粘弹性饱和土中球空腔的动力响应

采用工程上通用的饱和土力学模型,考虑土骨架的粘性以及流体与固体之间的耦合作用,利用Laplace变换求解了粘弹性饱和土中球空腔的动力响应问题,得到了变换域内的解析解.借助数值Laplace反变换,数值分析了粘弹性饱和土中球空腔动力响应的位移、应力及孔压的变化规律.为分析地下结构动力响应提供了一种有效的方法,模型符合工程实际,有一定的工程应用价值.     

Liquefaction of Unsaturated Sand Considering the Pore Air Pressure and Volume Compressibility of the Soil Particle Skeleton

A series of cyclic triaxial tests of unsaturated soils was conducted to get a better understanding of the general liquefaction state of unsaturated soils. In the tests, cyclic shear strain was applied to fine clean sand with the same dry density but different initial suction states under the undrained condition. During cyclic shear, the volume change of the soil particle skeleton, the pore air pressure and the pore water pressure were measured continuously. Having used the effective stress defined by Bishop (Bishop et al., 1963), where the net stress and suction contribute to the effective stress, our test results showed that unsaturated sand specimens with quite a low degree of saturation lose their effective stress due to cyclic shear. At a zero effective stress state, unsaturated specimens behaved similarly to liquids in much the same way as saturated specimens. From experimental and theoretical considerations, the zero effective stress state (i.e., liquefaction) for unsaturated sand was found to have been established when both the pore air and water pressures build up to the point where it is equal to the initial total pressure. A volume change of pore air under the undrained condition, if a volume change of pore water is negligible, is equal to that of the soil particle skeleton. Therefore, it can be concluded that the liquefaction of unsaturated soil generally depends on the volume compressibility of the soil particle skeleton and the degree of saturation. On the other hand, according to the ideal gas equation of Boyle-Charles law, the volume change required to bring about a zero effective stress state can be calculated from the initial pore air pressure (usually the atmospheric pressure) and the final pore air pressure (the initial confining pressure). Therefore, the liquefaction of unsaturated soils also depends on the initial confining pressure. Based on this concept, the liquefaction potential of unsaturated soil can be evaluated by comparing the volume compressibility of the soil particle skeleton and the volume change of the pore air required to bring about a zero effective stress state.     

粒间应力、土骨架应力和有效应力

有效应力的概念和有效应力原理对于土力学具有奠基性的意义。但对于诸如"有效应力是虚拟的应力还是真实应力","有效应力方程是否需要修正"等问题在土力学界一直存有争议,尚没有形成共识。在明确有效应力就是不包含孔隙流体压强作用的土骨架应力的基础上,由土颗粒间力的平衡分析和土骨架单元体的平衡分析得到有效应力与总应力以及孔隙流体压强关系的表达式。对于饱和土,这一表达式就是Terzaghi的有效应力方程。表明Terzaghi的有效应力是真实的物理量,具有明确的物理意义,Terzaghi的有效应力方程不需要做任何修正。文中阐明了有效应力、粒间应力和土骨架应力的物理意义及其相互关系。说明在分离考虑孔隙流体压强作用的情况下,有效应力、粒间应力和土骨架应力三者可以是一致的,即不包含孔隙水压强作用的粒间应力和土骨架应力就是有效应力。土骨架应力可以分成孔隙流体压强产生的土骨架应力和有效应力两部分,两者都对土体的变形和强度有贡献,但是作用效果不同。在孔隙流体压强作用对土体的变形和强度的贡献可以忽略的条件下,有效应力决定土的变形和强度。     

埋置力源下横观各向同性饱和地基的三维Lamb问题解答

基于横观各向同性饱和介质的三维Biot波动方程,首先引入位移函数,将圆柱坐标系下的波动方程解耦,并利用算子理论,给出了Biot波动方程的通解。利用Fourier展开和Hankel变换,求解波动方程,得到土骨架位移、孔隙水压力和饱和介质总应力分量的积分形式一般解。其次,系统研究了横观各向同性饱和半空间体在埋置动力荷载作用下的三维Lamb问题,结合边界条件,给出了问题的基本解。算例表明,水平力作用下,荷载埋置较浅时,地表竖向位移幅值沿径向衰减迅速,埋深和频率增大时,地表位移波动性增强,衰减不明显。     

