含黏粒砂土场地液化离心机振动台试验研究

提出了含黏粒砂土模型地基制备、饱和与均匀性监测技术,利用ZJU-400土工离心机振动台开展了相同相对密度含黏粒砂土（黏粒含量10%）和洁净砂的地震液化模型试验,再现了水平场地地震液化现象,揭示了含黏粒砂土场地液化灾变特点。弯曲元波速监测表明,模型制备均匀性良好,相同条件下含黏粒砂土剪切波速比洁净砂低。而根据超静孔压消散与固结沉降观测分析发现,含黏粒砂土渗透系数比洁净砂低一个数量级,从而影响其液化前后超静孔压响应和应力应变行为。渗透性差异导致模型内超静孔压产生模式和消散速率显著不同,振动时含黏粒砂土模型浅层超静孔压累积比洁净砂慢,而深层则相反;震后含黏粒砂土孔压消散时间是洁净砂的15倍。液化过程中含黏粒砂土剪应力应变响应比相同深度处的洁净砂更显著,液化后其滞回圈应变较大、割线模量较小且阻尼比较大。土体液化沉降主要发生在液化后超静孔压消散过程,含黏粒砂土模型超静孔压消散时间更长,沉降量更大。上述成果为进一步研究含黏粒砂土地震响应分析及其液化判别提供了科学依据。     

基于Finn模型的软土场地震害的数值模拟研究

天然地震作用下的软粘土震陷和饱和砂土液化问题是岩土地震工程研究的重要课题之一。以天津滨海新区某场地软土地基为例,采用Finn本构模型,通过FLAC3D软件数值模拟了在50年超越概率10%和2%概率水平地震作用下该场地吹填土的震陷和饱和砂土的液化情况。结果表明：Finn本构模型可以很好的反映吹填土震陷和饱和砂土液化的变化规律。     

饱和砂土的剪切波速与抗液化强度相关性研究

依据扭剪振动原理,开发出剪切波速与振动三轴联合试验装置。进而针对取自20 多个工程场地、埋深在20 m 以内的12种大量原状砂土,分析了同一类土、在同一固结压力作用下,原状与重塑土样抗液化强度与其初始剪切波速之间的相关性。结果表明,当判别液化的应变标准不超过6%时,土的抗液化强度与其初始剪切波速之间存在良好的对应关系。当应变破坏标准超过6%,土的初始剪切波速与抗液化强度之间不具备唯一对应关系。     

相同剪切波速的原状与重塑饱和松散粉土的抗液化强度

采用剪切波速与振动三轴联合试验装置,研究了具有松散结构的原状和重塑饱和粉土抗液化强度之间的相关性。结果表明,具有松散结构的原状与重塑饱和土样的振动应变随振动次数的变化趋势是一致的。如果把重塑饱和土样的初始剪切波速恢复到原状饱和土样的初始剪切波速,重塑土样的抗液化强度也被恢复到原状土样的抗液化强度。此时,原状与重塑土样的抗液化强度与抗液化强度曲线之间的相关系数大于0.89,而且这种良好的相关性与确定破坏振次的液化判别标准无关。这里的研究结果支持饱和松散试验土样的初始剪切波速可以作为控制其抗液化强度的一个关键参数。     

冲击载荷下饱和砂土密实与排水过程的初步分析

 考虑液化后饱和砂土在重新固结时砂土骨架的压缩变形, 对冲击造成液化的饱和砂土在排水与密实过程中砂面沉降速度、沉降量、超孔隙水压力等参数随时间的变化进行了初步的分析。在对液化后饱和砂土的渗透系数进行必要的修正后, 分析计算结果与实验结果吻合得较好。     

饱和砂土液化后的剪切吸水效应

饱和土在自然排水条件下随着剪切作用而发生的含水量增大的行为和过程被称为剪切吸水现象。本文发展了一种新的试验方法,成功地再现了从较松到密实状态的饱和砂土在振动液化后的剪切吸水现象,探讨了剪切吸水速率对饱和砂土液化后应力应变关系的影响。试验结果表明,具有相同密度的饱和砂土,其液化后的应力应变关系随剪切吸水速率的不同而呈现出硬化、理想塑性及软化的不同变化。文中给出了判定这些不同的液化后应力应变响应产生的条件     

