砂土的变形特性与临界状态(英文)

通过一系列室内三轴压缩试验研究了砂土的变形特性与临界状态。试验结果显示砂土在剪切过程中会产生剪胀或剪缩 ,其胀缩性由该砂土的当前状态所决定 ,而砂土的当前状态取决于本身的密度和所施加的有效平均正应力。土的密度越大 ,有效平均正应力越低 ,土的剪胀性就越大。试验还发现当剪应变水平较高时土样都出现了临界状态 ,而所观测到的临界状态线与排水条件无关。     

平面应变条件下砂土局部化剪切带的有限元模拟

 根据饱和砂土的排水平面应变压缩试验的应变场,分析研究砂土的应变局部化现象以及剪切带的形成。在平面应变压缩条件下,砂土在峰值应力状态附近出现应变局部化现象,在残余状态最终形成一条V型剪切带。剪切带的形成是一个渐进过程,砂土呈现出渐进性破坏特性。这种由软化特性引起的应变局部化剪切带是砂土材料非常重要的变形和强度特性之一。基于砂土的三要素弹黏塑性本构模型和动态松弛有限元求解技术,对砂土的应变局部化现象和剪切带的形成进行有限元模拟。其中,砂土本构模型中引入应变局部化参数S来表示砂土峰值以后的软化和剪切带效果,剪切带在单元内未考虑其方向性,而是假设剪切带方向与最大剪切应变的方向一致。分析结果表明,动态松弛有限元法及砂土三要素模型能合理地模拟砂土的应变局部化现象,剪切带附近的最大剪应变值也非常接近,从而实现对砂土材料从硬化→峰值→软化→残余的全过程模拟以及对砂土应变局部化剪切带的定量化分析。     

三轴试样破坏后应变局部化影响的实验研究

几乎所有土的本构关系模型研究都是以试验得到的土样的应力应变关系曲线为依据的。在此情况下,应力应变关系曲线反映的是土样整体的变形特征,土样被认为是单元体。在土的三轴试验中引入土样全表面变形场(局部变形)测量技术,通过测量在土样表面标定的特征点的变形过程,得到土样表面的局部变形特征。发现土样在发生剪切破坏后,剪切带内和带外的变形特点截然不同。根据剪切带的发生和发展情况,土样的变形可以分成破坏前、破坏和破坏后3个阶段,在不同阶段土样表现出不同的变形性质。在破坏前阶段,土样变形大体均匀,此时整体的应力应变曲线具有代表性;在破坏阶段,土样在某一点(或几个点)开始出现破坏并逐渐发展,最后形成贯穿的剪切带,观测到的变形是剪切带内和剪切带外的土体变形的综合结果;在破坏后阶段,荷载(应力)不再增加,剪切带外的上下两部分土体就像刚体一样变形不再增长,观测到的土样"变形"仅仅来自于土样沿着剪切带的滑动。此时不能根据土样沿剪切带的摩擦滑移直接定义土样应变。土样整体的应力应变关系曲线是土样作为结构体的响应,不是单元体的响应。据此认为:土的本构关系模型研究应该包括土体未发生破坏时的应力应变关系、破坏准则和破坏后沿剪切带的摩擦滑动性质,模型研究的重点在于破坏前阶段的应力应变关系的描述。所谓的临界状态其实是土样沿剪切带的类似于刚体滑动的状态。     

高应力下砂土与结构界面单剪试验研究

利用改装自RMT-150B试验系统的单剪试验仪进行饱和砂土与结构界面单剪试验,研究高应力条件下界面本构模型及界面剪切刚度变化趋势,为高应力状态下涉及到界面力学问题的工程设计、计算提供理论依据.试验中,首先对剪切盒中的砂土进行固结,然后法向应力恒定在高应力水平上开始界面剪切,并记录试验数据,剪切时保证砂土能相对自由的变形...     

上海粘性土局部化变形的平面应变试验研究

采用可量测局部变形的平面变应仪，对上海粘性土原状土样进行固结不排水平面应变压缩条件下局部化变形的试验研究，试验表明：上海原状粘性土在固结不排水平面应变压缩试验过程中，确实存在局部化变形，土样经历了变形分叉，偏应力峰值，剪切带破坏到残余偏应力等阶段的渐进性破坏过程，定性提出上海原状粘性土局部化变形的一些规律。     

堆石料强度和变形特性数值模拟

 大型三轴试验结果表明,堆石料在剪切过程中具有明显的应变软化和剪胀特性,其应变软化和剪胀与否取决于土样本身的密度与应力状态：密度越大,围压越低,其应变软化和剪胀性就越明显。通过引入无黏性土的状态相关剪胀理论,对具有不同密实度的堆石料在三轴固结排水剪切过程中的强度和变形特性进行模拟,并与邓肯–张E-B模型和南水模型的模拟结果进行对比,发现该理论仅需一组材料参数就能够较好地反映堆石料的应变软化和剪胀特性。     