具有黏弹性衬砌的深埋圆形隧洞饱和土动力响应

 由于混凝土衬砌具有黏弹性性质,以往的弹性曲梁、弹性壳体等理论都难以描述其蠕变的全过程。将土体和混凝土衬砌分别视为饱和多孔黏弹性介质和具有分数阶导数本构的黏弹性体,在频率域内研究饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统耦合振动特性。根据Biot理论和黏弹性理论,通过位移势函数,分别得到简谐荷载作用下饱和土和衬砌的位移、应力和孔压解析通解,并通过衬砌内边界以及饱和土和衬砌接触面处的应力和位移协调条件,给出待定系数的具体表达式。考察饱和土和衬砌各物性和几何参数对系统动力特性的影响,研究表明：饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统的动力特性与饱和黏弹性土和经典黏弹性衬砌系统的动力特性存在较大差异。另外,随着土骨架阻尼比的增加,响应幅值逐渐减小。     

饱和土的土骨架应力方程

因为作用效果不同，土骨架的内力可以分成两组不同的平衡力系，即孔隙水压强引起的骨架内力和外荷载引起的骨架内力。分别以土骨架和孔隙水作为独立的分析对象，通过微元体的平衡分析导出饱和土的平衡微分方程，由此得到饱和土的土骨架应力方程，即有效应力方程。说明有效应力方程的物理本质是相间力的相互作用； Skempton 通过颗粒间作用力分析导出的有效应力的修正公式是不适当的；按照抗剪强度等效或者体积变形等效得到的有效应力表达式也完全可以用骨架应力和孔隙水压强来表达。     

Acceleration generation due to strain localization of saturated clay specimen based on dynamic soil–water coupled finite deformation analysis

In the conventional bifurcation and strain localization analyses of geomaterials, the inertia forces are generally ignored, based on the quasi-static equilibrium equation. Even though a great deal of literature exists on dynamic strain localization analyses, information on acceleration generation during the formation of shear bands has not been emphasized. Inspired by the acoustic emission phenomenon in laboratory tests and the seismic acceleration related to the slippage of faults, a dynamic soil–water coupled strain localization analysis is performed in the present paper on a saturated rectangular clay specimen subjected to constant cell pressure under plane strain conditions, employing the SYS Cam–clay model as the elasto-plastic constitutive model for the soil skeleton. An initial geometrical imperfection was introduced to the specimen to trigger one single shear band, and the following results were found: (1) Two types of oscillation occurred within the specimen during acceleration when the specimen was subjected to compression deformation at a constant rate, namely, (a) one caused by the sudden external compression and (b) the second induced by the formation of strain localization/a shear band. With the occurrence of the shear band, if, for example, the vertical rate was equivalent to about 10 cm/s, the accelerations that occurred within the specimen were in the order of several thousand gal, which is similar to those measured during earthquakes; (2) The effects of the time increment, the mesh division, the initial confining pressure, the OCR and the stress-control loading on the generated acceleration in (b) were investigated in detail. It was found that under stress control, even though the formation of the shear band was similar to that under displacement control, the induced acceleration behaved quite differently.     

Ko固结饱和土沉桩引起的超静孔隙水压力

根据饱和粘土中沉桩特点,用柱孔扩张理论模拟其贯入过程,将扩张后周围土体分为塑性区和弹性区,由柱孔扩张基本平衡方程和边界条件,采用能够考虑天然状态土体实际固结性状的K_o固结土体本构模型的屈服面方程为屈服准则,以对数应变考虑桩周土体发生的大变形,结合Henkel孔压公式,推导出沉桩后桩周超静孔隙水压力的理论表达式。通过算例分析了土体剪切模量、临界状态应力比、超固结比和静止侧压力系数对超静孔隙水压力的影响。同时,与基于修正剑桥模型解答和工程实例进行对比分析,理论计算值和现场实测值吻合较好,表明理论结果的合理性与实用性。     

土力学理论需要发展与变革

土力学经过90多年的发展,已经成为岩土工程中不可缺少的理论分析工具。但土力学目前仍然处于半理论、半经验的状态,其理论预测结果具有非常大的不确定性。如何克服这些不足,使土力学理论不断向前发展和变革,是土力学研究者不可推卸的责任。首先,基于土的易变性与敏感性论证了土是一种非常复杂的、难以用简单的一、两个变量进行精确定量描述的材料;其次,揭示了土力学目前是一种简化的理论,忽略了很多影响因素,难以描述土的复杂性质,由此产生了非常大的不确定性;第三,指出有效应力原理实质上是一种等效的近似方法,并就有效应力的定义、表述、理解和作用及其局限性进行了研究和探讨;最后,针对土力学目前存在的不足以及发展、变革的需求,提出了建立考虑多因素相互作用和影响的土力学理论的观点,提倡用多个因素(或多场)作用的观点研究和描述土的性质和行为。     

