循环荷载下饱和粘土的—维粘弹塑性解答

本文把饱和粘土看作Maxwell体,并考虑土体在压缩和回弹时的不同土质参数,推导出饱和粘土在考虑其粘弹塑性性质时的一维固结流变微分方程;然后运用数值方法求解出多种周期性循环荷载和非周期性循环荷载作用下的沉降表达式;最后通过和循环荷载下室内试验结果之间的对比分析,证明该方法是较为准确而且可行的。     

冲击荷载作用后软粘土的再固结

围绕“动静结合排水固结法”课题，对冲击荷载作用下软粘土性状进行了试验研究，重点分析了排水条件对土体固结和再固结的影响。指出孔压上升与再固结体应变的唯一性关系，这为饱和软粘土地基在冲击荷载作用下附加沉降量的计算提供了一个简单的思路。并指出经多遍冲击再固结土体的强度可大大提高。     

循环荷载作用下软粘土的累积变形特性的研究

研究了海洋原状软粘土的不固结、不排水动力特性，依据循环三轴试验结果，分析得出了一种描述海洋软粘土受到循环荷载作用时的累积变形的简便表达式，把软粘土的循环累积变形与其受到的静应力、循环应力以及循环次数的关系统一表示出来，为研究海洋软粘土的地基变形和承载力提供了便于应用的研究结果．     

适用于饱和粘土循环动力分析的新型边界面塑性模型

为了合理评估嵌入式海洋工程结构在海洋环境中的动力响应和工作性能，建立一种形式简单且能真实模拟饱和土体复杂动力特性的本构模型显得极为必要。本文基于广义各向同性硬化准则提出了适用于描述循环荷载作用下饱和粘土复杂动力特性的新型边界面塑性模型。模型引入广义各向同性硬化中心，实现边界面的等向硬化和运动硬化，以反映循环荷载作用下饱和粘土各向异性的演化；同时，土体的连续循环加载过程被分为三类加载事件：初始加载，卸载和再加载事件，采用不同的插值公式计算其塑性模量，以模拟循环塑性应变和孔压的累积；以该硬化中心作为映射中心，从而体现土体在卸载过程中产生的塑性变形，合理地模拟循环荷载作用下土体应力应变关系的滞回特性。应用该模型对饱和粘土在短期较高应力水平下和长期低应力水平下的循环动力特性进行预测，并与相关文献中的试验数据比较，证明了该模型的合理性。     

循环应力作用下饱和软粘土的不固结不排水强度与破坏准则

通过饱和软粘土循环三轴与循环扭剪试验,研究了循环应力作用下饱和软粘土不固结不排水强度的变化。结果表明,当循环破坏次数给定后,饱和软粘土的不固结不排水循环强度取决于试验土样受到的静剪（偏）应力,与其受到的围压力无关;当作用在试样上的静剪应力比（静偏应力比）从0.3变化至0.6时,饱和软粘土循环强度也逐渐增大;进一步依据Mises破坏准则,通过分析循环扭剪试验确定的循环剪切强度与循环三轴试验确定的循环压缩强度之间的关系,阐明了循环荷载作用下饱和软粘土不固结不排水强度满足Mises破坏准则。依据本文研究结论,可以通过特定试验建立描述一般应力状态饱和软粘土单元不固结不排水循环强度的变化关系。     

冲击荷载作用后软粘土的再固结

围绕“动静结合排水固结法”课题, 对冲击荷载作用下软粘土性状进行了试验研究,重点分析了排水条件对土体固结和再固结的影响。指出孔压上升与再固结体应变的唯一性关系,这为饱和软粘土地基在冲击荷载作用下附加沉降量的计算提供了一个简单的思路。并指出经多遍冲击再固结土体的强度可大大提高。     