砂土材料状态相关临界状态各向异性模型

考虑材料状态对砂土临界状态的影响,采用宏细观结合的方法建立了砂土的各向异性模型。将新的各向异性状态变量引入砂土模型的临界状态方程,增加了各向异性参量、应力状态和应力与材料组构方向关系3个因素对临界状态的影响,扩展了砂土材料状态相关的概念。随应力状态和应力与材料组构方向几何关系变化,π平面上模型的临界状态线、相变状态线和峰值状态线的形状和位置自然产生变化,各向异性越大,状态线偏离的静水压力轴也越远,形状变化也越大。模型的剪胀方程和硬化规律也是状态参量函数,随细观参量的变化,细化和量化了砂土物理状态变量对剪胀性及硬化规律的描述。模型用一组参数可以描述较大围压和密度范围砂土各向异性强度-变形的力学响应。     

上海粘性土局部化变形的平面应变试验研究

采用可量测局部变形的平面应变仪 ,对上海粘性土原状土样进行固结不排水平面应变压缩条件下局部化变形的试验研究 ,试验表明 :上海原状粘性土在固结不排水平面应变压缩试验过程中 ,确实存在局部化变形 ,土样经历了变形分叉、偏应力峰值、剪切带破坏到残余偏应力等阶段的渐进性破坏过程 ,定性提出上海原状粘性土局部化变形的一些规律     

断层岩爆是应变局部化导致的系统失稳回跳

讨论了应变局部化、岩爆及Ⅱ类变形行为的关系，并利用梯度塑性理论得到了4种等效的回跳准则。局部化是岩爆的前兆之一，也是出现Ⅱ类变形行为的原因。利用最小势能原理及梯度塑性理论，可得到系统的失稳判据；利用位移法，可以得到系统的Ⅱ类变形行为。若非弹性剪切位移(或平均塑性剪切应变)的增加快于弹性剪切位移(或平均弹性剪切应变)的降低，将出现Ⅰ类变形行为；反之，将出现Ⅱ类变形行为。弹性区与剪切带宽度的比率越大，或剪切弹性模量与剪切降模量的比率越小，系统越容易失稳。     

砂土应力路径试验的数值模拟

在一组应力路径试验的基础上,利用砂土的状态相关本构模型,对不同应力路径下饱和砂土在三轴固结排水剪切过程中的变形特性进行模拟。将模拟结果与试验结果进行比较,发现这种状态相关本构模型不仅能够较好地模拟出不同应力路径下砂土固结排水试验的应力–应变关系和紧砂的应变软化现象,而且能够反映出砂土的剪缩和剪胀等变形特性,但是在模拟拉伸应力路径下砂土的体积应变变化趋势方面有待于进一步的研究和改进。     

各向异性砂土的应变局部化分析

针对许多各向异性砂土强度和应变局部化特性,采用各向异性模型进行砂土的应变局部化分析。模型基于材料状态相关临界状态理论,采用宏细观结合的方法,将一个新的各向异性状态变量引入本构模型来描述砂土的各向异性,考虑细观组构张量和应力张量的几何关系模型即可以描述不同沉积角度三轴条件下砂土的力学特性。模型结合分叉理论可以自然解释各向异性和应变局部化对平面应变强度的影响,采用用一组模型参数可以很好模拟不同围压,不同沉积角度平面应变条件下Toyoura砂的强度特性和剪切带角度。     

基于材料状态相关砂土临界状态理论的应变局部化分析

针对传统砂土本构理论无法合理解析剪破角随初始围压增加而减少这一试验规律的局限性,采用材料状态相关砂土临界状态本构模型对Hostun砂进行了应变局部化分析。首先基于已有的材料状态相关砂土临界状态概念,将Pietruszczak等所提出的砂土本构模型进行了改进,并利用Hostun砂的有关三轴排水试验结果对模型参数进行了拟合,然后对Hostun砂的平面应变排水试验进行了应变局部化分析。分析结果表明:基于材料状态相关的砂土临界状态模型能够合理地描述材料初始状态对砂土变形局部化的影响,尤其是初始有效围压对剪破角的影响。     

Behavior of Liquefied Sands Under Extremely Large Strain Levels in Cyclic Torsional Shear Tests

In order to study the cyclic behavior of liquefied sands at extremely large strain levels up to double amplitude shear strain of about 100%, a series of undrained cyclic torsional shear tests while keeping the specimen height constant was performed on saturated Toyoura sand under different densities, two kinds of in-situ frozen sandy samples and their reconstituted specimens. Due correction was made for the effect of membrane force on the measured shear stress. After exceeding a certain level of overall shear strain, the specimen deformation became non-uniform, which is called as “strain localization” in the present study. The initiation of such localization was associated with the changes in the cyclic amplitude of deviator stress and the increment of shear strain. In the case of Toyoura sand, the limiting value of shear strain to initiate strain localization was found to increase with decrease in the relative density, and such a trend was consistent with the empirical correlation of soil liquefaction when the relative density is higher than 30%. In the case of in-situ frozen sandy samples, their limiting shear strain values were smaller than those of the reconstituted specimens, suggesting that their soil structures were different from each other under different degrees of natural aging effects.     

