初始剪应力下剪切方向角对软黏土软化特性的影响

 边坡、挡土墙等结构中的土体一般存在初始剪应力的作用,同时在地震、波浪等动荷载作用下,土体的初始剪应力与动荷载之间往往会存在一定的夹角。为了研究初始剪应力与循环荷载之间的夹角(剪切方向角)对土体软化指数的影响,采用多向循环单剪仪对温州软黏土进行一系列的循环单剪试验研究。研究结果表明,在特定剪切方向角下,随着循环应力比rc的增加,软化指数?逐渐降低,且在相同软化指数条件下,相邻循环应力比对应的循环圈数相差的幅度逐渐减小;循环应力比一定时,当剪切方向角在0°～90°范围内增加时,软化指数依次递增,当90°＜θ≤180°时,软化指数的变化趋势与0°～90°时相反;循环应力比rc = 0.15时,在加载初期,θ = 120°,150°,180°时,软化指数均分别较θ = 60°,30°,0°时大。对试验数据进行回归分析,建立土体的软化指数模型和孔压–软化模型。     

饱和南京砂液化后循环加载的动力表观黏度分析

饱和砂土在地震作用下会发生液化变形,从而引起建立在其上的建(构)筑物发生破坏。为了对饱和砂土液化后大变形的流体特性进行研究,采用英国GDS公司的空心圆柱扭剪仪进行了饱和砂土液化后循环加载的流动性特性试验研究,在试验中循环加载直至双幅剪应变达到100%。通过对试验结果的分析,主要研究了初始静剪应力及有效围压对饱和南京砂液化后发生大变形时的流体特性的影响规律。研究结果表明:根据超孔压比确定的"零有效应力"状态末端试样其实已经进入剪胀阶段,即超孔压的反应与液化时"零有效应力"状态相比具有明显的滞后效应;初始静剪应力主要对饱和南京砂初始液化后的"零有效应力"阶段的表观黏度与剪应变率关系曲线的影响较大,反而对反向卸载段的关系曲线影响较小。同时,试验结果表明砂土液化后循环加载条件下砂土的流动性明显比单调加载条件下的流动性大的多。     

饱和南京细砂初始液化后特大流动变形特性试验研究

针对地震中倾斜场地砂土液化流动大变形特征与机理,以具有明显片状颗粒结构特征的南京细砂为研究对象,采用了英国GDS公司的动态空心圆柱扭剪仪,开展了饱和南京细砂液化后特大流动变形特性的循环扭剪试验研究,主要分析了橡皮膜效应、有效围压、循环加载幅值和初始静剪应力等因素对南京细砂液化流动大变形特性的影响规律及其机理。试验结果表明:在其它条件不变时,随着有效围压增加,饱和南京细砂抗液化强度和抗单向液化流动累积变形强度都有所增加。当保持围压不变时,饱和南京细砂抗单向液化流动累积变形的强度有增加的趋势。随着初始静剪应力比的变大,南京细砂的抗液化和抗单向累积变形强度特征可以分为三个不同阶段。在无初始静剪应力条件下饱和南京细砂液化后仍以循环液化流动变形为主和单向流动累积变形为辅。但是,随着初始静剪应力比的增大,饱和南京细砂抗液化强度和抗单向液化流动累积变形强度明显降低,即主要发生单向液化流动累积变形破坏。当初始静剪应力比接近或超过循环动剪应力比时,饱和南京细砂的抗液化和抗单向流动累积变形的强度又明显增大,但仍以液化单向流动累积破坏为主。当初始静剪应力比继续增大到一定程度时,饱和南京细砂已经很难液化,其抵抗单向累积变形的强度也明显降低,主要原因应为此时试样发生的是塑性累积大变形破坏。同时,试验结果表明饱和南京细砂的液化后流动大变形特性也明显区别于含圆形颗粒为主的日本丰浦砂。     

