长期循环荷载作用下粉质黏土动力特性及相关模型修正

循环荷载长期作用特征直接影响着粉质黏土的动力变形特性及土体结构的稳定性。运用SDT-10型动三轴仪对饱和粉质黏土进行高达20 000次的循环振动,分别控制固结围压、动应力比和振动频率,研究不同荷载条件下粉质黏土的塑性应变、残余孔压特性。研究结果表明:3项荷载条件都对土体的累计塑性变形和残余孔压有至关重要的影响。累计塑性应变在动力荷载持续作用下不断累积,曲线呈现出S型和J型,运用改进的种群增长模型以及改进的指数模型分别能很好拟合累计塑性应变随振动次数的发展规律,随围压、动应力比的增长呈正相关变化,随频率的增加呈反比下降。残余孔压比在正弦波的振动下不断增大,运用改进Seed孔压模型能在一定程度上模拟残余孔压变化规律,随动应力比、频率的增加而增大,随围压的增加而减小。研究成果深化了动力条件下黏土变形特性的认识,为循环荷载长期作用下土体的强度衰减和变形预测提供借鉴和参考。     

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。     

循环荷载作用下重塑饱和粉黏土的刚度弱化特性研究

以东海大桥海上风电场项目为课题背景,通过动三轴系统对重塑饱和粉质黏土开展一系列长期不排水循环加载三轴试验,分别考虑围压、动应力比和频率3种因素,特别是对高频(f5 Hz)下土体的动力弱化特性进行了研究。试验结果表明:累积塑性应变与累积孔压随着循环次数的增加而增大并且趋于稳定,呈现出应变软化和孔压软化现象。割线动变形刚度模量和割线动弹性刚度模量则随着循环次数的增加,先急剧降低然后趋于稳定,从而表现出刚度弱化现象。进一步研究了割线动弹性刚度模量与循环应变幅值的关系,割线动弹性刚度模量的衰减趋势受动应力比和频率的影响不大,与围压有关,围压越大,割线动弹性刚度模量衰减趋势越慢,衰减稳定幅值越低。     

交通荷载作用下焦作地区饱和粉质黏土变形特性及影响因素分析

为研究焦作地区长期交通荷载作用下典型饱和粉质黏土变形特性,利用动三轴试验方法对原状粉质黏土进行单样逐级和多样恒定幅值动力加载试验,从应变-振动次数变化曲线、动应力-应变滞回曲线2个方面重点分析了动应力、围压、固结方式以及振动频率对土体变形的影响。结果表明:焦作地区典型粉质黏土动应变随振动次数变化模式主要分为稳定型和破坏型,很少出现临界型;单样逐级加载会使土体强度增大,结构产生破坏所需的动应力幅值升高,平行多样恒定幅值加载中试样破坏前后可能存在一个明显的临界动应力值,动应力超过临界值后,试样变形急剧增长,低振动次数内便产生破坏;围压、固结比增大都会使土体强度升高,产生的可恢复弹性变形减小;振动频率对土体变形的影响可能存在一个临界频率值,在这个值前后土体变形都会增大。研究成果对保证研究区交通设施的安全运营具有重要意义。     

循环荷载下重塑饱和粉黏土的动—静强度弱化规律研究

选取重塑粉质黏土作为试验土样,采用室内动静三轴试验系统研究循环荷载作用下土体的动静力学特性,动静强度的弱化规律,考虑了围压、频率、固结比、动应力比、循环次数5种因素对动静强度的影响。试验结果表明:承受循环荷载作用后土体与原土体相比总强度可能会增加也可能会降低,剪切时的孔压都会大于原土剪切时孔压。可以统一的是所有承受循环荷载作用后土体有效强度都会降低。通过对强度进行无量纲化处理,引入了动弹性应变和动弹性孔压,确定了动弹性应变与有效强度比,动弹性孔压与有效强度比关系符合指数模型,并提出来适用于衰减系数与动弹性应变,衰减系数与动弹性孔压的对数函数模型。     

干湿循环条件下粉质黏土在循环荷载作用下的动力特性试验研究

利用改进的可控制吸力式非饱和土C.K.C循环三轴仪,对反复干湿循环条件下的粉质黏土进行了动三轴试验研究,探讨了其在饱和条件下干湿循环对累积塑性应变与振次关系以及对动强度特性的影响,同时分析了不同基质吸力下反复干湿循环后的动强度特性。研究表明:干湿循环对粉质黏土的变形特性有明显影响,相同动应力及振次条件下干湿循环试样的累积塑性应变小于原始试样;干湿循环后土体的临界循环动应力以及动强度明显增大;反复干湿循环后,粉质黏土的临界循环动应力和动强度随基质吸力的增加而增大,但其随基质吸力增加而增长的速率随基质吸力的增加而减小。干湿循环前后土体的电镜扫描(SEM)试验发现,干湿循环使得土颗粒排列更加紧密,干湿循环过程中试样内部并未出现微裂缝。     