砂土剪胀剪缩特性及其对抗剪强度的影响

为了研究饱和砂土的剪胀剪缩特性及其对抗剪强度的影响,选取滹沱河细砂,利用空心圆柱扭剪仪较系统地开展了一系列不同初始密度、不同固结压力条件下的排水与不排水纯扭剪试验研究,在总应力保持不变的情况下研究了砂土的剪胀剪缩特性,着重探讨了在排水与不排水试验中,不同密度和不同有效围压的砂土在单调剪切荷载作用下的应力-应变关系、硬化与软化、土体的剪胀剪缩以及强度等特性。结果表明:砂土密度和固结压力对砂土剪胀剪缩特性具有显著的影响;砂土的剪胀剪缩特性对砂土的排水、不排水强度以及应力-应变关系产生显著的影响;由于剪胀剪缩特性的影响,砂土的不排水抗剪强度甚至可能高于排水抗剪强度;研究成果可为今后砂土的本构模型和数值模拟提供试验资料。     

Comparison of Liquefaction-Induced Ground Deformation Between Results from Undrained Cyclic Torsional Shear Tests and Observations From Previous Model Tests and Case Studies

In order to investigate liquefaction-induced ground displacement, we conducted a series of undrained cyclic torsional shear tests on saturated Toyoura sand using a modified torsional apparatus capable of applying and measuring double amplitude shear strain up to about 100%. The limiting value of double amplitude shear strain, at which strain localization appears during undrained cyclic loading tests, was evaluated from the test results with reference to the change in the deviator stress during liquefaction. The limiting strain values, which increase with a decrease in the relative density of the specimen, were found to be consistent with the maximum amounts of liquefaction-induced ground displacement observed in the previous shaking table model tests and most of the relevant case studies. This feature is reasonable considering the reduction in the mobilized cyclic shear stress in liquefied soil due to the degradation of the shear resistance. As long as the liquefied soil layer remains in uniform deformation, these limiting strain values may be used in estimating the maximum amount of liquefaction-induced ground displacement.     

土的基本特性及本构关系与强度理论

土的基本特性及本构关系与强度理论是土力学及岩土工程学科的重要理论基础之一。本 文针对饱和黏土、砂土及堆石料等粗粒土,总结了这三类土在基本力学特性及本构强度理论方 面的研究现状和发展趋势。饱和黏土部分主要包括压缩特性、剪切特性—临界状态及剪胀/剪缩 、结构性及其破坏、中主应力影响、各向异性及主应力偏转效应、不排水抗剪强度、流变特性 、微观力学解析模型等;砂土部分包括临界状态概念与剪胀性、砂土各向异性、应变局部化等 ;堆石料等粗粒土部分则以颗粒破碎对堆石料等粗粒土的力学性质的影响为主线,重点介绍了 颗粒破碎的度量方法、颗粒破碎对剪胀性、临界状态线的影响以及相应的本构模型、宏观-微观 的力学分析方法。     

Strain localization characteristics of loose saturated Toyoura sand in undrained cyclic torsional shear tests with initial static shear

Strain localization, or the formation of shear bands, is a key aspect in understanding soil failure mechanisms. While efforts have been made in terms of measuring the shear band properties and the stress–strain behavior within shear bands, there are still uncertainties regarding when shear bands initiate and their influence on the development of large ground deformation. In this paper, the limiting value of shear strain, at which strain localization appears during undrained cyclic torsional shear tests with initial static shear, performed on loose Toyoura sand specimens (Dr=44–48%) up to a single amplitude of shear strain exceeding 50%, was evaluated. Non-uniform specimen deformation was observed at strain levels larger than 20%. However, the onset of strain localization could not be defined on the basis of visual observations. Therefore, the limiting values for half of the double amplitude (γ_DA/2) and single amplitude (γ_SA) shear strain, to initiate strain localization, were determined from test results based on changes in the deviator stress response and strain accumulation properties as well as changes in the strain-softening behavior during cyclic shear. It was found that γ_SA is a more appropriate parameter than γ_DA/2. Irrespective of the static shear stress level, the limiting strain value for γ_SA was evaluated to be in the range of 23–28% for liquefied loose Toyoura sand specimens (i.e., stress reversal and intermediate tests). Alternatively, the limiting strain value could not be properly defined when liquefaction did not occur (i.e., non-reversal stress tests), although various methods were employed.