主应力轴循环旋转下饱和黏土累积孔压显式模型

交通荷载下饱和黏土累积孔压消散是导致交通荷载下路基沉降的重要因素。在详细介绍黏土空心圆柱试样制作过程的基础上,在各向等压条件下,分别对黏土试件在100,150,200 kPa压力下固结,而后进行主应力轴旋转角连续变化范围分别为[-15°,15°]、[-30°,30°]、[-45°,45°]和[-60°,60°]的不排水循环加载试验,循环次数为10 000次。得到了循环累积孔压的变化受静偏应力、初始固结压力及空心圆柱试样主应力轴连续旋转角影响的规律。运用修正动偏应力水平来考虑初始静偏应力和动偏应力对不排水累积孔压的影响,建立了常剪应力循环主应力轴偏转角循环加载下累积孔压模型。通过非各向等压固结循环扭剪试验累积孔压值对所建立的累积孔压模型的正确性进行验证。     

饱和软粘土的循环蠕变特性

本文介绍对上海淤泥质饱和粘土在长期循环荷载作用下的变形特性的试验研究结果。考虑到土的各向异性性质,在三轴试验中,在K0固结条件下把土试样恢复到天然的K0应力状态,然后进行排水及不排水单向循环加载蠕变试验。从试验结果可以观察到一些重要的现象:(1)当循环轴向应力小于初始固结压力的50%时,饱和粘土的循环蠕变可分成三个阶段;(2)循环应变可分成不可逆的累积应变与可逆应变两部分,可逆应变的大小与循环应力幅值近似成线性关系;(3)孔压增长较为滞后,不排水试样孔压增长稳定时其值约为应力幅值50%,而排水试样的残余孔压约为应力幅值的20%。     

循环何载下饱和南京细砂的孔压增量模型

等幅循环荷载的不排水三轴试验的结果表明,饱和南京细砂孔压比曲线的形状随循环周数比增大而发生规律性的变化.引入孔压增量比的概念,并定义有效动剪应力比和有效应力对数衰减率,发现孔压增量比的发展过程可分为下降段、平稳段和上升段;在平稳段和上升段,孔压增量比的累积量与有效动剪应力比的自然对数具有很好的线性关系,并推导出第N周的...     

初始主应力方向角对饱和珊瑚砂液化特性影响的试验

为探究不同的初始主应力方向角α_0条件下南沙岛礁饱和珊瑚砂的液化特性,对饱和珊瑚砂进行了一系列不排水循环扭剪试验。试验结果表明:①α_0对饱和珊瑚砂液化特性的影响显著;α_0≠45°时的超静孔压ue不会到达初始有效平均主应力p'0;但α_0=45°时ue会达到p'0。②不同α_0条件下试样各应变分量发展形式的差异显著,但均会产生较大的广义剪应变幅值?g a,且超静孔压比ue/p'0与?ga之间的相关性可表示为正切函数。③以惯用的循环应力比CSR作为应力水平指标时,对于给定的CSR,到达液化标准所需的循环次数NL随着α_0的增大而减小;采用本文定义的修正循环应力比CSRM作为应力水平指标时,不同α_0条件下CSRM与NL的关系曲线规准化为一条曲线,且文献中3种饱和砂土的原始试验数据也验证了CSRM的适用性。     

定向剪切应力路径下类弱胶结软岩椭圆各向异性强度准则

地下工程开挖卸荷引起的围岩应力重分布将影响弱胶结软岩强度,导致巷道围岩产生不均匀大变形,甚至造成塌方、冒顶等安全事故。以膨润土、风积砂、石膏粉和滑石粉为原料制备类弱胶结软岩试样,利用GDS SSHCA空心圆柱扭剪仪开展主应力定向剪切试验,研究大主应力方向对弱胶结软岩应力–应变曲线、峰值应力(变)和抗剪强度的影响规律,探索主应力方向诱导的弱胶结软岩强度各向异性特征。结果表明：当0°<α <45°时(α为大主应力与竖直方向的夹角),试样产生轴向压应变和剪应变,且随着α的增加,试样轴向应变占比逐渐减小,剪应变占比逐渐增加;当α=45°时,试样以剪应变为主,并伴随体积扩容现象;当45°<α <90°时,试样受侧向挤压产生轴向拉应变与剪应变。当0°≤α≤30°时,峰值剪应力比(τ_zθ/p’)max随α的增加逐渐增大;而当30°<α≤90°时,(τ_zθ/p’)max则随着α的增加逐渐减小;当α=30°时,(τ_zθ/p’)max=0.81,为最大值,这表明软岩具有显著的各向异性特征。基于峰值剪应力比演化特...     

