关于“砂土液化动稳态强度分析”的讨论

拜读了王星华、周海林先生的“砂土液化动稳态强度分析”(发表于《岩石力学与工程学报》2003年第1期,以下简称“文[1]”)一文,受益颇多。针对文[1]所提出的动稳态强度问题,谈谈自己的看法,供大家参考。文[1]有如下阐述:“中砂、中密砂或密砂在周期振动力作用下,会发生液化和应变软化,最终达到一个稳定的残余强度。在此,残余强度在不同的振动周期,砂土的孔隙水压幅值不再增加,应力路径相互重叠,但是应变幅值却以恒定的速率不断增加,借助单调荷载中的稳定状态概念,称这种振动力作用下的相对稳定状态为动稳态。”在我国工程界,所谓液化定义为:…     

在动荷载作用下饱和砂土的液化及其强度

本文应用惯性力式双向振动三轴仪模拟了工程上常见的三种应力状态,对饱和砂土进行液化试验,求出孔隙水压力、动强度等一系列指标,供工程的抗震稳定分析参考和应用。此外,还对动孔隙水压力过程线的波峰中出现的“凹槽”进行了分析和解释。     

双向耦合剪切条件下饱和砂土动强度特性试验研究

针对饱和粉细砂,利用双向耦合多功能剪切仪进行了均等固结条件下的循环耦合剪切试验。应用已有的动强度定义,着重研究了双向动荷载的相位差β,双向动荷载的幅值比值λ对砂土动强度及孔压特性的影响。实验结果表明,砂土液化动强度与相位差β及幅值之比λ密切相关,现有的动强度定义在复杂加载情况下具有一定局限性;双向动荷载相位差β以及幅值比值λ对孔隙水压力增长速度影响显著,但对归一化孔隙水压力发展模式没有显著的影响。     

双向耦合剪切条件下饱和松砂的液化特性试验研究

为了模拟海床及海洋建筑物遭受波浪荷载时所引起的循环应力,进行了一系列均等固结条件下的应力控制式轴向–扭转双向耦合循环剪切试验。加载路径在σd/2-τ应力空间内为椭圆。试验在保证椭圆面积不变的情况下,分别变化竖向和扭转向的荷载分量幅值,以此来探讨双向耦合剪切试验中各个分量的变化对饱和松砂的循环强度特性的影响。试验结果表明砂土在双向耦合荷载作用下,其液化强度与加载椭圆路径的面积和两个荷载分量比值密切相关。当轴向应力与剪应力幅值的比值保持不变时,砂土液化强度随着椭圆面积的增大而降低。而在椭圆面积保持不变时,当竖向与扭转向荷载分量的比值小于某一临界值0.6～0.75时,砂土液化强度随着比值的增加而增大,当竖向与扭转向荷载分量的比值大于某一临界值0.6～0.75时,砂土的液化强度随着比值的增加而减小,在临界值0.6～0.75之间表现出最高的强度。另外,在一个周期内孔隙水压力的循环变化与轴向应力相位一致,与循环剪应力相位相差90。     

粉粒夹层对饱和砂土液化特性影响的试验研究

为了能更好地反映粉粒夹层对自然界中沉积或吹填土层动力特性的影响,将土颗粒进行筛分后制备含粉粒夹层的饱和土样。采用应变控制加载方式进行一系列动三轴试验,分析了粉粒夹层对饱和砂土的抗液化强度和动孔隙水压力发展规律的影响。研究结果表明,粉粒夹层的存在对循环荷载作用下饱和砂土抗液化强度和动孔隙水压力的发展规律有显著影响,若忽视粉粒夹层对饱和砂土抗液化强度的影响,将会使液化判别得到偏于不利或保守的结论。     

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。     

动态土工真三轴仪在砂土液化研究中的应用

为了模拟实际场地中土体变形和强度特性,研究开发了揭示侧限条件下饱和砂土震动液化机理的试验方法。文中采用了动态真三轴试验系统,该设备采用刚性板加柔性面的混合边界加载装置,并应用先进的CATS试验控制系统。试验结果表明应用动态土工真三轴仪进行砂土液化实验是可行的,并初步分析了侧限条件下的液化机理,即土体将在轴向压力、侧压和孔隙水压力相等的条件下发生液化,表明振动荷载过程中的应力重分布对砂土液化强度和孔隙水压力发展等具有显著的影响。     

受水压振荡时饱和砂床的液化与变形特性

为考察饱和砂土地基受到水压振荡作用时的动力响应，根据两相连续介质理论，分析了液化发展、液化区厚度、颗粒速度等。研究结果表明，随着土强度和渗透性的降低与载荷强度的增加，液化发展速率加快；随着土强度的降低和渗透性、载荷强度的增加，变形量增加：如果土的初始分布不均匀，则在渗透性小的位置，应变和孔隙水压力将剧烈变化，这可以解释为什么在一定条件下土中会出现断裂和水层。     

