循环荷载作用下饱和砂土的性质演化规律及液化阶段性特征

正确认识饱和砂土在液化过程中的性质演变规律是解决可液化土层大变形问题的关键。通过饱和砂土不排水三轴试验,研究了饱和砂土液化过程中剪应力-剪应变关系、孔压增长速率和流动性的演化规律。发现饱和砂土由固态向液态的转变过程存在显著的阶段性特征,饱和砂土的液化过程可根据孔压比增长速率特征点划分为固态、固-液过渡、触变性流体及稳定流体四个阶段,而土体的孔压比增长速率与其产生的残余剪应变相关;围压和循环应力比会影响土体液化过程中各阶段的持续时间,围压越低、循环应力比越高,饱和砂土越容易从固体阶段转变为流体阶段;饱和南京细砂从一个阶段进入另一个阶段的所需振次与对应的孔压比之间呈线性关系。     

初始剪应力与频率对超固结软土变形试验研究

通过GDS循环三轴试验系统,对循环荷载作用下杭州饱和软粘土的动应变变化规律进行了研究,分析了循环应力比、初始剪应力、振动频率及超固结比等因素对动应变的影响。研究结果表明:随着循环应力比的增加,动应变发展速度增快。循环荷载作用下饱和软粘土存在临界循环应力比,通过动应变与循环次数关系曲线也可以确定其值大小。在循环初期,应变率较大,随着循环时间的增加,应变率逐渐减小。随着循环应力比的增加,应变率增加。振动频率对应变-循环次数关系影响明显,随着频率的增加,动应变减小;然而,振动频率对动应变-时间与应变率-时间关系影响不明显。随着初始剪应力的增大,动应变发生较大幅度的增加。初始剪应力对应变率具有显著影响;随着初始剪应力的增加,应变率增加。在对数坐标下,应变率随时间线性减小。随着超固结比的增加,动应变及应变率均减少。在上述试验基础上建立了应变率与时间关系表达式,通过积分得到了循环荷载作用下考虑初始剪应力、振动频率及超固结比影响的杭州饱和软粘土的累积塑性应变模型。     

饱和松砂与结构接触面反复剪切下邻近土体性状数值分析

该文采用颗粒离散元软件PFC2D,研究了不排水条件高频循环剪切作用下饱和松砂与板桩接触面附近的砂土特性,分析了模型参数对饱和松砂孔隙率和体应变的影响,以及剪切过程中超静孔压的变化规律和砂土颗粒的运动轨迹。结果表明:当颗粒摩擦系数、颗粒刚度、剪切振幅和剪切频率越小或边界围压和接触面摩擦系数越大,饱和松砂的剪缩现象越明显。砂土的孔隙率在作用瞬间减少、然后略有增加后呈下降趋势至稳定;随循环次数增加,砂土中的超静孔压总体上呈增长趋势;砂土颗粒的变位随离开接触面距离的增加而减小。     

重组竹轴向应力-应变关系模型

以重组竹为对象,对重组竹的轴向拉伸与压缩应力-应变关系进行研究。通过单向轴向拉伸与压缩试验,研究了重组竹的破坏形态与应力-应变关系特征。试验结果表明：重组竹拉伸的破坏模式表现为脆性拉断,受压破坏模式表现为压屈破坏、剪压破坏和楔形劈裂破坏;重组竹轴向拉伸的应力-应变关系呈线性变化,其受压应力-应变曲线可分为弹性阶段、弹塑性阶段和平台阶段3个阶段。对于重组竹轴向受拉应力-应变关系,建议了线弹性关系模型;对于重组竹轴向受压应力-应变关系,建议了三折线模型、通用函数模型、指数函数模型3个模型,其皆能描述重组竹轴向受压时应力-应变曲线的三个阶段。各个模型的计算结果与试验结果总体吻合度均较好。     