双向激振对饱和软黏土应力应变循环刚度软化的影响

地震荷载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。循环软化是地震荷载作用下土体发生破坏的主要原因。本文利用双向动三轴试验系统，通过双向激振循环荷载试验对地震荷载的作用进行了模拟。并对双向激振循环荷载作用下饱和软黏土每一次循环内刚度软化现象进行了初步的探讨。分析了循环次数、循环偏应力比、径向循环应力比、初始剪应力等因素对双向激振循环作用下软黏土刚度变化规律的影响。研究结果表明：双向激振下，当循环偏应力比小于临界循环偏应力比时，饱和软黏土存在临界屈服应变，当应变幅值小于该值时，割线剪切模量逐渐增加不发生软化现象；只有在应变幅值大于该值的情况下才发生软化。循环偏应力比的增加、径向循环应力的提高都将加快刚度软化。双向激振下，随着初始剪应力的增加，刚度有所提高。并在试验的基础上建立了双向循环荷载作用下饱和软黏土的刚度软化模型。以该软化模型作为Masing准则的放大系数对双向激振下土体的应力－应变关系进行了描述，得到了与实测较吻合的结果，同时也验证了本文软化模型的准确性。     

变幅循环荷载作用下混凝土的单轴拉伸特性

在MTS318电液伺服万能试验机上对76个哑铃形试件进行了变幅循环荷载作用下混凝土的单轴动态拉伸试验，系统地研究了初始静载、循环频率、循环增幅对混凝土动态强度以及变形特性的影响。研究结果表明，在地震作用的频率范围内变幅循环荷载作用下混凝土的动强度主要取决于每一循环内最高加载速率时的动强度，循环增幅的影响相对较小。随着初始静态荷载的增加，混凝土的动态强度趋于减小。随着循环数的增加，混凝土内产生的不可恢复的永久变形幅度也随之增加。     

循环荷载作用下土工格栅剪切特性的颗粒流细观分析

以循环荷载作用下土工格栅与砂土的直剪室内试验结果为基础，对法向循环荷载作用下筋土直剪过程进行三维颗粒流模拟，开发CLUMP颗粒板替代顶墙施加法向循环荷载，并与静载作用结果相对比，分析筋土界面宏细观参数演化规律及其对应关系，深入探讨筋土剪切特性的宏细观机理。与室内试验只能宏观探讨筋土界面的力学性质相比，数值试验可以从宏细观角度分析土工格栅在直剪试验中筋土作用特性，研究结果表明：离散元PFC数值试验可以较好的再现筋土界面作用特性。相较静载作用情况，法向循环荷载使得试样上部区域和筋土界面区域颗粒位移明显增加，循环荷载峰值谷值交替出现，筋土界面区域孔隙率呈现波动变化，颗粒旋转明显，滑动比较大。随着土工格栅埋深的增加，法向循环荷载影响逐渐减弱，筋土界面剪应力峰值上升，循环荷载弱化了土工格栅的加筋作用。循环荷载作用下土工格栅与土颗粒的咬合力以及颗粒间的静摩擦阻力、滑动摩擦阻力、滚动摩擦阻力是形成土工格栅加筋作用的主要原因。     

裂隙-荷载耦合作用下砂岩强度变形细观损伤机理研究

通过岩石力学伺服试验机，对完整砂岩与裂隙砂岩进行单轴压缩试验与单轴循环加卸载试验，探究荷载－裂隙共同作用下砂岩力学性质的演化规律。试验结果表明:循环荷载作用对完整砂岩与含预制裂隙砂岩的力学性质有显著的强化作用；随着循环周数增加，试样弹性模量呈现出“强化”现象，且第一周加卸载循环对弹性模量的强化作用最为显著。结合试样的细观损伤机理，分析了初始抗压强度、加载路径、应力状态与宏观缺陷等条件对循环荷载下峰值强度演化规律的影响，并阐明了弹性模量“强化”现象的细观机理。     