饱和粉土液化及液化后力学特性试验研究

对饱和粉土进行了一系列动三轴液化及液化后试验,即进行饱和粉土液化试验及在饱和粉土液化后孔隙水压力进行了不同程度消散后,再进行三轴剪切试验。探讨了饱和粉土的液化特性以及液化后孔压消散程度对液化后粉土力学特性的影响规律。试验结果表明:饱和粉土的抗液化强度随着所施加动应力幅值的增大而减小;液化后饱和粉土孔压消散程度越大(即再固结程度越大),则液化后粉土的不排水抗剪强度越大,其应力应变关系曲线表现为应变硬化型,土体的切线模量随着应变的增大而减小;液化后粉土的孔压进行了不同程度消散后,再进行的三轴剪切试验中应力应变关系呈对数曲线关系。     

初始静孔隙水压力对砂土静动力剪切特性影响的试验研究

选取福建标准砂和滹沱河细砂,利用空心圆柱扭剪仪开展了一系列不同初始静孔隙水压力条件下的不排水循环扭剪试验和单调扭剪试验,着重探讨初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力发展及其不排水抗剪强度的影响。试验结果表明:初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力的发展产生显著的影响,从而影响砂土的静动力剪切特性。具体地,在不排水循环剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,其超静孔隙水压力发展和变形发展越快;在不排水单调剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,在砂土剪胀阶段产生负超静孔隙水压力越大,从而使砂土的强度显著提高。基于试验结果,初步探讨了初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力及静动力剪切特性的影响机理。研究表明,研究地下水位以下土体(准饱和土)静动力剪切特性尤其是研究液化问题时,应充分考虑初始静孔隙水压力对砂土抗液化强度的影响,室内试验应根据砂土所处的地下水位深度来决定初始静孔隙水压力(反压)的大小。     

Steady state strength of sand:concepts and experiment

残余强度或稳态强度的确定是砂土液化研究中的重要课题。饱和砂土有３种典型的不排水剪切特征：稳态性状、准稳态性状、和加工硬化性状。在三轴不排水剪切中,大部分松砂表现出准稳态性状。新近的研究表明,“准稳态性状”不是砂土的固有性状,而是三轴试验中的边界条件所导致。本文通过试验研究发现,饱和砂土在三轴不排水剪切中通常表现出４个明显不同的阶段：初始阶段、坍塌阶段、临界状态应力阶段、和后破坏阶段。稳态强度只有在坍塌阶段中才会较好地表现出来。文中还对变形稳态的定义作了修正和补充,并根据修正的变形稳态定义给出了Ｕｎｉｍｉｎ砂的稳态强度及其它的一些试验性质。     

砂土的稳态强度:概念与试验

残余强度或稳态强度的稳定是砂土液化研究的重要课题,饱和砂土有３种典型的不排水剪切特征,稳态性状,准稳态性状,和加工硬化性状,在三轴不排水剪切中,大部分松砂表现出准稳态性状,新近的研究表明：“准稳态性状”不是砂土的固有性状,而是三轴试验中的边界条件所导致,本文通过试验研究发现,饱和砂土在三轴不排水剪切中通常表现出４个明显不同的阶段;初始阶段,坍塌阶段,临界状态应力阶段,和后破坏阶段,稳态强度只有在坍     

Static liquefaction of fibre reinforced sand under monotonic loading

This paper explores the possibility of improving the monotonic undrained response of a loose clean sand which normally appears susceptible to the phenomenon of static liquefaction by mixing the sand with discrete flexible fibres. It is shown that the reinforcement inclusions reduce the potential for the occurrence of liquefaction in both compression and extension triaxial loadings and convert a strain softening response (typical for a loose unreinforced sand) into a strain hardening response. Fibre orientation distribution and the apparent sand matrix densification due to the presence of fibres in the voids appear important for the fibre reinforced soil behaviour. Normalisation of the effective stress paths with the mean effective stress at the end of consolidation shows a common path once the characteristic state is reached irrespective of the fibre concentration. The mobilised angles of friction coming from the slopes of the stress paths at large strains are very different for compression and extension and this is a consequence of the anisotropic nature of the distribution of fibre orientations. When full liquefaction of reinforced specimens is induced by strain reversal, the lateral spreading of soil seems to be prevented. Analytical developments including the key aspect of fibre orientation distribution, have shown that once the tensile contribution of fibres has been taken out of the composite stresses, the experimental data in the stress plane for all the tests at large shear strains nicely collapse onto a unique line corresponding very closely to the mobilised steady state or critical state angle of friction of the tested sand.     