上覆分数阶粘弹性饱和场地土位移地震放大系数

考虑土体液相和固相的耦合作用,将基岩上覆场地土视为两相饱和多孔介质。为了考虑饱和场地土的粘弹性特性,其固相土骨架的应力应变关系利用分数阶Kelvin粘弹性模型来描述,建立了上覆分数阶粘弹性饱和场地土在简谐地震波作用下的运动控制方程。运用分数导数的性质并考虑上覆场地土的边界条件和透水性条件求解了上覆分数阶粘弹性场地土在简谐地震波作用下的振动问题,得到了饱和场地土的位移地震放大系数。采用数值算例分析讨论了分数导数的阶数、液固耦合系数、土体模型参数、基岩土体剪切模量比等参数对位移地震放大系数的影响。研究结果表明,分数导数的阶数、液固耦合系数、土体模型参数、基岩土体剪切模量比对饱和场地土的地震响应有较大的影响,通过压实场地土,可以达到增大液固耦合系数减小地震响应的作用,通过增大饱和场地土的粘性和剪切模量也可以减小地震反应。     

部分排水条件下饱和砂土的力学特性研究

利用英国GDS公司的STDTTS标准应力路径三轴仪开展了饱和砂土的部分排水试验,从超静孔隙水压力、有效应力路径与渐近状态特性等方面研究了部分排水条件下饱和砂土的力学特性。将渐近状态方程与剪胀方程耦合,并引入描述排水程度的状态参量mtml_15-0208_bak/img_0.png10.015.0,提出了相变应力比方程,将方程引入到土的应力路径本构模型,建立了饱和砂土的渐近状态本构模型。通过部分排水条件下饱和砂土的三轴试验结果,验证了所建模型的合理性。研究结果表明：排水条件控制着土体剪胀特性的发挥程度,进而从两个方面影响土的力学特性,一是荷载条件,即影响土体的有效应力路径,以及加载模式;二是土性条件,即影响土的抗剪强度的发挥程度,形成渐近状态。     

具有半封闭隧道的饱和粘弹性土动力特性

考虑介质和流体的压缩性,根据Biot理论和弹性壳体理论,在频率域内研究了饱和分数导数粘弹性土体-半封闭圆形隧道壳体衬砌系统耦合振动。将土体视为液固饱和多孔介质,选择反映介质流变特性的分数导数模型描述土骨架的应力-位移本构关系,又引入部分透水的边界条件,得到了饱和粘弹性土体中半封闭隧洞内边界分别在轴对称荷载和流体压力作用下位移、应力和孔压的表达式。进行了参数分析,研究表明：轴对称荷载条件下,分数导数阶数对系统响应的影响远大于流体压力情形下的动力响应,且存在明显的共振效应,但流体压力条件下不产生共振现象。     

关于非饱和土本构研究的几个基本规律的探讨

非饱和土是土不同状态的一种,所有的土都可能对于水处于部分饱和状态。因此,理想的土本构模型应该能够预测在所有可能的孔压和应力范围内土的性质;同时,也可以描述在该范围内任一的应力和水力路径。在过去大约 20 a 的时间中,非饱和土本构性质的研究经历了重大的发展,主要表现在以下几个基本理论方面：体积变化、剪切强度、屈服应力、土水滞回及水力学性质的耦合等。拟从对试验数据的预测效果、各理论间的一致性以及饱和与非饱和状态的连续性 3 个方面,对非饱和土本构基本理论的研究现况进行分析、归纳。     

静孔隙水压力与超静孔隙水压力——兼与陈愈炯先生讨论

土中的孔隙水压力是土力学的基本概念,也是饱和土体有效应力原理和渗流固结理论的基础。本文认为静止的地下水中和稳定渗流场中土中孔隙水压力均属于静孔隙水压力,而超静孔隙水压力是由于外部作用或者边界条件变化在土体中引起的,不同于静孔隙水压力的那部分孔隙水压力,在有排水条件下,它将逐渐消散,并在消散过程中伴随土体的体积变化。文中也针对一些例子进行了讨论。     

