，行车 荷载的作用范围、作用时间很复杂，动荷载作用下道路路基及地基的变形性状 是值得进一步研究的课题。基于此，本文将对加筋灰土进行应力控制的循环三 轴试验，对循环荷载作用下灰土的动力特性进行研究与分析，并为交通荷载作 用下加筋路堤的承载、变形特性提供试验基础。 2 2 动三轴试验原理简介 动三轴试验的设备为动三轴仪。动三轴仪按其激振方法的不同可以分为电 磁式，机械式和气动式。尽管激振方式不同，但其工作原理基本一样。动三轴 试验按试验方法的不同可以分为两种，即单向激振和双向激振式i 棚。 ( 1 ) 单向激振 单向激振三轴试验又称常侧压动三轴试验，它是将试样所受的水平轴向应 力保持静态恒定，通过周期性地改变竖向轴压的大小，使试样在轴向上经受循 环变化的大主应力，从而在土样内部相应地产生循环变化的正应力与剪应力。 通常施加的周围压力是根据土层的天然实际应力状态而给定的，例如可 以采用平均主应吼一( q + 2 a ，) 3 力以便使土样能在近似模拟天然应力条件的前 提条件下进行试验，这一要求与静三轴试验基本相同。动应力的施加亦需最大 限度的模拟实际地基可以承受的动荷载。例如，通常为模拟地震作用，可根据 9 第2 章灰土循环三轴试验 与基本烈度相当的加速度或预期地震最大加速度，以及土层自重和建筑物附加 荷载重，计算相当的动应力。此动荷载是以半波峰幅值施加于土样上，因此 土样在每一循环荷载作用下所受的应力见图2 1 。从图中可知，在施加以为幅 值的循环荷载后，土样内4 5 0 斜面上产生的正应力为c r o 吼2 ，同一斜面上的 动剪应力值为正负交替的s9 2 。因此，在模拟天然土层处较低约束压力时，必须 施加很小的值。而当试验需施加较大的轴向动应力时，就会出现一 1 层筋，素土，表明加筋可以提高试样的发生软化时的动应力。 2 4 2 大直径试样动应力动应变关系 图2 2 5 2 2 7 分别为大直径素土试样、1 层筋试样和3 层筋试样在围压 2 0 k p a 时，动荷载作用下动应力应变全过程滞回曲线。由于大直径试样所加动 荷载较小，随着振动次数的增加，骨干曲线随着振动次数的增加而逐渐增加， 即试样处于硬化状态，动应力越大动应变也就越大。 ( a ) 吒= 8 k p a ； # 自自札” ( b ) 吼= 1 5 k p a 自t _ )蚰执o 忙) 吼= 3 5 k , f a( d ) 吼= 7 0 k p a 图2 2 5j g 土a 0 - 2 0 k p a 动应力应变关系 2 9 i，j，j，i，j，j，j，0 i_，rf 一口； 第2 章灰土循环三轴试验 h ) a d = 8 k h i 灌 击i i ；i 五1 f i 磊石i ， ( b ) 吼= 1 5 k p a f _ )e , d 0 ) 吼= 3 5 k p a ( b ) o d - - 7 0 k p a 图2 2 6 1 层筋一2 帆动应力- 应变关系 0 ) 吼= 1 5 k p a ( b ) , a n = 7 0 k p & 图2 2 7 3 层筋q - 2 0 k i a 动应力- 应变关系 日 ll 1日# 一；uf； ll 第2 章灰土循环三轴试验 2 5 小结 通过分析小直径和大直径素土、加筋灰土试样在不同围压下的动应力应变 关系，得到如下主要成果： ( 1 ) 小直径试样：试样的动应力应变曲线，在动荷载较小的情况下，不同 加筋情况下的试样随着振次的增加，试样均处于硬化状态；但当动应力幅值增 加到某一值时，试样的动应力应变的曲线发生变化，处于软化状态。在围压相 同的情况下，不同试样发生软化时幅值也不一样，加2 层筋 1 层筋 素土，加筋 可以提高试样的发生软化时的动应力。 ( 2 ) 大直径试样：由于施加的荷载较小，随着振动次数的增加，各试样的 骨干曲线随着振动次数的增加而逐渐增加，试样处于硬化状态。动应力越大， 动应变也就越大。 3 1 第3 章加筋灰土动力特性参数及循环累积塑性变形分析 第3 章加筋灰土动力特性参数及循环累积塑性变形分析 3 1 引言 土在周期荷载作用下有非线性和滞后性这两个基本特点。骨架曲线表明了 最大动应力与最大动应变之间的相互关系，反映了应力应变关系的非线性。滞 回曲线则表明了某一个循环内动应力与动应变之间的相互关系，反映了应力应 变关系的滞后性。迄今为止，已发展了多种土的动力本构模型，来描绘土体在 动荷载作用下的骨架曲线和滞回曲线，反映动应力应变关系。已提出的土体动 力本构模型很多，大致可分两大类：粘弹性模型和弹塑性模型。 粘弹性模型较弹塑性模型有概念明确、应用方便等特点，在土的动力分析 中得到广泛应用，它能合理的确定土体在地震荷载作用下的剪应变和剪应力。 典型的粘弹性模型有双线性模型、等效线性模型，而又以等效线性模型的应用 最为广泛。本文在简单介绍等效线性模型、等效弹性模量、等效阻尼比的基础 上，根据室内循环三轴试验对加筋灰土的动弹性模量、阻尼比等动力特性参数 和循环累积变形进行分析。 3 2 等效线性模型基本理论 等效线性模型就是将土视为粘弹性体，采用等效弹性模量e 或g 和等效阻 尼比九来反映土体动应力动应变关系的非线性与滞后性。并且将模量与阻尼比 表示为动应变幅值的函数，即疡= 以a ) ，a = a ( d ) 或倪= g ( d ) ，a = a ( d ) ； 同时在确定上述关系中，考虑了静力固结平均主应力的影响。这种模型具有概 念明确，应用方便的优点，缺点是不能反映土的变形积累。h a r d i n d m e v i c h 模 型、r a m b e r g - o s g o o d 模型均属于等效线性模型。 3 2 1 等效线性模量 实际应用中需要用某种数学或者物理的模型来描述土在动荷载作用下的应 力应变关系。动弹性模量与阻尼比是两个很重要的表征土动力性质的参数。影 响土的动弹性模量与阻尼比的主要因素有剪切应力幅值、平均有效应力、孔隙 3 2 第3 章加筋灰土动力特性参数及循环累积塑性变形分析 比、周期加载次数，此外还有周期荷载的频率、饱和度、超固结比、土粒特性、 土的结构性等因素。 动弹性模量反映了某一级动应力吼作用下，土试样相应的动应力与动应变 的关系。如果试样是理想的弹性体，则动应力与动应变两条波形线必然在时间 上是同步对应的。但对于土样，实际上并非理想弹性体，因此，它的动应力与 相应的动应变波形并不在时间上同步，而是动应变波形线较动应力有一定的时 间滞后。定义滞回圈两端的平均斜率被为动弹模量幺，或动剪切模量吼，即 e 。丝 ( 3 1 ) 。 q 。互 ( 3 2 ) 儿 式中，吼，分别为轴向动应力和轴向动应变，n 分别为动剪应力和动剪 应变。 h a r d i n 等人由试验得出土在周期循环荷载作用下的应力应变骨干曲线为双 曲线型1 5 1 】即 咿丁五 毛眦吼一 。盎 吼哦一 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 瓦甲，易一，吼一分别为最大硼i 司动捍棋重和最大轴i 司动厘力；q 一，一分 别为