微生物灌浆加固可液化钙质砂地基的振动台试验研究

饱和钙质砂地基受到地震、波浪等动荷载作用时会发生液化灾害。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是利用细菌分解尿素结晶成矿的地基处理技术。开展了MICP灌浆加固南海钙质砂地基的振动台试验,研究了MICP加固钙质砂地基的动力反应特性及抗液化性能,并分析了振动历史对钙质砂地基动力特性的影响。结果表明:MICP加固钙质砂地基在首次振动时产生的超孔压及地表沉降发展可分为平稳振荡阶段、快速增长阶段及稳定阶段3个阶段,而对于未加固模型地基则不存在稳定振荡阶段。相对于未加固地基,MICP处理后的钙质砂地基超孔压与地表沉降均有所降低,表明加固后的钙质砂地基抗液化能力得到较大提高;另一方面,处理后的土体地表加速度峰值被放大,因此,在设计地基处理方案时,需考虑MICP加固后钙质砂地基在地震作用下产生的地表加速度放大效应。MICP胶结钙质砂的抗液化强度不仅仅与颗粒胶结强度相关,还与土体密实度及颗粒排列规律有关。振动历史提高了地基土密实度,改善了钙质砂的抗液化性能,显著降低了地基的表面沉降。     

微生物温控加固钙质砂动强度特性研究

利用微生物温控加固技术对南海某岛钙质砂进行了MICP加固砂柱试验,并通过循环三轴试验开展了MICP加固钙质砂的动强度特性试验研究,探讨了不同MICP加固程度、相对密实度以及有效围压对钙质砂动强度与液化特性的影响。研究发现,经过MICP加固后松散钙质砂的动力液化特性由"流滑"逐渐演变为"循环活动性";相较于未加固中密砂试样,MICP加固中密钙质砂试样表现出更加明显的"循环活动性"特点。MICP加固钙质砂的动强度随着MICP加固程度、相对密实度以及有效围压的提高表现出不同程度的提高。针对MICP加固钙质砂提出了优化动强度经验公式,建立了MICP加固钙质砂的统一动强度准则。该研究成果将为MICP加固技术在南海岛礁建设发展和应用中提供重要的理论基础。     

微生物加固钙质砂动孔压模型研究

在地震、波浪等动力荷载作用下钙质砂地基易发生砂土液化造成结构破坏,微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)可以大规模处理钙质砂地基,提高其抗液化能力。本文采用循环三轴试验研究微生物加固钙质砂的动孔压发展特性,探讨有效围压、动应力比、相对密实度以及加固程度对微生物加固钙质砂动孔压发展的影响。研究表明,微生物加固钙质砂的孔压发展模式受动应力比和微生物加固程度的影响较大,根据动应力比和加固程度不同,微生物加固钙质砂表现出3种不同的孔压发展模式,孔压曲线随动应力比和加固程度增加逐渐由S型向双曲线型过渡。根据动孔压的发展规律,提出一种适用于微生物加固钙质砂的统一孔压应力模型,通过对比验证了该模型在预测微生物加固钙质砂动孔压发展上的适用性。     

不排水循环荷载条件下胶结砂土宏微观力学性质离散元模拟研究

天然或人工胶结的存在能够提高砂土的抗液化能力,从宏微观尺度对其动力学性质进行研究具有重大意义。将已有的三维完整胶结接触模型引入到三维离散元程序中,对胶结砂土不排水循环三轴剪切试验进行三维离散元模拟,研究颗粒间胶结、循环应力比对离散元试样宏微观力学性质的影响。研究结果表明,胶结的存在能够抑制轴应变和孔压的发展,提高砂土的抗液化强度,循环应力比与液化振次之间具有指数函数关系,证实了本文离散元模拟能够反映胶结砂土的宏观动力学性质。在微观尺度上,当循环应力比较小时,胶结试样内部仅有极少量胶结发生破坏,力学配位数基本不变,外界输入功主要用于增加颗粒和胶结弹性能。对于特定胶结程度的试样,在初始液化发生之前,随循环应力比增加,试样内部胶结破坏更为剧烈,力学配位数下降速率更快,颗粒和胶结弹性能更快地趋向于0,颗粒摩擦耗能、弯转耗能、扭转耗能更快地达到最大值,而破坏胶结接触点、胶结接触点和无胶结接触点法方向的空间分布更快地趋向于各向同性性质。     