砂土液化大变形的弹塑性循环本构模型

循环剪切过程中饱和砂土的3个体积应变分量(有效球应力变化引起的体变、剪切引起的可逆性体变和不可逆性体变)的变化规律决定了液化后剪应变的发展。基于上述机理、对剪切引起的可逆性和不可逆性体变的数学描述、体积相容性条件以及边界面本构理论框架,建立了一个可描述饱和砂土液化后大变形的弹塑性循环本构模型。通过对饱和砂土排水和不排水循环扭剪试验结果的模拟表明,该模型不仅可以合理地模拟饱和砂土循环加载条件下从液化前到液化后、从小剪应变到大剪应变的变形发展过程,而且可以合理地模拟饱和砂土液化后再固结大体变的累积特性。本文的研究为定量描述砂土液化后大变形提供了一条合理而有效的途径。     

砂土液化后再固结体变规律表征与离心模型试验验证

针对一定相对密度的饱和砂土,首先开展单元体K₀固结试验和振动液化试验研究,发现饱和砂土液化后体变规律受再沉积和再固结两种机制制约：其中再沉积部分与所受振动历史密切相关,尤其是液化触发后的应变历史,土骨架累积剪应变比越大、再沉积体变越大;而再固结部分受先期固结历史和循环振动历史影响显著,再固结曲线会沿原有正常固结曲线趋势发展,其稳定段再压缩指数比相同条件下的正常固结曲线的压缩指数稍大。据此提出了考虑先期固结和振动历史的砂土液化后体变模型和简化算法,将再沉积和再固结两者统一表达成再固结体变,并建议了再固结压缩指数和假设起始应力的确定方法。进一步开展了水平场地地震液化离心机模型试验,监测模型固结和振动液化过程的沉降,从模型尺度进一步揭示砂土液化后体变规律,并初步验证了本文模型与简化算法的有效性。     

液化及液化后砂土的流动特性分析

将液化后土体视为流体是一种较新的地震液化研究思路。根据液化后砂土变形试验结果,从流体力学的观点,分析了液化及液化后砂土的流动特性,包括应力-应变率关系和表观粘度的变化,试验中考虑了相对密度、固结压力和液化度三个参数的影响。分析表明,在一定条件下液化砂土的表观粘度随应变率的增大而减小,是一种“剪切稀化非牛顿流体”,且在“剪切稀化”状态下可发生较大的应变。随着液化后孔压的降低,砂土的表观粘度随应变的增大而增大,随孔压比的减小而增大。     

砂土液化势剪切波速简化判别法的改进

结合压电陶瓷弯曲元波速测试技术开展了饱和标准砂的不排水循环三轴试验,并根据试验结果改进了以往提出的利用剪切波速进行砂土液化势判别的简化方法。这种方法本质上基于砂土抗液化剪切强度与弹性剪切模量之间良好的相关性。用改进后的方法全面评价了26次地震、70多个液化场地的液化势,并与国内外其他液化势简化判别法的判别结果作了比较。分析结果表明,改进后的简化方法的评价结果与现场震害调查数据更趋一致。最后,通过一个实例分析]示了利用该改进方法进行土层液化势判别的一般步骤。该改进方法仍有待于深入研究,尤其是对密实砂土场地在强震下的液化评价,需要进一步的试验和现场数据加以佐证。     

应力路径旋转对原状软黏土小应变特性影响的研究

采用GDS应力路径三轴仪对杭州原状软黏土开展了一系列不同应力比条件下的排水试验,包括三轴压缩和三轴伸长试验,主要研究p-q平面内应力路径旋转对K0固结原状软黏土小应变刚度和变形特性的影响。试验结果表明:三轴剪切条件下原状软黏土存在显著的小应变刚度特性,在广义剪应变小于0.01%时,小应变刚度变化较小,广义剪应变在0.01%~0.1%阶段,试样小应变刚度衰减最快,剪应变在0.1%时的刚度仅为剪切初始阶段的10%左右。归一化后的原状软黏土小应变刚度随剪应变变化规律可以近似采用指数函数拟合。应力路径旋转对原状软黏土小应变阶段的应力-应变关系及刚度特性都有显著的影响。三轴伸长和压缩排水剪切时,K0固结原状软黏土都发生显著的体缩变形,剪应力对原状软黏土体应变的累积影响更为显著。     