循环荷载下土体动应力响应特征及pH值变化对其影响

为探究循环荷载下土体内动应力响应特征及pH值变化对动应力累积效应的影响,对不同pH值花岗岩残积土进行了室内循环荷载试验。通过试样内埋设应力盒的方法,实时测得不同pH值试样内动应力响应值。试验结果表明:循环荷载下土中动应力和累积变形都随着循环次数的增加而增大;加载时,酸碱处理过的试样峰值应力显著增大;卸载后,碱处理过的试样残余应力也增大,且碱性越强,峰值应力和残余应力增长的幅度越大;碱性试样的动应力和变形均大于酸性试样和未经酸碱处理试样;动荷载下土体内部的附加应力滞后于应变,应变又滞后于外荷载。酸碱度的差异对花岗岩残积土的动应力响应有较大影响,实际工程中应对此问题予以重视。     

干湿循环条件下干燥应力历史对粉质黏土饱和力学特性的影响

以大连地区典型粉质黏土为研究对象,对经历不同干燥应力历史的粉质黏土试样在饱和条件下进行了固结不排水三轴剪切试验。通过对各组试样固结不排水剪切试验的应力-应变关系、孔隙水压力和有效应力路径等试验结果的对比分析,探讨了干燥应力历史对粉质黏土饱和力学特性的影响。固结不排水三轴剪切试验结果表明:干湿循环过程中粉质黏土在饱和条件下的力学特性变化与历史干燥应力有关,历史干燥应力越大,土体在饱和条件下的力学特性变化越明显。相同围压条件下,干湿循环试样的初始剪切刚度比未经历干湿循环的原始试样要高,历史干燥应力越大,初始剪切刚度增长越明显。随着历史干燥应力的增加,干湿循环试样的应力-应变曲线逐渐由应变硬化转变为应变软化,孔隙水压力的发展由先增加后减小转变为孔压持续增长,有效应力路径逐渐由"S"型转变为向左下方发展。干湿循环过程引起了土体的不可逆体积压缩和微裂隙的发展,进而影响土体的饱和力学特性。     

交通荷载与冻融作用下黄土累积变形研究

为揭示季节性冻土区路基黄土在循环交通荷载和冻融作用下的累积应变特性，进行循环加载试验，探讨冻融循环次数、含水率、动应力幅值、振动频率对冻融后黄土累积塑性应变的影响。结果表明，在试验条件范围内土体并未破坏，产生的累积变形较小且累积应变曲线皆表现为稳定型；循环荷载作用下产生的累积应变随冻融循环次数、含水率、动应力幅值的增加而增大，随振动频率的增加而减小。根据试验结果，提出了考虑冻融循环次数的累积应变指数双曲函数预测模型，并利用试验数据验证了模型的合理性。研究结果可为季节性冻土区路基黄土的沉降预测提供参考。     

饱和软黏土循环累积变形简化计算方法研究

本文依据循环荷载作用下软黏土循环累积变形随循环荷载作用次数的变化趋势与静力荷载作用下土体蠕变随时间的变化趋势相类似这一特点,将循环荷载作用次数看作时间度量单位,依据蠕变理论,建立了一种计算饱和软黏土循环累积变形的拟静力弹塑性有限元简化计算方法。该方法的基本思路是:首先,针对已有室内三轴试验得到的土单元循环累积应变随循环次数的变化关系,采用幂函数形式对其进行拟合,并利用线性插值方法确定任意应力状态下土单元的循环累积应变势;进而,借助ABAQUS有限元软件的接口程序建立了饱和软黏土循环累积变形的简化计算模型;最后,通过有限元计算求得某一循环次数下土单元的循环累积应变。采用该方法对三轴试验结果进行预测,并与试验结果进行比较,结果显示二者基本重合,验证了该简化计算方法的可行性。进一步,将这一方法应用到某一桩基工程实例中,分析了桩基结构的循环累积变形,分析结果显示,在循环荷载水平较低的情况下,随着循环荷载作用次数的增加,结构变形值趋于稳定。在循环荷载水平较大的情况下,随着循环荷载作用次数的增加,结构循环累积变形加速增长,使结构趋于破坏。     

饱和黏土循环剪切强度与变形特性的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在不固结、不排水条件下对黏土的单调和循环剪切应力-应变关系与剪切强度特性进行了研究.单调剪切试验表明剪切强度随应变速率的增加而增大,在双对数坐标下,剪切强度与应变速率之间近似地符合线性关系;循环剪切试验表明对于某一给定的初始剪应力,循环剪切强度大小是循环软化效应和应变速率效应共同作用的结果,结合单调剪切强度应变速率之间的对应关系,提出了近似消除速率效应的循环剪切强度归一化方法,通过归一化表明,不同循环次数的循环剪切强度与初始剪应力之间的试验数据点分布在一个狭窄区域内,通过一个二次方程即可拟合表示.以此为基础,提出了循环剪切强度的简便确定方法,可减少海洋地基稳定性分析中的试验工作量.     