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。     

不规则动荷载作用下砂土孔压特性试验研究

以多组人工调制的不规则正弦波荷载作为输入荷载,对饱和松砂开展一系列动三轴试验,探讨应力时程中不同脉冲幅值和脉冲顺序对砂土孔压特性的影响。试验结果表明,出现更早、幅值更大的应力脉冲更易导致孔隙水压力的发展,同时也更易诱发砂土液化。进一步地,峰值应力之前和之后的脉冲波组对孔压发展的影响有所不同。此外,不同荷载模式下,饱和松砂动孔压比与振次比存在近似唯一关系。根据砂土孔压特性,引入单位体积剪切功并考察其与超静孔压的内在关联,得到了孔压比与正交化剪切功的归一化关系。这一关系具有应力路径无关性,受动荷载不规则性影响较小,但与材料特性即土体种类有关。     

饱和南京砂液化后循环加载的动力表观黏度分析

饱和砂土在地震作用下会发生液化变形,从而引起建立在其上的建(构)筑物发生破坏。为了对饱和砂土液化后大变形的流体特性进行研究,采用英国GDS公司的空心圆柱扭剪仪进行了饱和砂土液化后循环加载的流动性特性试验研究,在试验中循环加载直至双幅剪应变达到100%。通过对试验结果的分析,主要研究了初始静剪应力及有效围压对饱和南京砂液化后发生大变形时的流体特性的影响规律。研究结果表明:根据超孔压比确定的"零有效应力"状态末端试样其实已经进入剪胀阶段,即超孔压的反应与液化时"零有效应力"状态相比具有明显的滞后效应;初始静剪应力主要对饱和南京砂初始液化后的"零有效应力"阶段的表观黏度与剪应变率关系曲线的影响较大,反而对反向卸载段的关系曲线影响较小。同时,试验结果表明砂土液化后循环加载条件下砂土的流动性明显比单调加载条件下的流动性大的多。     

循环荷载下饱和南沙珊瑚砂的液化特性试验研究

针对饱和南沙岛礁珊瑚砂,开展了一系列不排水循环加载试验,研究了相对密度D_r和初始围压■对饱和珊瑚砂的超孔隙水压力、应变发展、有效应力路径及动强度特性的影响,并比较了珊瑚砂与福建砂的液化特性差异。试验表明,珊瑚砂的超静孔压Δu的发展模式与石英砂的有较大区别,可用修正后的Seed模型进行表征。珊瑚砂液化时的累积能量耗散远比福建砂的大。珊瑚砂的轴向应变ε_(DA)随着循环振次增加而逐渐变大,不会发生急剧增大的现象。在有效应力路径接触相转换线后,珊瑚砂会发生剪胀和剪缩交替出现的现象,仍然会存在有效应力。较之福建砂Δu的波动特征,珊瑚砂Δu的波动更大,且当Δu接近■时波动明显增大,产生"瞬时液化"现象。珊瑚砂的动强度随着D_r以及■的增大而增大。珊瑚砂的动强度大于石英砂的动强度。     

循环三轴应力路径下钙质砂颗粒破碎演化规律

钙质砂广泛分布于中国南海区域,是吹填造陆的重要材料。钙质砂颗粒容易破碎,使得其力学特性相比于普通的陆源硅质砂有显著差异。对取自中国南海西沙群岛某岛礁的钙质砂开展了三轴排水循环剪切试验,研究了围压、循环应力比、循环振次对钙质砂颗粒破碎发展过程的影响。在试验所采用的围压范围内,钙质砂在固结过程中产生的颗粒破碎较少,但是在随后的循环剪切过程中产生了显著的颗粒破碎。在循环剪切作用下,钙质砂的颗粒破碎形式主要是尖角的磨损,剪切后试样的颗粒中出现了一些碎屑和微细颗粒,大颗粒的棱角有一定程度的磨圆,但粒径无明显减小。在常围压下的等幅循环剪切中,颗粒破碎程度随着循环剪切次数的增大而增加,增长速率逐渐降低,可以采用对数曲线来描述相对破碎指数的发展过程。再考虑围压和循环应力比的影响规律,初步建立了一个描述颗粒破碎演化过程的数学模型。     