前期动载对低塑性粉土静态和动态强度的影响

 低塑性粉土广泛存在于世界范围内,在地震中容易产生液化现象,然而一些基础设施破坏不仅见于地震中也发生在地震后,这就决定了研究低塑性粉土震后行为的必要性。以美国中部密西西比河沿岸低塑性粉土为试验材料,研究动载对低塑性粉土静态和动态强度的影响。在动三轴仪上对试样施加动载引起超孔隙水压力,排水重固结后,分别对2组震动后试样进行静态和动态三轴强度试验。试验结果表明,当液化水平小于0.70时,前期动载对粉土的不排水剪切强度影响不大;相反地,只有当液化水平大于0.70,密西西比河沿岸粉土的震后重固结体积应变和不排水剪切强度才伴随着液化水平的提高显著增加,但相对于砂土而言,重固结体积应变在较低的液化水平时即有明显增加。与前期动载对不排水剪切强度的影响不同,当动载所引起的液化水平为0.35或轴向应变为0.2%时,抗液化强度达到最大值,若液化水平大于0.35,抗液化强度伴随液化水平提高而降低。如果前期荷载引起较大的压应变,在重固结后第二次动载循环中,轴向压力相比轴向拉力引起较小的超孔隙水压力。     

舟山海域海相砂土循环激振下的液化破坏孔压模型

 为探究舟山海相土在海洋环境中的液化失效规律,选用2类代表性海相砂土：乌石塘海相粗砂MS1及东沙海相细砂MS2,利用X射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)试验获得微细观物相结构,二者均属石英矿相碱性海相沉积物。在不同激振幅值下,采用GDS动三轴系统进行一系列双向循环激振加载试验。试验结果表明：海相粗砂MS1产生高周循环液化时对应的激振幅值较低,而在低周液化下激振幅值则较高,海相细砂MS2在液化偏应力较小时可承受高周循环加载,而在液化偏应力较大时只可承受低周循环。基于归一化初始液化周数比建立舟山海相砂土的液化孔压模型并给出参数取值,模型揭示：2类海相砂土均随激振应力比增加而更易于液化;基于循环增量孔压比及Finn破损参数,建立舟山海相砂土初始液化破坏内时模型,并给出试验参数,模型揭示：过大的激振压缩应变诱发剪缩变形,导致海相粗砂MS1液化破坏,而海相细砂MS2的液化破坏则源于拉应变增大诱发的颗粒间接触失效。海相砂土宏观尺度的初始液化破坏是其微细观物相结构劣化积聚的最终结果,宏观力学机制与微细观试验分析结论吻合。     

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。     

大伙房土坝砂质坝壳抗震设计回顾

１９５２ 年设计大伙房水库工程时,对砂质坝壳抗震问题进行了广泛探索。遍阅苏、美、英书刊,进行砂料临界孔隙比试验。确定采用相对密度０－８３ ,以防止砂料液化,用与此相应的干密度和抗剪强度及水平、铅直两向Ⅷ度地震加速度系数进行拟静力法坝坡抗震稳定计算。施工时,为了达到相对密度的要求,研制了重型机械夯板。１９９２ 年,在坝体挖５ 个试坑测原状孔隙率、干密度,在试验室测得平均相对密度０－８１ ,其中２ 个试样相对密度达１－０ ,用共振柱法和动三轴试验测得最大剪切模量、最大阻尼比、剪切模量－ 剪应变关系、阻尼比－ 剪应变关系、动孔隙水压力比－ 动剪应力比关系。进行静力、动力有限元分析结合上述试验曲线得到坝壳坝基液化度等值线和坝坡抗震稳定安全系数时程曲线。Ⅷ度地震时,液化度最高处为０－６ ,安全系数最小为１－０８ ,满足抗震要求。     

非标准椭圆形应力路径下饱和松砂动强度的试验研究

基于线性规则波浪作用下有限厚度海床动力响应的解析解,证明了非饱和、各向异性海床中一点土体单元上由主应力轴旋转所引起的应力路径应为非标准椭圆形而不是传统认知的圆形,并推导了量化该非标准椭圆形应力路径大小和形状的3个特征参数。通过27组不排水条件下的循环主应力轴旋转试验,讨论了轴向偏差应力和剪应力的幅值及初始相位差对饱和砂土动强度的影响。试验结果表明轴向偏差应力对动强度的影响高于剪应力的影响,同时初始相位差对动强度的影响显著。随着初始相位差的增大,破坏周次的对数基本呈线性减小,进而得出了非标准椭圆形和标准椭圆形两种应力路径下砂土动强度的关系。研究成果克服了传统圆形应力路径下土体动强度特性难以直接用于分析有限厚度海床稳定性的不足,可为近海海洋工程设计提供技术支持。     

饱和黄土的液化特性与稳态强度

通过应力控制固结不排水三轴试验，研究了饱和黄土的稳态强度特性及超同结对其不排水性状的影响。对比分析了黄土与砂土静力液化特性之间的异同。提出了饱和黄土流滑破坏的产生条件和利用稳态强度判断饱和黄土能否产生液化流滑的方法。