循环荷载下染色标定砂土内部侵蚀试验研究

内部侵蚀是造成堤防、大坝、路基等诸多结构失稳的主要原因之一。现有对土体内部侵蚀特性的研究大多基于静态加载,且无法定量描述细颗粒迁移的相关规律。为此,采用自主研发的土体渗透试验装置,对2组不同级配的染色标定砂土开展循环荷载作用下的内部侵蚀试验,探究循环荷载下砂土内部侵蚀过程中的水力响应机制,并定量描述流失颗粒的粒径组成及成分来源。试验结果表明:循环荷载–水头作用下,在现有土体稳定性判别方法中表现为稳定土体的试样A仍发生了一定质量的颗粒流失,之后又会达到新的平衡状态;而表现为不稳定土体的试样B则会发生持续且显著的颗粒流失,渗透系数显著增加。随着外部水头的提升,流失颗粒平均粒径逐渐增大、且流失颗粒所来源于土层逐渐加深。循环荷载–水头作用下,砂土试样间产生上下波动的孔隙水压力,在各层位间形成振荡的水力梯度,从而影响土体内部稳定性。研究结果加深了对内部侵蚀特性的认识,为完善相关病害的发展机制研究提供理论与试验支撑。     

土体降雨滑坡中细颗粒运移及效应

针对土体中细颗粒迁移对滑坡泥石流启动的影响开展了实验，比较了不同纵横剖面的颗粒级配在不同位置及实验前后的结果。研究发现，沿土体深度方向均是细颗粒下移，中部聚集程度最高；沿坡面方向，在离土面相同距离的位置，后部细颗粒多，前部细颗粒少。可以初步认为，随着降雨入渗，细颗粒逐渐汇集到土体下部和土坡坡角，从而使相应位置的渗透性降低，孔压上升，孔隙水聚集于该处，形成滑动面，最后导致滑坡泥石流。     

宽级配粗粒土的内部侵蚀试验及其稳定性判别

强降雨入渗条件下宽级配粗粒土中的细颗粒会由于孔隙流体的作用发生内部侵蚀。细颗粒的运移改变了土体的微观结构,土体的水力、力学性质随之变化。利用自行研发的刚性壁渗流侵蚀实验装置,对颗粒粒径介于0.002～10 mm的9种间断及连续颗粒级配粗粒土试样进行渗流侵蚀试验,提出一种新的基于试验的内部稳定性判别标准。实验结果表明:对于宽级配粗颗粒土,内部侵蚀改变了土体的渗透系数,最终导致渗透系数下降;粗颗粒的缺失导致内部稳定性降低,渗流作用下,连续颗粒级配土也可能是内部不稳定土;侵蚀土颗粒累计质量可以度量土体内部稳定性,在容许水力梯度范围内侵蚀量超过总质量5%的土体可划分为内部不稳定土;Kezdi几何标准更适用于评价宽级配粗粒土的内部稳定性。     

土体降雨滑坡中细颗粒运移及效应

针对土体中细颗粒迁移对滑坡泥石流启动的影响开展了实验,比较了不同纵横剖面的颗粒级配在不同位置及实验前后的结果。研究发现,沿土体深度方向均是细颗粒下移,中部聚集程度最高;沿坡面方向,在离土面相同距离的位置,后部细颗粒多,前部细颗粒少。可以初步认为,随着降雨入渗,细颗粒逐渐汇集到土体下部和土坡坡角,从而使相应位置的渗透性降低,孔压上升,孔隙水聚集于该处,形成滑动面,最后导致滑坡泥石流。     

黄河口粉土层振动响应过程的电性变化

 在黄河水下三角洲粉土层不同深度布设电传感器和孔压探头，实时记录循环荷载作用过程中粉土体的电性变化和孔压变化。基于土的电阻率对土体结构状态反映能力，分析振动响应过程土体变形特性，确定外部振动对土体的改造作用，揭示波浪作用下土体破坏机制。实验结果表明：振动荷载作用下，一定深度内的粉土体电阻率会发生不均匀改变，由此揭示土体的分层变化规律。分层变化主要发生在循环荷载作用的初始阶段，对应孔压上升期。而整个加荷和卸荷作用过程中，40～50 cm深度区间土体电阻率未发生明显变化的现象表明，外部振动作用过程中一定深度位置土体并未发生相应振动位移，保持相对稳定。相近位置的土体微结构分析和振动作用过程土体强度原位监测结果也验证了这种认识。土体的这种分层特征可能会引起波浪作用下粉土层共振现象发生，从而形成黄河水下三角洲底坡失稳的控制性因素。     

