循环荷载下海北地区黄土工程力学特性及数值模拟研究

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黄土多集中于我国中西部地区,覆盖面积约6.35×105km2,约占我国国土面积的7%,青海省的黄土覆盖面积约为2.48×104km2,约占全国黄土的3.9%[1]。近年来,随着“一带一路”倡议的提出,黄土地区的工程建设特别是铁路等交通荷载作用下的基础设施建设越来越受到关注,而对于黄土的研究多集中于西安、太原、兰州等青海以外的区域,加之有研究表明黄土由于区域的不同,其工程力学特性有着较大的差异,因此,有必要对青海地区黄土工程力学特性进行试验研究。本文基于室内试验与数值模拟相结合的方法,对青海海北地区黄土进行工程力学性质的探究,利用GDS标准应力路径测试系统(ADVTTS)进行不同应力路径下的三轴剪切试验,研究固结应力比、围压及应力路径对原状黄土强度及应力-应变特性的影响;利用GDS双向动态三轴测试系统(DYNTTS)对青海海北地区原状黄土进行不同起始应力状态及加载条件下的动三轴试验,研究固结应力比、循环动应力比、加载频率、动应力、围压及含水率对原状黄土动力特性的影响,考虑到取土地点的气候特征及交通荷载的多样性,文章设置了冻融循环、动态围压下的动三轴试验;并通过电镜扫描(SEM)试验从微观角度对试样的宏观力学特性进行分析;利用ABAQUS有限元软件模拟室内动三轴试验,以期对试验结果进行对比、验证。主要结论如下:(1)原状黄土在三轴剪切过程中其应力-应变曲线呈应变软化型,在应变达到2%至3%时,试样的应力-应变曲线出现峰值,该峰值即为试样的破坏强度。在相同轴向偏应力的条件下,常规三轴压缩(CTC)试验的试样轴向变形小于平均主应力p为常数的三轴压缩(TC)试验的试样轴向变形,前者的破坏强度明显高于后者。固结应力比、围压的提高可以减小试样变形,提高强度。(2)回弹应变随着固结应力比、加载频率的增大而减小,随循环动应力比、围压、动应力及含水率的增大而增大,轴向累积应变随着固结应力比、循环动应力比、围压、动应力及含水率的增大而增大,随着加载频率的增大而减小。回弹模量随循环次数的变化在不同试验条件下基本一致,在加载初期回弹模量随振次迅速提升,之后随振次的变化基本恒定不变或较小程度降低,在加载振次为500次时基本达到稳定状态。回弹模量随固结应力比、加载频率的增大而增大,随循环动应力比、围压、动应力及含水率的增大而减小。(3)冻融循环对重塑黄土骨干曲线的作用受含水率变化影响,总体趋势为骨干曲线随着冻融次数的增加逐渐递减,含水率对重塑黄土的骨干曲线存在较大影响,含水率由10%上升至16%时,骨干曲线由应变软化型逐渐转变为应变硬化型,而这种变化不受冻融循环次数影响。随着冻融次数的增加,土体损伤严重程度增加,强度、模量出现衰减,在冻融达到一定次数后,土体强度、模量有一定的回升。(4)采用ABAQUS有限元软件对室内动三轴试验进行模拟,具有较高的拟合度,两者误差满足采用有限元进行分析时的允许值要求。
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