循环加荷条件下饱和砂土液化细观数值模拟

利用离散单元法中的二维颗粒流方法(particle flow code in 2-dimension,PFC2D),通过对双轴数值试样施加循环等幅应变且控制加荷过程中试样体积(面积)不变的方法,模拟了循环加荷条件下饱和砂土的液化特性。在得到试样液化宏观力学响应的同时,分析了液化过程中内部平均接触数的变化规律。进一步研究了应变幅值、围压对数值试样液化特性的影响,并与室内试验规律进行了对比。结果表明,数值模拟能够定性地反映饱和砂土振动液化的一般规律,数值模拟得到的应变幅值、围压对试样抗液化强度的影响规律符合实际砂土室内试验规律。     

饱和砂土静动力剪切特性对比分析

在相同的初始应力条件下,通过进行循环扭剪试验和单调剪切试验,对比了初始固结应力状态完全相同时,饱和砂土的静动力剪切特性的相关性。试验结果表明,在初始固结应力状态相同的情况下,单调剪切和循环扭剪过程中,应力-应变关系的应变软化和硬化特性与流滑变形和循环流动特性具有密切的相关性,尽管在两种加载模式下都出现应变软化特性,但偏应力比增长均表现出硬化特性,增长模式也几乎一致,能作为静动力本构模型的物理基础。这一结果为对静力条件下的弹塑性模型进行修正和推广,从而进一步描述动荷载条件下的应力-应变特性的本构模型的建立提供了依据。     

竖向循环荷载下钙质砂单桩沉降特性模型试验研究

钙质砂中的桩基础时常需要承受构筑物上的竖向循环荷载。研制了新型循环加载桩基模型试验系统,通过电位移计、微型土压力盒等传感器,研究了加载次数、循环荷载幅值对桩顶累计沉降、沉降速率、桩端和桩侧阻力变化的影响,分析了循环荷载对钙质砂单桩沉降规律和机理。试验结果表明:①桩顶循环累计沉降随循环次数增加而增大,二者满足对数函数关系;在不同动荷载比(动荷载幅值与桩基极限承载力比值)下,可分为稳定型、渐进型、破坏型3种沉降形式,有着显著的“门槛效应”。②动荷载比越大,桩顶循环累计沉降终值越大,存在一个临界循环次数,达到临界循环次数后,桩顶循环沉降速率(沉降量增量与循环次数比)随循环次数的增加而减小。③循环加载时,桩端和桩侧分担上部荷载比例不断变化,循环桩侧平均摩阻力随循环次数增加逐渐减小,存在“累积损伤”现象,致使循环桩端平均阻力增大,循环荷载加剧桩端钙质砂颗粒破碎和密实,对桩顶累计沉降增加有弱化趋势,动荷载比与桩侧平均摩阻力弱化系数满足Logistic函数关系。研究成果对钙质砂桩基工程设计、施工具有指导意义。     

饱和砂土液化后强度与变形特性的试验研究

利用GDS 10Hz/20kN双向振动三轴系统，进行了饱和砂土液化后静力再加载试验。从砂土受振动荷载结束后所处的拉伸、压缩两种状态出发，对饱和砂土液化后的强度变形特性进行分析，研究了液化程度和围压对饱和砂土液化后不排水变形特性的影响。试验结果表明，振后处于拉伸状态的试样，液化后的变形由低强度段、超线性强度恢复段和次线性强度恢复段三段组成。振后处于压缩状态的试样，液化后的变形则只有次线性强度恢复段。提出了统一描述两种状态下砂土液化后应力应变关系的三阶段模型，并给出了模型参数的推导过程。与试验结果对比显示，该模型的预测值与试验值吻合较好，说明该模型有较好的适用性。     

Monopile responses to monotonic and cyclic loading in undrained sand using 3D FE with SANISAND-MSu