分阶段循环加载条件下温州饱和软黏土孔压和应变发展规律

土体在经过一定次数的循环荷载作用后,其动力特性会发生改变,对后续振动的响应会变得大不相同。通过对温州原状饱和软黏土分别在不排水和排水条件下进行连续循环加载和5个阶段的分阶段循环加载试验,分析了循环荷载作用及一定时间的停振对土体动力特性的影响。试验结果表明,一定时间的振动和停振后,由于土体动力特性发生了改变,后续阶段的残余应变将变小;不排水条件下,停振期孔压稳定在循环加载产生的残余孔压值附近,而振动期产生的变形一部分得到恢复;排水条件下,在振动期孔压呈现出先增大后减小的趋势,在停振期残余应变基本保持不变。这些结论对于深入分析交通荷载下土体动力响应和沉降发展具有一定的指导意义。     

渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置的研制及初步应用

管涌是涉及孔隙水渗流,可动细颗粒侵蚀、运移,多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相、多场耦合现象。为真实模拟管涌发展过程、探究管涌机制,研制渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置。该装置包括流失细颗粒收集系统、围压系统、轴向压力系统、渗透压力系统及数据采集系统。流失细颗粒收集系统可以实时收集管涌发展过程中流出土体的细颗粒及渗流量;围压及轴向压力系统模拟土体承受的三向应力状态,最高围压可达2.0 MPa,最大轴向压力可达30 kN(试样直径101 mm);渗透压力系统模拟土体承受的渗流作用,具有高水头(200 m)与低水头(低于2 m) 2种模式;数据采集系统能够实时监测土体沉降、体积及渗流进、出端水头的变化等。无围压、等向受压、三轴受压3组管涌试验表明：应力状态对管涌发展过程影响显著。等向受压状态下管涌临界坡降远高于无围压时的结果,略高于三轴受压状态下的临界坡降。新型管涌试验装置能够真实模拟土体管涌发展过程,实时监测管涌发展过程中土体细观结构、几何、水力、力学特性的演变,将成为深入研究管涌机制的可靠技术工具。     

移动简谐荷载作用下饱和土体中圆形隧道和轨道结构的动力分析

采用解析法研究了移动简谐荷载作用下饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构的动力响应,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成周期性的两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例分析了荷载移动速度、自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响,对比了连续浮置板轨道和离散浮置板轨道的动力特性。结果表明:离散浮置板轨道情形下,轨道结构和饱和土体响应频谱中存在由荷载周期通过不连续浮置板而引发的参数激励;荷载自振频率接近轨道结构固有频率时产生共振,对轨道结构和饱和土位移、孔压响应均有较大影响;离散浮置板轨道和连续浮置板轨道动力特性有显著差异,当荷载频率接近有限长浮置板形成驻波的频率时,二者对应的自由场响应区别明显;增大衬砌厚度可以显著减小饱和土位移响应。     

软土地基上箱筒型基础防波堤静力离心模型试验研究

利用离心模型试验研究新型箱筒型基础防波堤在水平静荷载作用下的工作性状和稳定性.通过在箱筒型基础防波堤上的波浪荷载合力作用点处施加水平静荷载直至达到极限状态,得到水平静荷载作用下防波堤的位移和地基土体中超静孔压响应.试验结果表明:设计荷载作用下防波堤结构的位移较小,荷载达到约2.2倍设计值时,荷载-位移曲线出现拐点,当荷载达到约3倍设计值时达到极限状态,防波堤发生向港侧的水平位移、港侧基础筒下沉、海侧基础筒上升以及向港侧的倾斜;荷载作用下港侧基础筒周围土体中的孔压增大,海侧基础筒周围土体中的孔压降低,港侧基础筒内的超静孔压始终大于筒外的超静孔压,荷载较小时海侧基础筒内的负超静孔压大于筒外的负超静孔压,而荷载较大时筒内的负超静孔压略小于筒外的负超静孔压.     

降雨对滑坡形态影响的宏细观分析

进行人工降雨诱发边坡滑坡的模型试验,着重研究不同降雨强度对滑坡形态的影响。基于不同降雨强度下边坡发生滑坡的破坏过程,利用高速动态数据采集仪和孔隙水压力传感器进行孔压量测;利用土体水分传感器监测降雨过程中坡体内部含水率的变化情况,研究含水率和饱和度对滑坡形态的影响;并结合细观组构变化进行水土作用机理分析。研究结果表明:不同降雨强度下坡体发生滑坡的宏观破坏形态、孔压变化规律不同;随着降雨强度的增加,坡体滑坡形态从牵引式向推移式转化;牵引式滑坡形成机理为坡脚发生渗透破坏,坡体失去坡脚支撑作用而分层下滑;推移式滑坡形成机理为坡体上部雨水聚集导致孔压上升、土体强度降低,当下滑力大于抗剪强度时,上部土体挤压下部土体,突然整体滑动。本文研究有助于工程中对降雨诱发滑坡的预防和治理。     

