第 1 章 绪论
1.1 选题依据及研究意义
随着一带一路战略的不断延伸，我国基础设施的建设标准、速度取得了快速的发展。例如，我国高速铁路从 2008 年 8 月 1 日开通的京津城际铁路到如今高铁运营里程超过 2.5 万公里，占全球高铁运营里程的 65%。根据《十二五规划》，未来我国高铁网络将由“四纵四横”发展到“八纵八横”，总运营里程达到 4.5 万公里，总体辐射 50 万以上人口城市。
我国位于环太平洋火山及阿尔卑斯地震带附近，是地震频发国家。自有地震发生记录以来，其中有人员伤亡的地震就达 442 次，多座城市曾毁于地震，造成了巨大的人员伤亡。上世纪以来更是发生了多次强烈地震，如 1976 年的 7.8 级唐山大地震，导致全市交通、基础设施服务彻底中断，顷刻被夷为平地；2008 年的8.2 级汶川大地震导致灾区基础设施如：道路、水利、生态等方面受到严重破坏，对甘肃、四川、陕西等省灾区人民群众造成经济损失共 8451 亿元；尽管地震发生频率小，但其每次发生造成的破坏却是灾难性的，对建设在灾区的基础设施如高等级公路、高速铁路等所造成的损失是难以弥补的，如图 1.1 所示。我国《公路工程抗震设计规范》没有将地震振动频率、次数、持续时间对土体路基的影响进行综合考虑，仅对地震的烈度作为设计参考依据，无法真实的模拟土体在实际振动荷载下的动力响应规律。在我国地震频发的背景下，对路基在振动荷载下的动力特性研究具有重要工程意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 膨胀土研究现状
膨胀土含有大量的亲水矿物质，如：高岭土、伊利石、蒙脱石等。粒度多以粘粒为主[1–4]。因此，膨胀土吸水性强，致使它在湿润环境吸水体积增大，脱水体积减小。尽管膨胀土具有较高的强度，但其因含水量变化而引起体积的胀缩对其上方构筑物安全产生不利影响，尤其是跨度较广的公路与高速铁路工程以及上方的超高层建筑。 例如：土体在水和交通荷载下反复胀缩，将引发路基下沉、翻浆冒泥等严重工程事故。国内外对膨胀土的研究中，对其膨胀机理、强度、结构、方面取得了较多价值的成果。在土体膨胀机理方面，许多学者提出了多种膨胀理论，如自由能变化理论、表明张力理论、 G. Chopmen 双电层理论、Gyseld 的一维膨胀理论，Sohefield 吸力理论等。在众多理论中，双电层理论和晶格扩张理论受广大学者接受。双电层理论认为电层内的离子对水分子有较强的微观吸力，水分子在电子力作用下有序排列，使得矿物土颗粒间形成结合水膜，生成的水膜使得土颗粒间隙增大，因此导致土体膨胀。我国对膨胀土的研究起源于上世纪 50 年代建设的成渝铁路工程项目。 在进行了大量的土工试验以及工程实践后，我国颁布了《膨胀土地区建筑技术规范》，为相应的工程设计提供了安全设计依据。
由于膨胀土的上述特性，在实际工程中需对其进行在改良。众多学者通过大量的试验与实践，探索总结出了许多改良膨胀土的方法，主要有物理、化学、生物等改良方法。其中物理改良主要通过换土法和机械法，通过将膨胀土路基整体置换至物理特性良好的路基，此种方法耗时耗力，对环境也会造成一定的破坏；化学改良主要是通过使用特定的有机或者无机物与土体内的化学成分发生反应，改变土体内部结构。李妥德[5]等以工业矿渣为材料，利用矿渣的水硬性，通过石灰促进复合土硬化，在室内试验条件下确定了矿渣的最优掺量，试验效果良好，这种方法改良效果明显，但同样对环境污染较大。
边加敏[6–8]等以石灰改良膨胀土的龄期为研究对象，系统的研究了养护龄期对土体粘聚力和内摩擦角的影响，其研究结果表明在短期养护龄期条件下，石灰对粘聚力和摩擦角的影响较为显著，且粘聚力受到的影响比摩擦角收到的影响大。
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第 2 章 风化砂改良膨胀土动强度特性研究
2.1 动强度的定义及破坏标准
（1） 动强度的定义
动强度是指土体在一定大小的动荷载作用下，土体达到特定破坏标准所需动应力的次数，其大小随动荷载作用速率效应和循环次数效应不同而改变。在动三轴试验中，若动荷载以不同的速率加载，则随加载速率的增大，土的强度也增大，如图 2.1 所示。
快速加载引起动强度增大主要是因为土在动荷载作用下的变形滞后效应和土体在快速荷载作用下缺乏良好排水条件；对于速率效应使动强度提高而言，由于循环荷载产生的累积应变不断增加，故循环效应则使动强度降低[65]，如图 2.2 所示。土的动强度与土体的动应变有关，因此动强度应与特定的循环次数结合来讨论，循环振动次数越大，动强度越小；反之动强度越大。