孔压增长下双曲线模型参数研究

采用双曲线模型描述可液化土层动力本构关系的关键是给出循环荷载作用下饱和砂土循环最大剪切模量和循环极限剪应力。针对不同相对密度的几种砂土,通过新型高精度动三轴仪均等固结不同等幅循环应力作用下的液化试验,研究孔隙水压力对饱和砂土循环最大剪切模量和循环极限剪应力的影响模式和规律,提出了考虑孔压增长下的砂土循环最大剪切模量和极限剪应力的具有不同精度的计算公式。主要结果为:孔压增长对饱和砂土循环最大剪切模量和极限剪应力影响明显,循环最大剪切模量比和极限剪应力随孔压比的上升不断降低;孔压增长下饱和砂土循环最大剪切模量和孔压比的关系可表达成与砂土类型及相对密度无关的统一线性关系式,孔压比等于循环最大剪切模量的相对减小量;孔压增长下饱和砂土循环极限剪应力和孔压比的关系,精确要求下可表达成与砂土类型及相对密度相关二次曲线关系;简化考虑下可以表达为与砂土类型及相对密度无关的统一的线性关系式,孔压比等于循环极限剪应力的相对减小量;孔压增长下饱和砂土循环最大剪切模量并不服从Hardin初始最大剪切模量计算公式,若以此计算将导致液化过程中循环最大剪切模量估计过高,特别是在孔压比为0.6~0.8的敏感区间内,循环最大剪切模量会被高估约80%~140%。     

不同应力路径下堆石料的动力变形特性试验研究

采用大型多功能静动三轴试验机,对堆石料分别进行了常规三轴循环加载、等p循环加载和等q循环加载三种不同应力路径下的动力变形试验研究,探讨了不同应力路径下围压﹑固结应力比及动应力比等因素对体应变和偏应变的影响规律及其变形机制。试验结果表明:在循环荷载作用下,不同应力路径对堆石料体应变和偏应变的发展规律影响较大;在等p循环加载作用下引起的往返体应变为负值,即发生剪胀现象,且在轴向剪切时达到最大剪胀值,反向剪切时基本不发生剪胀;在等q循环加载作用下产生较大的残余体应变和残余偏应变,两者均不可忽略不计,主要与堆石料的各向异性和颗粒破碎有关。     

岩石类脆性材料动态压剪耦合特性研究

岩石具有复杂的细微观结构,其宏观力学性能表现出明显的加载路径敏感性和应变率效应。应用基于改进的SHPB装置,对花岗岩、大理岩和砂岩等三类岩石进行了五种倾角的准静态和动态压剪联合加载实验,较系统地讨论了与岩石应力应变关系曲线的拟线性阶段的斜率、破坏强度等有关的加载路径敏感性和应变率效应。结果表明:岩石的法向模量、切向模量和破坏强度都有明显的压剪耦合效应(即加载路径敏感性)和应变率效应;比较而言,法向模量对剪切应力的依赖性强于剪切模量对法向应力的依赖性。基于Drucker-Prager(D-P)准则和考虑压剪耦合效应的修正的DP准则拟合岩石的动静态破坏面,拟合结果表明:岩石的内黏聚力有一定的应变率效应,内摩擦角的应变率效应不明显;修正的D-P准则可以描述压剪耦合效应。并探讨了大理岩的后继屈服面和岩石应力应变关系的描述问题。此研究提供了一种确定岩石动态强度参数的方法,表明进行压剪联合加载实验研究有助于揭示复杂应力状态下岩石的动静态力学性能。     

短纤维增强混凝土应力传递剪滞理论的改进

根据混凝土的非线弹性性质、纤维端部应力和由于温度变化产生的温度应力对剪应力及纤维正应力的影响,对短纤维增强混凝土应力传递的剪滞理论进行改进。结合碳纤维增强混凝土分析了混凝土应变、纤维端部正应力系数和温度差对应力传递的影响。认为在混凝土弹性阶段剪应力和纤维正应力受应变影响较小,塑性阶段应变对应力传递影响较大;纤维端部应力系数对剪应力和纤维正应力表现为线性影响;剪应力与温度变化呈同方向变化,但纤维正应力不受温度影响。     

复杂应力条件下饱和粉土剪切特性的试验研究

利用动--静态空心圆柱扭剪仪,采用两种不同的成样方法制备空心圆柱试样,在不排水条件下控制平均主应力和中主应力系数保持不变,进行单调扭剪试验。并着重讨论成样方法对重塑粉土孔隙水压力发展、应力——应变关系、破坏模式、有效应力路径等特性的影响。研究表明:在主应力轴连续偏转的不排水条件下,成样方法对重塑饱和粉土变形及强度特性具有显著影响。     