粘性土初始水力坡度试验研究

粘性土中可能存在的初始水力坡度现象会影响其固结特性。通过GDS高级固结仪系统开展了不同塑性指数的粘性土和粉土在不同总固结压力和孔压条件时的孔压消散试验,研究结果表明:粘性土中存在初始水力坡度现象,土的塑性指数越高初始水力坡度也越大;孔压对初始水力坡度值有显著影响,孔压越小初始水力坡度越大;孔压相同时初始水力坡度随有效应力的增大无明显变化。     

液化场地-群桩基础-结构体系动力响应分析—大型振动台模型试验研究

进行了液化场地-结构体系动力相互作用大型振动台试验,对土体和桩基的加速度反应、饱和砂土层的孔压反应等进行了测试。重点阐述了土体和群桩基础的加速度地震响应特征和饱和土体的孔压发展规律,并对土体侧向变形规律进行了分析。试验研究结果表明：0.05g拍波输入时,土体和桩基对加速度反应有着明显放大作用,土体各处孔压比增长幅度不大,土体侧向位移较小;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,桩基加速度反应规律与土体反应基本一致,土体孔压比增长明显,上部土体完全液化;土体水平侧向变形较大。本文成果可为液化场地-群桩基础动力相互作用研究做对比分析和验证数值模拟工作提供参考。     

渗透侵蚀下砂性土细颗粒流失率预测方法

渗流过程中内部不稳定砂性土细颗粒易于流失而形成渗透侵蚀,将对土工建筑物或地基造成不良影响。细颗粒流失率是土体力学性能劣化及稳定性分析的关键参数,为了对渗透侵蚀下砂性土细颗粒的流失率进行预测,笔者讨论了判断土体是否会发生渗透侵蚀的内部稳定性评价准则;介绍了细颗粒起动临界坡降,并对应力折减系数进行修正,以考虑土颗粒受力的差异性;提出了“细颗粒起动概率”,对细颗粒起动与否进行量化;分析细颗粒在土体孔隙网络中的迁移过程,给出了细颗粒通过收缩的概率和渗透迁移距离;根据细颗粒起动和迁移规律给出了细颗粒侵蚀和沉积定律,基于质量守恒定律形成细颗粒流失率预测方法。采用预测方法进行流失率计算,计算结果和试验结果吻合较好,误差基本在15%以内。     

液化场地–群桩基础–结构体系动力响应分析——大型振动台模型试验研究

进行了液化场地–结构体系动力相互作用大型振动台试验,对土体和桩基的加速度反应、饱和砂土层的孔压反应等进行了测试。重点阐述了土体和群桩基础的加速度地震响应特征和饱和土体的孔压发展规律,并对土体侧向变形规律进行了分析。试验研究结果表明:0.05g拍波输入时,土体和桩基对加速度反应有着明显放大作用,土体各处孔压比增长幅度不大,土体侧向位移较小;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,桩基加速度反应规律与土体反应基本一致,土体孔压比增长明显,上部土体完全液化;土体水平侧向变形较大。本文成果可为液化场地–群桩基础动力相互作用研究做对比分析和验证数值模拟工作提供参考。     

半无限空间饱和土一维热固结精确积分解

基于Coussy提出的饱和多孔介质热–水–力耦合理论,给出考虑热渗效应和等温热流效应的饱和土热固结耦合控制方程,然后通过正弦和余弦变换方法,结合Hamilton-Cayley定理,给出了两类任意非齐次边界条件下,半无限空间饱和土一维热固结精确积分解的求解方法,避免了Laplace变换处理复杂边界问题时的数值反演。最后,通过算例验证了本文解析解的正确性,并分析了半无限空间表面透水或不透水时,饱和土体在季节性温度荷载作用下的温度、超静孔压和位移响应特性。结果表明:温度、超静孔压和位移受季节性温度荷载影响而呈现周期性波动,表面不透水情形的土体超静孔压和位移响应明显高于相应的表面透水情形的土体响应。     

