饱和黏土动剪切模量与阻尼比的试验研究

针对饱和黏土,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,通过不固结不排水条件下的循环扭剪和竖向-扭转耦合试验,着重探讨了大应变情况下分级加载历史和循环应力耦合对动剪切模量与阻尼比等动力特性的影响。对试验结果的分析表明:采用多个试样单级加载与采用一个试样分级加载试验得到的初始骨干曲线、动剪切模量与阻尼比都较为一致,采用分级加载试验测定动剪切模量与阻尼比是可行的;耦合循环应力中的轴向偏差应力对扭转向应力-应变滞回圈的倾斜程度及动剪切模量与阻尼比都有显著影响,尤其当扭转向循环剪应力较小时,可以认为轴向偏差应力的大小控制着动剪切模量的增大量,受扭转向剪应力的影响,轴向应力–应变滞回圈的变化模式较为复杂。     

循环荷载下饱和软黏土的累积变形显式模型

显式模型是计算交通等长期动荷载引起地基沉降的实用方法。在考虑影响饱和软黏土循环荷载下轴向循环塑性累积应变的应力历史、动偏应力水平及第一次轴向循环塑性累积应变与围压归一化基础上提出了计算饱和软黏土轴向循环塑性累积应变显式模型。模型同时反映了等向、偏压固结不排水循环加载轴向循环塑性累积应变发展规律,并很好地反映了围压的影响,其主要参数有明确的物理意义且易于确定。通过上海地区第④层饱和软黏土一系列静力三轴、循环加载试验验证了模型的合理性,得到了模型相关参数。     

地震P波和S波耦合的变围压动三轴试验模拟

地震发生时,尤其是直下型地震发生时,P波对场地土体的作用不可忽略。通过变围压动三轴设备施加的特殊应力路径, 模拟了P波和S波耦合对饱和软黏土动力特性的影响,即循环剪应力和循环正应力耦合对饱和软黏土动力特性的影响。试验结果表明：变围压动三轴试验得到的包括循环剪应力和循环正应力的应力路径可以较好地模拟P波和S波的耦合作用;循环剪应力和循环正应力的相位差对饱和软黏土的动强度有较大的影响,当相位差为180°时,土体的动强度最低,当相位差为0°时,动强度最高;随着循环正应力幅值的增大,土体的动应变发展速度与常规恒定围压动三轴试验下的动应变发展速度相比,差距逐渐增大。这些发现一方面表明强震过程中P波的作用不可忽略,另一方面表明,在某些情况下,常规恒定围压动三轴试验高估了饱和软黏土的动强度,对抗震设计不利。     

水泥土小应变动力特性试验研究

通过GDS共振柱,研究了不同围压、不同掺和比对水泥软黏土小应变动力特性(动剪切模量和阻尼比)的影响,得到了水泥软黏土小应变动力特性的变化规律。随着应变幅值的增加,动剪切模量逐渐衰减。最大动剪切模量随有效围压的增大而线性增大;在相同应变水平下,随着水泥土掺和比增大,有效围压对动剪切模量的影响逐渐减小。随着应变幅值的增加,阻尼比逐渐增大。相同应变水平下,试样的阻尼比随有效围压的增大而有轻微地减小。水泥掺和比对阻尼比的影响较小,随着水泥掺和比的提高,相同应变水平下试样的阻尼比有略微地升高。与动剪切模量相比阻尼比对有效围压和掺和比的变化不敏感。     

循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律研究

动模量一直是土动力学研究中最为重要的参数之一,土动力学中使用最为广泛的等效线性本构模型即对动模量随动应变衰减规律的定量描述。在之前关于饱和软黏土动模量的研究中,已经考虑到诸如固结比、塑性指数、土体组构、饱和度、先期应力历史、动荷载频率、时间效应等因素的影响。但是由于各种各样的原因,鲜有文献涉及应力路径尤其是循环偏应力和循环围压耦合应力路径对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。考虑到循环围压在土体动应力场中存在的普遍性,通过一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的逐级加载试验,研究了循环围压对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。试验结果表明：循环围压不但会改变了某一应变值下饱和软黏土动模量的大小,而且其改变趋势及大小与相位差有关;通过拟合分析证实Hardin-Drnevich模型并不适合循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律的定量描述,而基于Stokoe公式却得到了较为理想的拟合结果。     

循环偏应力和循环围压耦合效应对饱和软黏土变形特性的影响

利用GDS变围压动三轴系统对温州地区典型饱和软黏土进行了一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的部分排水循环加载试验,重点分析了部分排水条件下循环偏应力和循环围压耦合效应对正常固结饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明:部分排水条件下,与围压保持恒定,偏应力单独循环剪切相比,循环偏应力和循环围压耦合剪切作用有效地促进了饱和软黏土的累积塑性应变的发展,循环围压和循环偏应力的比值每增加2/3,相应的永久轴向应变就增加32%。进一步根据部分排水条件下饱和软黏土永久轴向应变发展曲线特点,建立了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软黏土的永久轴向应变经验公式。     