地震和降雨耦合作用下黄土边坡失稳滑移的振动台试验研究

为了研究黄土边坡在地震和降雨耦合作用下的动力响应特征、变形演化过程以及失稳破坏机制,开展天然状态、降雨100 mm黄土边坡2种模型试验,对比分析降雨前后两类边坡模型的宏观变形、加速度、孔压、土压力等相关物理量的变化特征。结果表明:降雨后黄土边坡模型自振频率降低,阻尼比增大,地震动放大效应增强;强震作用下,坡顶区域土体震陷、液化,后续地震动作用下液化土体还会出现顺坡向滑移;根据边坡模型宏观变形、孔压及土压力变化,其失稳破坏过程可划分为:弹性动变形阶段、残余变形快速增加阶段、液化滑移阶段、蠕滑阶段4个阶段,不同阶段土体宏观变形、孔压、土压力各自有其特点。     

主应力方向循环变化对饱和松砂不排水动力特性的影响

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了主应力轴循环变化的多种模式竖向和扭转双向耦合循环剪切及普通循环扭剪试验。针对福建标准砂, 在均等固结条件下着重研究了振动过程中主应力方向的不同变化模式对饱和松砂不排水循环特性的影响。试验研究结果表明: 振动过程中主应力方向的变化方式对饱和砂土不排水动强度具有显著的影响, 在所采用的五种类型循环剪切应力路径中, 主应力方向连续旋转条件下的动强度最低。进一步的研究发现: 对于初始均等固结条件,分别采用初始平均有效固结压力和循环破坏次数归一化的循环孔隙水压力比与循环次数比之间的关系与振动过程中主应力方向变化方式无关, 这种归一化循环孔隙水压力比随广义剪应变的变化规律及累积广义剪应变与循环次数比之间关系均与振动过程中主应力方向变化方式无关。     

Liquefaction behavior of fiber-reinforced calcareous sands in unidirectional and multidirectional simple shear tests

A study on the liquefaction resistance of calcareous sands reinforced with polypropylene fibers was reported. Stress-controlled cyclic simple shear tests were conducted on specimens prepared at a relative density of 50%, with and without fiber reinforcements. The liquefaction behavior was investigated by considering the effects of fiber contents ranging from 0% to 1%, fiber lengths varying from 3 mm to 12 mm and loading patterns. The results indicated that increasing fiber content and fiber length resulted in a decrease in the deformation, a reduction in pore pressure accumulation rate, and improved the liquefaction resistance of calcareous sands. Additionally, the risk of soil liquefaction could be significantly reduced when the fiber content was greater than 0.8%. The multidirectional loading had a considerable effect in reducing the liquefaction resistance compared to unidirectional loading. Further, the stiffness degradation of calcareous sands decreased with increasing fiber content and fiber length. The pore pressure generated in the cyclic tests was analyzed and was found to be affected by fiber content. A pore pressure prediction model was proposed to obtain the pore pressure characteristics of fiber-reinforced calcareous sands under various fiber content conditions.     

循环荷载下老黏土的动力特性试验研究

本文利用GDS动态循环三轴仪施加竖向循环荷载对武汉地区具有代表性的老黏土进行试验研究,主要分析了老黏土在模拟地铁振动荷载作用下的动力特性。通过对孔隙水压力变化和残余应变发展曲线的分析,探讨了下不同固结比、动应力比、卸荷比等因素对老黏土动力特性的影响,并综合各因素总结出老黏土的动力响应规律;通过与软粘土和淤泥质土的已有研究成果进行对比分析与讨论,提出了合适老黏土的孔隙水压力发展模型及残余应变经验公式。本文的研究对地下工程设计中认识老黏土的物理力学特性等具有一定意义。     