考虑相变状态的较密实饱和砂土弹塑性模型

在三轴试验中,较密实砂土是很难最后到达临界状态的。该文在Yu等提出的CASM模型基础上,提出了适合模拟较密实饱和砂土的弹塑性模型。该模型有两方面的改进:一方面,模型将剪胀应力比M_d引入剪胀方程;另一方面,模型中硬化参数采用与应力路径无关的参数来替代CASM模型中的塑性体应变增量。经试验结果验证,该模型较适合模拟饱和中密或密实砂土的剪胀特性,同时也能较好地体现中密或密砂剪切过程中的硬化及软化现象。模型共10个参数,用常规三轴试验就可获取。     

中低应变率加载下弱胶结软岩动力学特性

我国西部侏罗系煤层上覆巨厚白垩系富水软岩,为了解此类软岩在冲击荷载作用下的力学本构关系及损伤演化规律,利用Hopkinson压杆装置对干燥、饱和红砂软岩进行中低应变率下的冲击试验,结果表明:红砂软岩峰值应力、峰值应变均表现出明显的应变率效应,其中峰值应力与应变率呈指数关系;相同应变率下,干燥红砂软岩的强度大于饱和状态,对冲击荷载表现出更强的抵抗能力,但饱和红砂软岩的宏观破坏强度大于干燥状态;低应变率加载下,干燥红砂软岩出现负损伤;结合微观机理分析,低应变率下,水对红砂软岩的弱化作用占据主导地位,随着应变率的增大,在惯性效应和水的Stefan效应共同作用下,饱和红砂软岩的动态强度得到强化;基于Z-W-T模型和应变等效原理,建立了服从Weibull分布的损伤本构方程,经验证能很好的反映红砂软岩的动态本构关系,具有一定的工程实际意义。     

Ti-Ni形状记忆合金环超弹阻尼器的阻尼特性研究

应用Ti-Ni形状记忆合金环作耗能元件设计了一种新型的阻尼器,介绍了Ti-Ni合金环的制备及热处理工艺,并测试了其力学性能.分析了加载卸载过程中力-位移曲线与环内应力的关系.当无档板对Ti-Ni合金环进行横向约束时,由于环内的应力没达到应力诱发马氏体相变的临界应力,表现为线弹性,并且回复力非常小.当档板对环施加水平约束,出现滞迟耗能.随着位移的增加,回复力和滞迟环的面积都大幅度增加,滞迟环形状发生变化.小位移时,滞迟环为透镜状,当位移达到一定值时,滞迟环为倒三角形.倒三角形的滞迟环与双折线形滞迟环相比,在振动控制过程中具有更好的阻尼效果.     

深部地层地应力水平与爆破振动频率特征的相关性

不同的地应力水平对深部岩体爆破振动的频率和能量分布具有重要影响。通过对不同地应力水平的深埋隧洞爆破开挖过程中实测围岩振动信号进行快速傅里叶变换,采用功率谱分析方法研究振动信号在不同频带上的能量分布。研究表明,实测爆破振动的低频振动(<50 Hz)能量占总振动能量的百分比随应力水平的提高而增加;爆破振动在其频域中除了有一个主振频率外,还存在多个子频带,且各子频带振动的能量与主频带振动能量的差距随应力水平的提高而减小;伴随爆破破岩过程而发生的应变能瞬态释放效应诱发围岩振动的主频一般比爆炸荷载诱发振动的主频低;在50 MPa或更高应力水平下,应变能释放诱发的振动能量与爆炸荷载诱发振动能量大致相当。     

深部地层地应力水平与爆破振动频率特征的相关性

不同的地应力水平对深部岩体爆破振动的频率和能量分布具有重要影响。通过对不同地应力水平的深埋隧洞爆破开挖过程中实测围岩振动信号进行快速傅里叶变换,采用功率谱分析方法研究振动信号在不同频带上的能量分布。研究表明,实测爆破振动的低频振动(50 Hz)能量占总振动能量的百分比随应力水平的提高而增加;爆破振动在其频域中除了有一个主振频率外,还存在多个子频带,且各子频带振动的能量与主频带振动能量的差距随应力水平的提高而减小;伴随爆破破岩过程而发生的应变能瞬态释放效应诱发围岩振动的主频一般比爆炸荷载诱发振动的主频低;在50 MPa或更高应力水平下,应变能释放诱发的振动能量与爆炸荷载诱发振动能量大致相当。     