基于声发射循环加卸载时侧压混凝土损伤特性研究

在水平单向侧压应力作用下,进行了竖向等应变步长循环加卸载的混凝土抗压性能试验。对不同侧应力状态下的外包络线、共同点轨迹线和循环加卸载全曲线进行了分析,研究了侧应力对累积残余塑性应变和刚度退化的影响,探索了混凝土在加载全过程中的能量释放特性,基于声发射事件数构建的损伤变量分析了混凝土的损伤规律。研究结果表明:①在整个循环加卸载试验过程中,声发射事件数主要集中在峰值应力以前,峰值应力以后出现较少,峰值应力后的声发射能量随侧向压应力的增大而增大;②混凝土刚度退化速度及累积残余塑性应变随侧压应力的增加而减小;③不同侧向压应力下混凝土损伤发展路径各异,侧压应力越高,损伤路径越短,水平与竖向荷载间的大小比例,决定了混凝土损伤的主导因素与损伤机制。     

粉煤灰地震动力破坏和模量弱化特性研究

地震动力特性对于粉煤灰堆场、填筑体的安全至关重要。根据Seed-Idriss公式计算粉煤灰地基地震应力,通过动三轴试验研究50~200 kPa固结应力和3种不同动应力水平下的特性,得出地震下粉煤灰的动变形、动孔压、破坏形式和动模量弱化等特性。研究结果表明:地震循环应力较大时,破坏形式为双幅动应变达到限值;中等循环应力条件下,固结应力为50 kPa时,破坏形式为累积轴向应变达到限值,固结应力>50 kPa时,破坏形式为双幅动应变达到限值;地震循环应力较小时,粉煤灰不发生变形破坏。相同循环周数下,孔压比随着固结应力的增大而降低;达到变形破坏时,孔压远小于液化值。地震循环应力较大时,在10周循环荷载后,粉煤灰动模量迅速弱化;中等循环应力条件下,循环周数大于临界值后模量弱化指数迅速降低;地震循环应力较小时,粉煤灰的模量弱化不明显。研究成果可为粉煤灰堆场、地基、坝体等的动力计算提供依据。     

复杂循环荷载作用后长江口原状淤泥质软黏土静强度弱化特性研究

利用土工静力–动力液压三轴–扭转多功能剪切仪, 针对取自于长江口的海洋原状淤泥质软黏土，在不固结不排水条件下，分别进行了动三轴、45°线耦合以及圆耦合等多种复杂循环剪切试验及循环荷载作用后静三轴试验。结果表明，随着循环次数的增加，三种不同模式循环荷载作用产生的应变、孔压增量以及循环荷载作用后土的静强度衰减程度差异均变得越来越明显。对应相同循环剪切次数，双向耦合循环剪切要大于单向循环剪切产生的应变与孔压增量，双向耦合循环剪切后静强度衰减更加明显；而对于双向耦合循环剪切，圆耦合循环剪切大于45°线耦合循环剪切产生的应变与孔压增量，并且圆耦合循环剪切后静强度衰减更加显著。由此表明，主应力轴连续旋转会使土体产生更大的变形与孔压增量，并且使静强度显著降低。分别定义了广义综合剪应变及综合孔压增量比，并建议了循环荷载作用后静强度与广义综合剪应变、综合孔压增量比的关系。     

往复剪切作用下砂泥岩混合料力学特性分析

土体在往复剪切作用下的力学性质对研究周期性荷载响应有重要意义。通过改进往复剪切直剪仪,设定4种法向应力进行32次循环剪切,研究了砂泥岩混合料应力应变曲线性态、滞回圈面积和阻尼比变化规律;通过分析剪切刚度随法向应力及往复剪次数的分布规律,建立了砂泥岩混合料剪切刚度经验计算方法;概化了颗粒间接触模式,揭示了砂泥岩混合料强度与变形微观机制。试验结果与理论分析表明:应力应变曲线随法向应力增大由应变软化逐渐转为应变硬化;滞回圈面积随往复剪次数增大而逐渐减小,阻尼比随往复剪次数增加而缓慢增大,且与法向应力无关。初始剪切刚度随法向应力呈线性分布,归一化剪切刚度与往复剪次数呈对数函数关系,据此建立了考虑法向应力与往复剪次数的砂泥岩混合料剪切刚度经验计算方法。     

波浪引起海床土体液化的概率研究

首先根据波浪荷载在海床内产生的循环应力比和海床土体的循环阻抗比,采用可靠性分析法,建立土体抗液化安全余量的表达式。根据一次二阶矩法,考虑波浪和土体参数的变异性,计算了黄河口水下三角洲埕岛海域某石油平台附近场地在6、8和10级风浪下的液化概率。风浪等级越大,抗液化安全系数越小,液化概率越大。如果该场地要求液化概率控制在5％以内,安全系数需大于1.8,可靠指标需大于1.6。然后分析了参数变异性对可靠指标的影响,得出波高比波长和土体标贯击数比黏粒含量对液化可靠指标的影响大的结论。最后研究了参数之间的互相关性对液化可靠指标的影响,对可靠指标大于零的情况,忽略参数之间的互相关性会得到偏大的可靠指标,高估海床土体的抗液化性能。