考虑主应力方向变化的原状黏土强度及超静孔压特性研究

针对许多实际岩土工程问题中,土体所受应力路径主应力方向会旋转变化的特点,采用空心圆柱仪(HCA)对主应力轴方向突变和连续旋转条件下杭州典型原状黏土的强度和孔压特征进行研究。试验表明:土体强度主要受原生各向异性影响,试样在破坏时的主应力作用方向以及中主应力参数是影响土体强度的主要因素,而主应力轴旋转对于强度则无显著影响;试样无论是否经历主应力轴旋转,在破坏时都会有显著的剪切带产生,同时剪切带平面与大主应力作用方向的夹角基本保持一个常数;主应力轴旋转会引起土中孔压积累,积累程度受主应力轴转幅及旋转时剪应力幅值、剪应力水平支配。这部分孔压增量较之主应力方向固定不变剪切产生的极限孔压而言不能忽略。     

饱和地基二维动力Biot固结分析

根据Biot平面动力固结方程,运用积分变换的方法,建立了周期荷载作用下单层地基的二维Biot动力固结的函数表达式。根据下边界为不透水基岩的边界条件,获得了地基表面作用周期荷载时地基内任意点应力(包括孔压)、位移(包括流体流量)的一般积分形式解。根据算例,研究了在周期荷载作用下,地基中的超静孔隙水压力、位移的幅值随动力渗透系数变化的一般规律。     

土液化特性中的几点发现

本文介绍了近二十年来在我国水利水电科学研究院进行饱和土振动液化试验研究中发现的几个重要特性。它们包括应力状态对饱和砂土振动液化过程中孔隙水压力变化的影响,颗粒排列对砂土骨架结构振动稳定性的影响,饱和砂土在振动作用下孔隙水压力的产生、消散和扩散机理,以及粉土（少粘性土）液化可能性的评价准则等等。这些特性都是当今研究液化问题中被重视和感兴趣的题目。文中表达了作者对这些问题的看法。     

高饱和度土的压缩和固结特性及其应用

高饱和度土往往存在于湖海地区的含气泡沉积物以及工程中高含水率的压实土。试验表明高饱和度土中气相主要以封闭气泡形式存于孔隙水中,并随水一起流动。假设高饱和度土为具有可压缩流体的两相土,考虑水气混合物的压缩性,推导出不排水条件下土体压缩公式,并建立高饱和度土的排水固结方程,获得一维简化解析解。在此基础上,深入分析了荷载作用下高饱和度土的孔压系数、三轴试验的反压饱和过程与围压饱和过程、以及一维情况下高饱和度土的排水固结特性,重点讨论它与饱和土的区别。最后还对影响高饱和度土压缩和固结特性的主要参数进行了分析。     

不规则循环剪切荷载作用下土的粘弹塑性模型

场地地震反应问题最初是按等价线性粘弹性模型来考虑土的非线性特点的。近年来,迅速发展起真正非线性的方法。本文提出的土的非线性模型可以同时符合均匀循环荷载下的剪切模量与剪应变、阻尼比与剪应变曲线,并且可以计入粘滞阻尼的影响。为了适应不规则的剪应力循环荷载,提出了加卸载的准则及孔隙水压力生长的分数循环估算法。本文建议的模型已用于总应力法的场地地震反应计算机程序中。     

循环荷载下饱和砂土的孔压触变性

将液化土体视为流体进行液化效应分析是一个前沿的技术思路。其中,合理描述液化土体的流体性质是一个关键问题。提出循环荷载下饱和砂土孔压触变性的概念和基本设想。采用点差法计算相变后饱和砂土流动性曲线各点曲率,给出了依据流动性曲线加速增长段的最大曲率确定初始流体状态的经验方法。基于饱和砂土不排水循环三轴试验,发现进入流体状态后的饱和砂土应力-应变率关系满足Cross型触变性流体状态方程,其内部结构参数与土中残余有效应力比具有正比例关系;此时Cross型触变性流体速率方程描述的物理实质即为土体内的孔压增长过程。试验结果印证了论文提出的基本设想,证明了循环荷载下进入流体状态后的饱和砂土具有孔压触变性流体特征。