动荷载下EPS颗粒混合轻量土骨干曲线的本构模型试验研究

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EPS颗粒混合轻量土是一种通过添加EPS颗粒来减轻土体重度,同时拌合固化剂加强土体强度的新型土工材料。其中EPS颗粒是一种发泡聚苯乙烯高分子聚合物,可以由工厂集中生产或者利用白色污染材料加工而得,固化剂可以选用水泥,石灰等材料以及废石膏、粉煤灰等工业废品。轻量土具有优越的轻量性、抗压性、抗震性、耐久性、自立性、隔热性,在软土地基不均匀沉降、山区陡峭坡地改造、桥头跳车、海湾填筑、管道工程等减荷回填工程中发挥了十分重要的作用。随着道路工程的不断发展,在交通荷载作用下路基被破坏的现象时有发生,因此对于轻量土路基进行定量动变形分析变成了亟待解决的问题。而目前常用的方法是分析不同受力条件下的动剪应力-剪应变、动剪切模量、阻尼比等的变化规律,建立土体的动力本构模型。为此本文基于室内动力三轴试验和无侧限抗压试验的试验结果,系统地讨论了轻量土的动力变形特性以及三种黏弹性动力本构模型对轻量土的适用性,研究并建立了轻量土的动剪切模量、阻尼比公式,骨干曲线的动力本构模型及其修正模型,具体成果如下:(1)对轻量土进行动三轴试验,探究了不同配比、围压和频率对轻量土骨干曲线、动剪切模量和阻尼比特性的影响规律,并设置素土动三轴试验作为对照试验。轻量土的骨干曲线呈现明显的非线性特征,随着围压的增大,同一应变水平下的动剪切模量增大,而阻尼比减小。轻量土的动剪切模量随着动剪应变的增加而呈现出反“S形”减小,阻尼比曲线在EPS颗粒体积比小于40%或水泥掺量大于10%时表现出独特的“钟形”非线性变化规律,而其它条件下其阻尼比曲线则遵循“S形”变化规律。以Hardin经验公式为理论基础,引入相对结构度k和广义孔隙比e’,并结合Matlab软件进行回归分析求解公式参数,建立了轻量土最大动剪切模量和最大阻尼比公式。(2)基于Hardin-Drnevich模型对轻量土的动力三轴试验结果进行了分析,探究了不同配比、围压对Hardin-Drnevich模型参数值的影响规律。随着围压的增大,轻量土的动剪应力-剪应变关系曲线的初始动剪切模量明显增大,轻量土在动荷载作用下的动变形特性可以由Hardin-Drnevich模型描述。在Hardin最大动剪切模量经验公式和前人研究基础上,引入轻量土相对结构度k,与广义孔隙比e’,建立了适用于描述轻量土不同配比和受力条件的Hardin-Drnevich模型参数的表达式,可以确定不同配比和应力状态下的参数取值。通过改变应力状态进行验证试验,模型计算值对试验散点的预测结果良好,验证了Hardin-Drnevich模型和建立的轻量土参数表达式描述轻量土骨干曲线的可靠性。(3)结合变参数的Ramberg-Osgood模型,将轻量土动三轴试验结果提取参数,得到了模型参数R、α1随轻量土动剪应变的变化规律和适用范围,分析了模型参数受轻量土EPS颗粒掺量、水泥掺入比和围压的影响。随着EPS颗粒含量的增多,参数R的稳定值逐渐增大,而随着围压的增大,EPS颗粒掺入比对参数R和α1的影响程度逐渐减小。轻量土的阻尼效应使阻尼比随着动剪应变的增大而表现出“钟形”和“S形”两种不同的曲线形态。变参数的R-O模型可以随着动剪应变的变化调整参数取值,因此可以很好描述轻量土在改变动力状态后的动剪切模量比和阻尼比变化规律。(4)基于Davidenkov本构模型,对轻量土动三轴试验结果进行了非线性回归,分析了模型参数受轻量土EPS颗粒掺量、水泥掺入比和围压的影响,发现轻量土的动剪切模量比曲线形态受到Davidenkov模型三参数共同影响。由于轻量土复杂的阻尼比特性,本文对常规土体的阻尼比经验公式进行了修正,建立了轻量土阻尼比修正模型。验证试验表明修正模型可以很好地描述轻量土“S形”变化规律,但复杂的结构性使得修正公式对于轻量土阻尼比曲线的预测还有一定困难。改变应力状态和常规应力加载路径,Davidenkov模型计算值预测轻量土动三轴试验值效果良好,当动力荷载加载跨度大,或动力荷载加卸载时,Davidenkov模型预测值偏小。
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