单向循环荷载作用下饱和软黏土的性状研究

模拟交通荷载的作用,对珠江三角洲地区的高液限饱和软黏土和低液限饱和软黏土分别进行单向加载的循环三轴试验,研究饱和软黏土在压缩循环荷载下的轴向累积应变和累积孔压的发展情况,并充分考虑轴向循环压力大小、围压与塑性指数等因素对饱和软黏土性状的影响。试验结果表明:(1)单向循环荷载作用下,饱和黏土存在着临界循环应力,对于同一种土、不同围压下的临界循环应力,可引入临界循环应力比,用饱和黏土在各个围压下的不排水强度对临界循环应力进行归一化处理。(2)临界循环应力比的大小与饱和黏土的塑性指数有关,塑性指数越大,临界循环应力比越小。(3)循环应力大于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是破坏型的。(4)循环应力小于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是衰减型的,在相同的加载条件下,塑性指数大的试样累积变形和累积孔压均比塑性指数小的累积变形和累积孔压发展得快。(5)在单向循环荷载作用下,饱和黏土破坏时,孔压均没有达到围压值,只有围压的60%～70%。该研究成果可为交通荷载作用下软土地基沉降分析提供有益的参考。     

考虑主应力轴偏转角影响的饱和软黏土不排水循环累积变形

 建立在常规循环三轴试验基础上的循环累积变形显式模型不能反映土体单元在自重应力下的初始主应力轴偏转现象,而动态空心圆柱剪切试验可为建立能反映主应力轴偏转角影响的模型提供必需试验资料。针对上海第④层饱和软黏土的物理力学特性,研制原状软黏土空心圆柱试样制样设备,同时推导恒定主应力轴偏转角时循环加载波形方程与总应力控制空心圆柱静力剪切试验加载方程。对上海地区第④层饱和软黏土进行一系列恒定主应力轴偏转角动态空心圆柱循环加载及静力剪切试验,探讨恒定主应力轴偏转角条件下饱和软黏土循环累积变形规律,在考虑主应力轴偏转角对不排水抗剪强度影响的前提下验证显式模型的合理性。考虑主应力轴偏转角循环加载的饱和软黏土显式模型可更为有效地预测路基长期沉降。     

基于修正Masing准则的萧山软黏土动应力–应变关系研究

地震、波浪、交通等不排水循环荷载的作用将引起土体孔隙水压力上升，从而使土体的刚度、强度发生软化现象，以往对软粘土动应力–应变关系的研究大都忽略循环软化的影响。采用Masing准则及其修正来描述软黏土的动应力–应变关系往往与实际偏差较大，主要是因为该准则未能考虑软黏土的循环软化特性。通过对萧山软黏土进行应力控制的循环三轴试验，研究循环次数、循环应力、偏应力对萧山软黏土的循环软化特性的影响。通过对每次循环中的刚度进行无量纲化得到量纲一的刚度Gsec/Gmax与循环应变幅值 的关系曲线。研究结果表明，当循环应力较小时，Gsec/Gmax- 曲线由硬化及软化两部分组成；当循环应力大于58 kPa时，该曲线仅表现为软化特性。在试验基础上得到量纲一的刚度软化模型，该模型可体现每次循环过程中的刚度软化规律。同时，基于修正的Masing准则，结合循环软化模型，得到考虑循环软化特性的萧山软黏土动应力–应变关系曲线。     

双向激振循环荷载作用下饱和软黏土强度和变形特性研究

通过不排水循环三轴试验分别对单、双向激振下各向同性与各向异性固结的杭州软黏土的动力特性进行研究.研究结果表明,随着径向循环应力比的增加,循环应变幅与孔压幅值增加速度加快,导致土样在较小循环次数发生破坏.双向激振下,随着初始剪应力的增加,峰值孔压以及孔压幅值未见明显变化,这与单向激振的结果不同.双向激振下,饱和软黏土还存在着门槛径向循环应力比.当径向循环应力比小于该值时,双向激振循环荷载不能加速土体的破坏.随着径向循环应力比的增加,在半对数坐标下双向激振下饱和软黏土的转折应变近似线性增加,以该应变为破坏标准可得到双向激振下土体的动强度曲线.随着径向循环应力比的增加,土体的动强度降低.与单向激振循环荷载相比,双向激振下的动强度曲线更为陡峭,土体强度衰减更快.由此可知,在实际的抗震设计中,如果忽略双向振动对土体强度的影响,显然是不安全的.     