不同冻融模式下淤泥质土力学及微观结构特性研究

通过改进的温控三轴仪,考虑冻融围压、次数和冻结温度组合影响,对淤泥质土开展冻融后固结不排水剪切试验(FC模式)和固结后冻融不固结不排水剪切试验(CF模式),分析上述因素对淤泥质土力学特性的影响,并通过电镜扫描试验揭示冻融围压对其力学特性的影响机制。结果表明：FC模式中,冻融围压会减少冻融后土体内孔隙数量,进而降低冻融对土体强度和模量的弱化作用;而CF模式中,冻融围压使得冻融后土体内孔隙增多,土体融化时土体内超孔压增大且无消散过程,进而加剧了冻融对土体强度和模量的弱化作用;两种模式中,随着冻结温度越低和冻融次数越多,淤泥质土强度弱化效应越明显,土体破坏时的超孔隙水压力越高。淤泥质土力学指标劣化系数随冻融围压、次数和冻结温度的变化规律可用生长函数描述。     

水域CPTU与DMT在土体强度特性评价中的应用

基于多元原位测试数据融合的研究方法在岩土工程勘察中已成为趋势，在提高预测参数精度和评价土体强度特性中具有明显优势。为解决水域工程勘察中取样困难、岩土参数空间变异性大、土体力学特性存在区域性和结构性的难题，以江苏省海太过江通道工程为研究对象，基于水域孔压静力触探试验CPTU、水域扁铲侧胀试验DMT和室内土工试验，研究了场区软黏土的不排水剪切强度、砂性土的内摩擦角以及不同土性指标土层的侧限模量。结果表明：CPTU和DMT均可提供丰富的土体物理力学参数，对土体的强度特征参数响应灵敏，联合2种试验的参数表征土体强度特性具有可行性；基于CPTU锥尖阻力、净锥尖阻力得到砂性土有效内摩擦角偏大，而基于DMT侧胀水平应力指数KD得到的有效内摩擦角略小；DMT侧限模量与CPTU锥尖阻力之间具有良好的相关关系，通过拟合关系式可将刚度与强度联系起来，该关系式还考虑了土性指标的影响，可作为一种新方法来预测土体侧限模量。     

局部液化夹层场地土–结接触特性对地下结构地震响应的影响研究

当地下结构穿越液化土层，场地液化可能会对结构的动力响应产生影响。基于已开展的局部液化夹层场地地下结构离心机振动台模型试验，建立二维局部液化场地土–结构动力相互作用的有限元模型。计算模型考虑砂土液化后易产生剪切大变形的特点以及饱和两相介质与结构接触的非线性特性，通过与试验结果对比，验证数值模型的正确性，进一步分析土–结构接触非线性特性对结构地震响应的影响。研究结果表明：孔压的增长是由于地震作用的累积效应；近场砂土由于土结相互作用的存在超孔压比上升的更快，且由于土与结构变形不协调而更易消散；对于局部液化夹层场地，土结捆绑接触会放大结构的地震响应，随着地震动强度的增大，砂土层液化程度提高，场地非线性特性增强，土结刚度差异增大，土结界面采用捆绑接触所带来的误差越大，故应合理考虑土结界面接触非线性问题。     

黄河口粉土层振动响应过程的电性变化

在黄河水下三角洲粉土层不同深度布设电传感器和孔压探头,实时记录循环荷载作用过程中粉土体的电性变化和孔压变化。基于土的电阻率对土体结构状态反映能力,分析振动响应过程土体变形特性,确定外部振动对土体的改造作用,揭示波浪作用下土体破坏机制。实验结果表明：振动荷载作用下,一定深度内的粉土体电阻率会发生不均匀改变,由此揭示土体的分层变化规律。分层变化主要发生在循环荷载作用的初始阶段,对应孔压上升期。而整个加荷和卸荷作用过程中,40～50 cm深度区间土体电阻率未发生明显变化的现象表明,外部振动作用过程中一定深度位置土体并未发生相应振动位移,保持相对稳定。相近位置的土体微结构分析和振动作用过程土体强度原位监测结果也验证了这种认识。土体的这种分层特征可能会引起波浪作用下粉土层共振现象发生,从而形成黄河水下三角洲底坡失稳的控制性因素。     

黄河三角洲细粒土微振液化分析

在黄河口潮坪选择典型研究区,利用现场原位对其循环荷载试验,通过实时孔压监测、静力触探试验、十字板剪切试验及原状样土工试验对比,研究了在循环荷载作用下黄河三角洲地区饱和细粒土的动力响应过程、土体比贯入阻力、峰值强度、残余强度和灵敏度的变化以及孔隙水压力和液化发生层的变化对黄河口粉质土液化过程的影响。研究结果表明:循环荷载作用使土体对能量吸收特性的变化、孔压的响应与振动导致的土体结构性变化有密切的关系;循环荷载作用导致黄河三角洲地区粉质土液化主要发生在硬壳层;随着荷载循环次数增加,液化发生层的深度向深部扩展;循环荷载作用使土体的物性指标变化趋势因深度的不同而具明显的差异性。