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2.2 试验方案
2.2.1 试验仪器
在动三轴试验中，对土体动力特性进行研究的仪器有：扭剪三轴剪切仪、共振柱、循环振动三轴剪切仪等，这些仪器各有特点，能对不同应变、应力范围内的土体动力特性如：动弹性模量和阻尼比进行试验研究。本次试验采用 GDS 全自动真动三轴仪，如图 2.3 所示，该试验仪器主要由以下部件构成：
（1） 主压力室，可承受压力 ，通过真空泵抽水没过土样，保持围压进土样固结。
（2） 方向位移/力电控加载伺服系统，可分别施加特定位移与力荷载；
（3） 反压加载器，通过管道与底座相连，通过反压将纯净水排入土体内部进行反压饱和。
（4） 围压加载器，通过控制空气压缩机向压力室填充气体增加围压
（5） 电子操控台，通过 GDS 试验系统控制试验设备进行试验。
（6） 以及空气压缩机与真空泵等。
该设备可以实现真三轴、常规三轴、动三轴试验。通过电子操控台可控制施加高精度的围压、不同频率正弦波动荷载、以及控制竖向位移的动荷载，可精确测定试样在动荷载作用下的应力、应变以及孔压等参数变化情况，每周期储存点数达 1000 点。
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第 3 章 风化砂改良膨胀土动应力-应变关系研究 ................................. 21
3.2 等效线性模型 ................................. 22
第 4 章 风化砂改良膨胀土滞回曲线研究 ....................................... 37
4.1 概述 ......................................... 37
4.2 试验方案 .................................... 37
4.3 滞回曲线特征描述 ................................... 38
第 5 章 结论与展望 .................................... 50
5.1 主要结论 ........................................ 50
5.2 研究展望 ...................................... 51
第 4 章 风化砂改良膨胀土滞回曲线特征变化研究
4.1 概述
第 3 章详细论述了风化砂改良膨胀土的动应力应变关系，而滞回曲线是研究土体动本构模型的核心，目前国内对土体动力学以及其滞回曲线研究主要集中于黄土、泥质碳土以及冻土[49,51,53,76]，而对膨胀土及改良膨胀土在动力荷载下滞回曲线研究成果仍然偏少。针对目前对改良及原膨胀土滞回曲线研究缺乏的现状，本章通过 GDS 动三轴试验，研究不同加载条件，例如：围压、加载频率、动应力幅值等，对土体改良前后滞回曲线变化规律的影响。分析对比试验数据后，采用滞回圈形态特征：长轴斜率 ，包围的面积 、滞回圈长轴与短轴之比 ,以及残余应变对土体滞回曲线进行定量描述。最后，比较分析加载围压、频率对改良土体滞回曲线的影响规律，通过对比土体改良前后试验结果，评价风化砂改良效果，为实际工程提供参考依据。
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第 5 章 结论与展望
5.1 主要结论
本文利用风化砂改良膨胀土，对风化砂改良膨胀土在单向循环荷载下的动力特性进行了较为系统的研究。得到了其在正弦波循环荷载下的动力力学参数变化规律，确定了风化砂的最佳掺量，在保证膨胀土强度的同时减少其在干湿循环下的膨胀率。基于此，本文得到的研究结论如下：
1. 在其他条件一定时，随着加载的围压增加风化砂改良膨胀土的动强度增大；
2. 低掺量的风化砂（10%）对土体影响较小；随着风化砂掺量增加，混合土体动强度减弱，且在含量超过 10%时，土体动强度加速减小，不稳定性增加。
3. 土体应力-应变骨干曲线及阻尼比与应变关系均可用双曲线函数描述；随着动应变增加，风化砂改良膨胀土动弹性模量减小，等效阻尼比增大；在循环动应力作用下风化砂改良膨胀土应力-应变关系曲线呈封闭滞回圈，滞回曲线轴线随动应力增加逐渐拉长且斜率减小，土样呈现出典型的应变软化特征；
4. 随着围压和加载频率增大，风化砂改良膨胀土动弹模增大，阻尼比减小；频率对动弹模影响集中在应变 εd< 0.2%范围内，对阻尼比的影响集中在 εd< 0.1%范围内。
参考文献（略）