Discrete element simulation of dynamic behaviour of partially saturated sand

The discrete element method (DEM) together with the finite element method (FEM) in LS-DYNA was employed to investigate the dynamic behaviour of sand under impact loading. In this approach, the partially saturated sand was modelled in DEM with capillary forces being taken into account through an implicit capillary contact model, while other solids were simulated using FEM. A slump test was first performed with dry sand to calibrate the contact parameters in DEM. Low velocity impact tests were then conducted to investigate the effect of water saturation on the shape and height of sand piles after impact, and to validate the simulations. It was found in the experiments that an increasing water saturation (in the range between 10 and 30 %) affected the height of sand pile for a given drop height due to an increasing cohesion between particles. The simulations captured the experimental ejecta patterns and sand pile height. Finally, a low confinement split Hopkinson pressure bar test from earlier literature was modelled; the DEM–FEM simulations could reproduce the trends of experimentally observed stress–strain curves of partially saturated sand under high strain rate loading, indicating that it was feasible to model dynamic behaviour of dry and wet sand with low saturation (<20 %) in LS-DYNA; however, a number of questions remain open about the effect of grain shape, grain crushing and viscosity.     

红砂岩剪切储能与最大剪应变特征试验研究

为了明确干燥和饱水红砂岩剪切强度、剪切储能与剪应变特征,在岩石剪切试验系统进行了不同法向应力作用下干燥和饱水红砂岩剪切试验,详细分析了法向应力和饱水作用对红砂岩剪切强度、剪切应变能密度和剪应变的影响规律。结果表明：剪力-剪切位移曲线,干燥状态线性段明显,饱水状态屈服段明显,法向应力在10 MPa～20 MPa,剪切强度和剪切位移增加显著,法向应力在20 MPa～40 MPa切向位移变化很小;压剪应力状态下的粘聚力和内摩擦角明显低于三轴压缩应力状态下的粘聚力和内摩擦角,饱水使三轴应力路径下的粘聚力和内摩擦角都弱化,而压剪应力路径下只对内摩擦角弱化。法向应力小于20 MPa时,剪切强度劣化率随法向应力的增加线性增大,法向应力在20 MPa～40 MPa时,剪切强度劣化率在一定值上下波动。峰值剪切应变能密度与法向应力之间存在良好线性变化规律,随法向应力增大,饱水对峰值剪切应变能密度的影响增加。干燥和饱水红砂岩峰值剪切应变能密度分别趋于定值1.4579 MJ/m3和1.0033 MJ/m3,饱水使峰值剪切应变能密度的劣化率趋于31.18%。根据峰值剪应变随法向应力的变化规律,构建了干燥和饱水红...     

Effect of alternating stress on the creep of frozen soils

Cyclic creep behaviour of a frozen saturated sand and frozen clay was studied by superimposing alternating stresses over a mean static compressive stress on the samples. Cyclic loading increased the creep rate of these materials considerably, which could be due to the increase in unfrozen water content generated by the transient thermal energy produced by mechanical cycling. The strain increment per cycle was found to increase with increasing strain in the frozen sand; whereas it decreased in the frozen clay, showing a tendency for hardening. The difference could be due to the fact that the mean stress on the sample was larger than a threshold stress in the former and smaller in the latter material.     

A laboratory investigation on an undisturbed silty sand from a slope prone to landsliding

A laboratory investigation is presented for undisturbed samples of a silty sand under saturated conditions. The soil was sampled from test pits south of Rüdlingen in North–East Switzerland, where a landslide triggering experiment was carried out on a steep forest slope. The aim of the work was to characterise the behaviour of the soil in triaxial tests, in the light of the possible failure mechanisms of the slope. Conventional drained and undrained triaxial tests were conducted to detect critical state conditions as well as peak shear strength as a function of confining pressure. Soil specimens were also exposed to stress paths simulating in situ water pressure increase to study the stress–strain response and to enhance the ability to predict failure conditions more accurately in the future. Possible unstable response along the stress paths analysed was investigated by means of second order work and strain acceleration. The results show that temporary unstable conditions may be encountered for this soil at stress ratios below ultimate failure and even below critical state line, depending on void ratio, drainage conditions and time dependent compressibility. A modified state parameter is explored as a potentially useful tool to discriminate conditions leading to eventual collapse.