固结应力比对土样动强度和动孔压发展规律的影响

回顾了初始剪应力对土样动强度和和动孔压发展规律的影响,使用动三轴对某土石坝坝基饱和砂砾石料进行动强度试验,研究固结应力比Kc对土样动力特性的影响。分析试验结果如下:所有土料都存在一个转折点Kc′:KcKc′时动强度随Kc的增大而降低,动变形和动孔隙水压力随Kc的增大有稍许加大趋势。转折点Kc′的具体数值与土料性质及所受应力状态有关。本次试验Kc=0.5～3.0,转折点Kc′为2.8左右。Kc过大后,初始剪应力较高、剩余强度较低而导致动强度降低。偏压固结Kc=0.7～1.3时,试验土料最终孔压值均可达到围压;偏压固结Kc≥1.5后,试样最终孔压值是否可达到围压取决于动应力σd是否大于主应力差(σ1c-σ3c),即σd是否形成拉应力使试件伸长。但当Kc很大后,σ1c和σ3c相差太大,需施加非常大的动应力σd才能使其应力应变反向,试样不可能达到初始液化。     

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.     

砂土循环累积变形规律与显式计算模型研究

海洋基础在上部结构风和波浪等长期循环荷载的作用下产生累积变形,易影响海上风电机组等构筑物的正常服役性能,其本质是基础周边土体的循环累积变形问题。针对该问题,开展了一系列饱和砂土在排水条件下的循环剪切三轴试验,研究了动应力比、初始密实度、初始平均应力和初始静应力比等土性和应力参数对循环累积变形的影响,发现随动应力比、初始平均应力和初始静应力比的增大及初始密实度的减小,饱和砂土的轴向循环累积应变增大。从试验数据分析来看砂土轴向循环累积应变和循环次数之间近似存在双对数线性关系。将砂土轴向循环累积应变与第一次循环轴向应变归一化能消除上述土性和应力参数的影响,进而分析了第一次循环轴向应变与土性和应力参数之间的关系,通过引入与密实度相关的砂土抗剪强度计算表达式,建立了饱和砂土在排水条件下的循环累积变形显式计算模型,适合海洋基础长期循环累积变形分析。     

考虑应力路径与累积变形影响吹填土力学特性

应力路径与累积变形量影响土体的力学特性。本文以天津滨海新区有一定结构强度的吹填土为研究对象,采用WF应力路径试验仪对土体施加不同的应力路径,再控制土体的不同的累积变形量,在此基础上,进行三轴不固结不排水试验,探讨不同应力路径及初始累积变形对吹填土变形特性、强度特性以及孔隙水压力变化规律。试验结果表明,土体三轴剪切应力-应变关系曲线形状与应力路径阶段累积变形量密切相关,应力路径对土体抗剪强度大小以及抗剪强度包线形状有明显影响,抗剪强度指标粘聚力受应力路径的影响比内摩擦角大。土体孔压变化不仅与应力路径有关,还与土体结构屈服有关。3种不同应力路径下,有效应力路径在土体结构屈服前后都出现明显的偏转,呈现为“S”型。土体的结构屈服应力并不是一个定值,随着应力状态的变化而变化。     

列车荷载下考虑频率影响的软黏土破坏标准研究

列车荷载在地基土体中引发一种心形线主应力轴旋转动力路径,考虑频率作用时,会对地基土产生更为复杂的影响。以南京河西典型重塑软黏土为对象开展数组不同频率f和动应力比η的不排水空心扭剪试验。试验发现,不同动应力比下,土体变形随振动频率的变化趋势主要分为两种情况。另外,随着频率f的提高,试样发生破坏的临界动应力比η'先减小后增大。频率f在1.0~2.0 Hz范围内,孔压发展曲线受频率影响较小,当f=0.5 Hz时,孔压发展显著增大。提出一种适用于列车荷载下考虑频率影响的重塑软黏土破坏评价方法。该标准以孔压–应变耦合曲线为主要辨识曲线,可以判别试样所属的稳定、临界或破坏型状态,为后续开展列车荷载引起的软黏土地基承载力研究提供理论支持。     

上海港罗泾港区地基处理的试验研究

上海港罗泾港区地基处理工程,对地基承载力要求高,工期要求紧。结合实际工程情况,针对吹填细砂与下卧软黏土的工程性质,对强夯-降水联合法在此类地基条件下的适用性进行了试验研究,对加固过程以及加固后的土体变形、超静孔压变化、加固效果和加固后土体的时间效应以及强夯的加固机理进行了分析。在试验的基础上,确定了强夯施工工艺的施工参数,得到了一些有益的结论,对类似工程有一定的借鉴意义。