软黏土不排水循环应力应变响应的弹塑性模拟

为描述循环荷载作用下饱和软黏土不排水应力应变特性,以Mises屈服准则构建边界约束面方程,利用硬化模量插值方法及映射中心移动方法,在偏应力空间中构建硬化模量场,建立了一个总应力形式的增量弹塑性边界面模型。该模型依据径向映射法则建立弹塑性模量插值函数,并认为加卸载过程中映射中心随加卸载路径变化而不断移动,通过弹塑性模量的插值及映射中心的移动,使得硬化模量场的演化规律表述简单,跟踪循环应力路径所需记忆的参数较少。另外,模型通过在弹塑性模量插值函数中引入反映剪应变累积速率和大小的参数控制累积剪应变随循环次数的变化规律,不仅可描述循环加载时应力应变曲线的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,还可预测不同初始应力水平、循环应力水平下土单元的应力应变响应。最后阐述了利用循环三轴压缩试验确定模型参数的方法,并对循环三轴拉伸试验结果进行了预测,通过预测结果与试验结果的对比,验证了所建模型的合理性。     

循环振动对饱和粉土初始动剪模量的影响

初始动剪模量是土体多种结构性因素的综合反映,除固结压力和孔隙比(密度)这两个主要因素外,还受循环振动影响。以往对该因素的研究偏重于干砂,且预振时施加的剪应变幅多低于10-3;对于饱和土体,尤其是对经受过较大振幅振动后土体初始动剪模量的研究十分有限。本文利用安装弯曲元的动三轴仪,在等向固结条件下对不同相对密度的饱和粉土进行不排水循环三轴试验,同时监测试样的剪切波速,获得循环动力加载过程中土的初始动剪模量。为保证试验结果的可靠性,同时进行了共振柱试验,比较确定弯曲元接收信号的到达点;评估了不同孔压发展程度下试验暂停时间对测试结果的影响。结果表明:在一定次数大振幅循环荷载作用下观察到初始动剪模量有别于相同应力下固结后得到的模量值,出现附加衰减或增长,正是循环荷载作用下土微观结构变化的外部宏观表现。这种附加变化由土颗粒接触行为决定,受到试样初始条件和振动幅值等多种因素的影响,表现出不同的变化模式。     

钙质砂小应变初始剪切模量试验研究

砂土的初始剪切模量Gmax是反映土体刚度的一个重要的力学参数.利用多方向的弯曲元测试技术,对取自波斯湾人工岛礁的钙质砂小应变初始剪切模量进行研究,分析了不均匀系数Cu、平均粒径D50及应力历史对钙质砂水平(GHH)和垂直平面(GHV和GVH)上剪切模量的影响.结果 表明:各向同性固结下,钙质砂的Gmax各向异性显著,表...     

饱和南京细砂动剪切模量特性的大型振动台试验研究

为了研究饱和砂土动剪切模量在振动孔隙水压力（简称孔压）升高和消散阶段的变化规律,开展了饱和南京细砂的大型振动台试验研究。基于试验数据,分析了加速度二次积分时合理选择带通滤波的低频和高频阀值的重要性,提出了由土层加速度时程确定土体动剪切模量的方法。分析孔压升高和消散阶段土体的动剪切模量比与循环周数、孔压比、剪应变幅值的关系,结果表明：与孔压升高阶段相比,孔压消散阶段的动剪切模量比明显要低,将孔压升高与消散阶段的土体动剪切模量视为相同是不合适的;大型振动台试验给出的饱和南京细砂动剪切模量比随剪应变幅值增大而衰减的速度大于室内循环三轴试验给出的结果。     

考虑变围压因素的饱和软黏土循环纯压动力特性

饱和土体的动力特性表现出对应力路径的依赖性。越来越多基于变围压动三轴的试验结果表明：循环围压应力路径对砂土等颗粒材料的变形和回弹特性存在较大的影响。基于变围压动三轴试验,通过循环偏应力与循环围压的耦合模拟真实交通荷载下竖向循环正应力与水平循环正应力的耦合,研究了循环围压对饱和软黏土孔压、永久和回弹变形的影响。试验结果表明：在不排水条件下,与常规恒定围压动三轴试验结果相比,循环围压的存在较大程度地改变了孔压的发展规律,减少了永久变形的累积速度,同时增加了回弹变形（即减少了回弹模量）;循环围压幅值与循环偏应力幅值的比值（RPD）越大,永久应变的减少值与回弹应变的增加值越大;并进一步建立了考虑循环围压因素的饱和软黏土永久沉降和回弹模量预测模型。     

Application of Micromechanics Model to Study Anisotropy of Soils at Small Strains

A micromechanics model is used to analyse the stiffness anisotropy of soils at small strains. Five material constants for a cross-anisotropic elastic material are related to micromechanics variables such as fabric anisotropy, contact stiffness, particle radius, and the number of contacts in a given volume of particulate assembly. The analytical results from the model are compared with the published experimental data on small-strain stiffness anisotropy in order to estimate typical soil fabric conditions of sands and clays. The relationship between the small-strain shear modulus obtained from triaxial tests and shear tests is examined using the micromechanics model. The analysis shows that, when a soil is stiffer in the horizontal direction, the shear modulus evaluated from the conventional triaxial drained tests underestimates G_vh and G_hh. The opposite is true when a soil is stiffer in the vertical direction. When a soil is sheared in undrained condition, the measured shear modulus is closer to G_vh than G_hh, especially when the soil is stiffer in the horizontal direction. The effect of soil anisotropy on the stiffness measured from different stress paths in triaxial condition is investigated.     