双向耦合循环剪切条件下饱和砂土体应变发展规律试验研究

砂土的剪胀与循环应力路径密切相关。针对饱和南京细砂,利用空心圆柱扭剪仪(HCA)进行了一系列均等固结条件下轴向–扭转耦合循环剪切排水试验,研究了复杂应力路径下饱和砂土的剪胀性及其体应变量化方法。研究表明:双向耦合循环剪切条件下饱和砂土的剪胀由一个完全可逆的循环体应变分量和一个不可逆的累积体应变分量构成,循环应力路径对累积体应变发展规律影响显著;以等效循环应力比ESR作为表征复杂应力路径下动应力大小的指标,饱和砂土累积体应变与ESR值具有事实上的唯一性关系,累积体应变随ESR的增加而线性累积;通过引入参数ESR,提出了双向耦合剪切条件下饱和砂土累积体应变规准化方法。验证性试验表明新的体应变增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高,而基于循环直剪试验结果建立的Byrne模型对双向耦合剪切条件下饱和南京细砂的体应变预测偏小。     

冲击载荷下饱和砂土渗流强化与结构破坏的实验研究

 博士学位论文摘要　对研究冲击载荷作用下饱和砂土的液化、渗流和固结过程的文献作了总结。饱和砂土的冲击液化与循环载荷下的液化区别在于: 冲击载荷的强度高、时间短, 具有较强的应力波传播效应, 而循环载荷的作用时间长, 超孔隙水压力的升高是逐步累积的结果; 影响饱和砂土冲击液化的因素有砂土的粒径大小与级配、相对密度、初始应力条件、强度特性、排水条件、冲击载荷强度及作用时间等; 现场爆破密实砂土地基时, 砂面沉降量除与砂土的初始相对密度、渗透特性等有关外, 还与药包的重量和埋深、距爆源的距离有关; 相同重量的药包在同一点爆破造成的砂面沉降量随着爆破次数的增加逐渐减小; 采用小药包多次爆破造成的砂面沉降量总和比大药包(小药包重量之和) 一次爆破造成的砂面沉降量要大; 排水固结过程是从下面开始, 逐步向上传播的。在考察饱和砂土受到冲击载荷的液化密实模拟实验中发现: 排水沉降不是均匀现象, 出现了纵向排水通道、横断裂纹等非均匀现象。在我们自己设计加工的实验装置和测压系统的基础上, 对冲击造成的饱和砂土中的冲击压力进行了测量, 分析了冲击造成的压力波形, 对压力波形中压力降低达到某个极限值时会持续一段时间的原因进行了初步的分析解释; 采用长管衰减冲击压力的方法, 测量得到了超孔隙水压力的长期衰减过程。超孔隙水压力在消散时明显可分成两个阶段: 第一阶段压力变化不大或在某个值上持续一定的时间, 第二阶段则消散较快。对砂面沉降量的测量得到了饱和砂土液化前和液化又重新固结后的相对密度的变化, 以及相对密度增量与初始相对密度的关系。对不同落高下砂面沉降量的测量, 得到了冲击强度与沉降量的关系。液化后的渗流是一种强化渗流, 实验结果表明最大的强化渗透系数一般是静水力作用下的最大渗透系数的4～ 6 倍。分析了饱和砂土液化后在整个固结过程中砂面沉降量、固结部分砂土的高度、超孔隙水压力等随时间的变化, 对估算排水固结时间的V. A. F lo rin 公式进行了修正, 得到的液化后饱和砂土固结过程中各参数随时间变化是非线性的, 计算结果与实验结果在主固结阶段吻合较好。对含弱透水层的饱和砂土结构的渗流与固结, 也做了初步分析。     

用静力触探评价饱和砂土的液化势

本文通过标定罐内的静力触探试验和循环三轴液化试验资料的对比,讨论了用静力触探评价饱和砂土液化势的可行性与方法以及影响砂土液化势和静力触探贯入阻力的主要因素,提出了判断砂土液化势的场地液化应力比和修正静力触探贯入阻力之间的相关曲线,并同西特(Seed)和罗伯逊(Robertson)等人建议的曲线作了比较。最后,用地震时场地液化与否的实际资料对其可靠性作了检验。     