Monopile response under undrained conditions in sand is gaining increasing interests owing to the recent development of offshore wind farms in seismic regions. Pore pressure evolution in liquefiable soil can significantly reduce the strength and stiffness of the soil which in turn affects the structural dynamic response. Several numerical models have been developed in the last two decades to enhance understanding of the mechanism of monopile–soil interaction with the existence of pore water pressure. In this study, the effects of geometry and static vertical load on monopile lateral response were studied using three-dimensional finite element methods that consider the existence of lateral cyclic load-induced pore water pressure. To achieve reliable simulation results of pore pressure development and pile displacement accumulation during cyclic loading, the simple anisotropic sand model with memory surface for undrained cyclic behavior of sand was adopted. For piles with the same diameter, a accumulated pile head displacement during lateral cyclic loading decreased linearly with increasing pile embedded length but increased with increasing eccentricity. Static vertical load had minor effects on pile cyclic lateral response. The distributions of mean effective stress and pore water pressure in the soil domain were presented. The pile reaction curve (cyclic soil reaction against pile defection) of the monopile was extracted. The numerical results aim to provide reference for optimized engineering design procedures.     

一个新的内时参量动孔压模型及其适用性研究

基于Ｆｉｎｎ等人提出的内时孔压模型，通过饱和砂土应变控制的振动扭剪试验，研究了孔隙水压力的增长规律，以有效剪剪应变路径长度参数为内时参量，提出了一个饱和砂土振动孔隙水压力的计算模型，通过对已有试验资料的检验表明。新的内时参量对于应变控制的动单剪，动三轴试验以及应力控制振动试验的孔压发展规律都具有很好的归一化性能。     

循环荷载作用下砂土液化特性的非圆颗粒数值模拟

针对纯圆颗粒模拟的缺陷,利用颗粒流计算程序的团颗粒方法开发了形状近似实际角粒砂的角粒团颗粒,研究了颗粒形状变化对数值试样液化特性的影响及其细观机理。利用自行开发的随机数制样方法制备出多种形状颗粒随机混合的仿真试样,分析了振动液化过程中细观组构的演化规律,并与砂土可视化模型试验结果进行了对比。结果表明,颗粒棱角度越大,试样抗液化能力越强,其在细观机理上与初始平均接触数大小有关;随机混合仿真试样可以从定性角度反映实际砂土振动液化过程中的细观组构演化规律,为今后进一步的定量研究奠定了基础。     

波浪作用下饱和砂土孔压发展规律试验研究

利用空心圆柱扭剪仪和动单剪试验仪分别对饱和砂土进行了循环耦合剪切和动单剪试验,研究比较两种不同方法下,饱和砂土内部孔隙水压力发展规律及其差异。结果表明,两种孔压发展规律具有显著差异,且分别可以采用传统孔压增长模型和幂函数关系加以描述;空心扭剪试验中,双向动荷载的幅值比值λ对孔压增长具有显著影响,但对归一化孔隙水压力发展模式没有显著的影响;动单剪试验中,存在循环振次临界转换值,该值决定了孔压增加随动剪应力的变化趋势。     

波浪荷载作用下饱和珊瑚砂动强度特性研究

分析了ＨＣＡ－１００空心圆柱扭剪仪加载限制条件,选择了符合实际波浪荷载作用的广义圆形应力路径实现方法和加载公式;利用空心圆柱扭剪仪模拟不同频率波浪荷载的广义圆形应力路径,研究了波浪荷载的加载频率和珊瑚砂相对密实度对饱和珊瑚砂动强度的影响规律。研究结果表明:广义圆形应力路径能够较好的模拟波浪荷载;试样破坏所需荷载循环次数随波浪荷载加载频率增加而增加,在低偏应力比条件下更为明显;相同加载频率下,饱和珊瑚砂动强度随破坏循环次数增加而减小;波浪荷载作用下饱和珊瑚砂动强度随荷载加载频率和珊瑚砂相对密实度增大而逐渐增大。根据不同荷载加载频率下饱和珊瑚砂对应的偏应力比与初始荷载加载频率为０．１Ｈｚ时的偏应力比之间的关系,建立了考虑荷载加载频率的饱和珊瑚砂动强度经验公式。