Small strain dynamic behavior of two types of carbonate sands

The study reports on the small-strain dynamic behavior of two types of carbonate sands from Western Australia and the Philippines. Basic characterization of the soils was performed in terms of specific gravity, grading information, angle of shear strength at critical state, particle shape characterization and composition analysis. Piezo-element inserts were utilized to carry out the dynamic tests. For the Western Australia (WA) carbonate sand, both bender and extender element tests were performed, thus the shear modulus, the Young’s modulus and the Poisson’s ratio were examined. Both vertical and lateral bender element tests were performed on a set of specimens from the Philippines (PH) carbonate sand to study the shear modulus and, from which, no fabric anisotropy of the reconstituted specimens was found. It was observed that the overconsolidated specimens had higher stiffness than those during the first loading stages for both carbonate sands. In the pressure range of the study, grain breakage was small and its effect on the behavior of the samples was almost negligible. Empirical equations in the literature proposed from quartz sands could not predict the stiffness of the carbonate soils satisfactorily. In this regard, a preliminary study was carried out adopting the assumed void ratio that only considers the inter-particle voids instead of the summation of inter- and intra-particle voids; based on this concept, the predicted and measured stiffness (including both small-strain shear modulus, G_max and small-strain Young’s modulus, E_max) were found to be satisfactorily close.     

Dynamic properties of calcareous and siliceous sands under isotropic and anisotropic stress conditions

The strain-dependent dynamic properties of sand are generally described by their relative density and mean effective stress, while the contribution of other factors, like soil origin, mineralogy, grain morphology, and initial stress anisotropy, have not been fully recognized. This paper presents the results of an experimental study on the shear modulus and damping ratio of calcareous and siliceous sands of different origins and their identical grain size distribution and stress-density states. Resonant column and cyclic triaxial tests were conducted on reconstituted samples of these two sands obtained from coastal areas. The significance of the initial effective confining pressure and stress anisotropy on the dynamic properties of the sands is evaluated and compared. It is demonstrated that the small-strain shear modulus of the calcareous sand is more affected by an increase in mean effective confining pressure than the siliceous sand. However, the effect of the initial shear on the secant shear modulus of the sands is unique. Based on the test data, a rigorous correction factor is proposed to account for the influence of the initial stress anisotropy on the small-strain shear modulus of the sands. A comparison between the strain-dependent dynamic properties of the calcareous and siliceous sands reveals that the calcareous sand has a higher secant shear modulus, lower damping ratio, and higher linear and volumetric threshold strain. Since the stress-density states and grain size distribution of the two sands were identical in the experiments, the discrepancy in the dynamic properties can be attributed to other factors, including sand origin, grain angularity, mineralogy, and formation processes, which are not commonly taken into account in the current practice.     

土体稳定与承载特性的分析方法

结合研究团队多年的研究积累,分别从砂土与饱和软黏土两个方面阐述了在土体失稳与承载特性分析方法方面的理论研究成果。排水条件下密砂在到达峰值强度前可能会出现应变局部化失稳,而饱和松砂则可能出现分散性失稳;建立了基于三维非共轴塑性理论的变形分叉分析方法,分析了砂土平面应变试验和真三轴试验的应变局部化现象,进一步分析了各向异性砂土的强度特性和应变局部化现象,以及砂土的状态相关特性对应变局部化的影响;建立了基于状态相关本构模型的砂土应变局部化失稳弹塑性有限元分析方法,探讨了复合体理论和非局部塑性理论在消除有限元网格依赖性问题方面的可行性;建立了基于二阶功准则和状态相关本构模型的饱和砂土分散性失稳数值分析方法。提出了基于临界状态理论的饱和软黏土各向异性不排水强度理论公式,以及基于循环累积塑性应变的强度弱化公式,形成了适合低渗透性饱和软黏土的弹塑性静动力有限元分析方法;建立了非均质与各向异性软黏土地基稳定性问题的极限分析上限方法,进一步提出了不排水地基承载特性的虚拟加载上限分析方法,形成了分析地基承载特性循环弱化的弹塑性有限元法和虚拟加载上限法。所建立的分析方法将为砂土与饱和软黏土地基稳定性和承载特性的理论预测提供重要的技术手段。