高频振动时振动频率对饱和密砂动力特性影响试验研究

为研究饱和密砂土地基高频振动沉桩过程中土体动力特性,采用高频振动三轴仪对饱和密砂土进行不同振动频率下的振动液化试验,根据试验结果,给出液化时间t、液化振次NL、振动频率f三者的关系式。研究频率改变对动孔隙水压力随时间振次增长的影响,并将试验得出的孔压比和振次比关系与已有的动孔压应力模型比较,发现频率的提高会改变曲线形态。频率对饱和密砂振动过程中轴向应变的发展有显著影响,频率提高会降低砂土液化时的轴向应变,不同的振动频率会改变砂土液化前轴向应变随时间和振次的增长速度,影响轴向应变比与振次比关系。     

一种判别饱和砂土液化势的新方法

本文通过标定罐内的静力触探试验的循环应变三轴试验资料的对比，讨论了用静力触探评价饱和砂土液化势的剪应变方法，提出了判断砂土液化势的场地剪应变和修正贯入阻力之间的相关关系，并同国内外有关资料进行了对比，供工程应用参考。     

循环扭剪作用下黄土的动剪切特性试验研究

原状黄土具有显著的结构性,在增湿及循环剪切作用下均可导致其结构破坏。通过不同固结围压条件下大尺寸原状黄土圆筒试样的动扭剪试验,测试分析了原状黄土从小应变到大应变的动应力应变关系,动剪切模量和阻尼比的变化规律,以及逐级增大循环扭剪作用下黄土的剪切强度。得到了10^-5~10^-2剪切应变范围内黄土动剪切模量随固结围压和含水率的变化规律,分析了黄土最大动剪切模量随黄土构度的变化规律。建立了黄土最大动剪切模量与构度和固结围压的关系式。揭示不同固结围压条件下不同含水率黄土的阻尼比随动剪应变对数值的变化分布在一个带内;循环扭转作用下圆筒黄土样存在两组破坏面。     

动力固结后饱和软土三轴剪切性状的试验研究

通过淤泥质饱和软粘土的三轴固结不排水剪切试验,研究了海相沉积原状土、重塑土以及超固结土在动力固结后的应力–应变性状表现。原状软土经过动力固结后在剪切过程中表现出应变软化,重塑软土在低围压下具有一定的应变硬化现象,而在高围压下则为应变软化型。3种状态下的软土的应力–应变关系曲线按照双曲线形式对围压均具有较好的归一性。应力路径分析表明,原状土经过动力固结后在剪切过程中表现出一定的超固结土的性状,而经过动力排水固结后,重塑土则具有明显的超固结土特性。     

基于SCPTU原位状态参数确定方法及液化应用试验研究

状态参数可以有效地评价无黏性土的相对密实度和液化势。然而,目前状态参数的确定主要依赖于室内试验,难以反映现场土层的真实状态。地震波孔压静力触探(SCPTU)测试可以获取土层的原位锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力与剪切波速等原位参数。本文基于SCPTU测试确定状态参数的研究成果,根据3个工程场地的SCPTU原位测试资料,首先对不同状态参数评估方法进行了比较,其次建立归一化剪切波速V_(s1)与原位状态参数的相关关系,绘制剪切波速与有效应力(V_s-σ′_(v0))平面中状态参数剖面等值线图;提出归一化小应变刚度(G_0/q_c)与状态参数的修正模型。最后应用于无黏性土密实度与液化势的评估中。结果表明:本文提出的2种计算方法能够有效地评估无黏性土的状态参数,并且预测的状态参数可有效地用于评价土体密实状态与液化势的可靠判别。     

液化地基上隔震结构群桩与土动力相互作用振动台模型试验研究

开展了液化场地–桩–隔震层–上部结构动力相互作用体系的大型振动台模型试验,再现饱和砂土地基液化诱发的地基震陷震害,详细阐述了隔震结构群桩基础与地基的地震响应特征和饱和土体孔压发展规律。试验结果表明：隔震结构群桩基础的角桩桩身应变幅值明显高于中间桩,中间桩顶部应变幅值又明显高于角桩;隔震结构地基液化后上部结构摇摆和基础转动反应急剧增加,进而导致群桩基础桩顶弯矩急剧增加,使得桩身最大弯矩幅值由地基液化前的桩身中上部转移到地基液化后的桩顶位移,同时隔震结构下部桩顶弯矩幅值比桩身弯矩幅值也要大得多,充分说明在土–桩–隔震层–上部结构的动力相互作用下桩顶更易造成严重的地震破坏。