循环荷载下饱和砂土的孔压触变性

将液化土体视为流体进行液化效应分析是一个前沿的技术思路。其中,合理描述液化土体的流体性质是一个关键问题。提出循环荷载下饱和砂土孔压触变性的概念和基本设想。采用点差法计算相变后饱和砂土流动性曲线各点曲率,给出了依据流动性曲线加速增长段的最大曲率确定初始流体状态的经验方法。基于饱和砂土不排水循环三轴试验,发现进入流体状态后的饱和砂土应力-应变率关系满足Cross型触变性流体状态方程,其内部结构参数与土中残余有效应力比具有正比例关系;此时Cross型触变性流体速率方程描述的物理实质即为土体内的孔压增长过程。试验结果印证了论文提出的基本设想,证明了循环荷载下进入流体状态后的饱和砂土具有孔压触变性流体特征。     

复杂应力路径下影响粘土孔压开展的因素研究

采用空心圆柱扭剪仪,针对杭州原状软黏土,设计轴对称和三维应力状态下的复杂应力路径,进行固结不排水条件下的主应力轴旋转试验,以此从试验上验证主应力轴转幅、中主应力系数、初始剪应力对剪切过程中孔压开展特征影响的理论分析结论。理论分析和试验结果均表明：在主应力轴旋转过程中,主应力轴转幅分别为0°～45°和45°～90°间的值时,试样的变形不同,产生的孔压增量不同,以主应力轴转幅等于45°为界;当中主应力系数在0～1间变化时,随着中主应力系数的增大,产生的孔压增量先减小后增大,以中主应力系数等于0.5为界,并且,中主应力系数对剪切过程中孔压开展的影响受剪应力水平的控制;初始剪应力水平越高,上升初始剪应力阶段产生的孔压增量越大,剪切过程中总的孔压水平越高。在包含主应力轴旋转和剪应力增大的剪切应力路径初始阶段,以大主应力方向角作为控制条件比以初始剪应力作为控制条件产生的孔压增量大,对剪切过程中孔压的开展影响更大。     

主应力方向循环变化对饱和松砂不排水动力特性的影响

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了主应力轴循环变化的多种模式竖向和扭转双向耦合循环剪切及普通循环扭剪试验。针对福建标准砂, 在均等固结条件下着重研究了振动过程中主应力方向的不同变化模式对饱和松砂不排水循环特性的影响。试验研究结果表明: 振动过程中主应力方向的变化方式对饱和砂土不排水动强度具有显著的影响, 在所采用的五种类型循环剪切应力路径中, 主应力方向连续旋转条件下的动强度最低。进一步的研究发现: 对于初始均等固结条件,分别采用初始平均有效固结压力和循环破坏次数归一化的循环孔隙水压力比与循环次数比之间的关系与振动过程中主应力方向变化方式无关, 这种归一化循环孔隙水压力比随广义剪应变的变化规律及累积广义剪应变与循环次数比之间关系均与振动过程中主应力方向变化方式无关。     

堆石料动力变形特性试验研究

采用大型静动力简单剪切仪,对某面板堆石坝灰岩堆石料进行了动剪切模量阻尼比试验和动残余变形试验。试验资料表明,堆石料的模量阻尼特性采用修正等价黏弹性模型描述可取得较好效果。考虑到在围压和动应力比较高时,残余应变与振次的关系和半对数规律偏差较大,采用幂函数描述残余应变的发展,建立了以平均主应力、固结应力比和动剪应变为自变量的残余变形计算模型。通过拟合不同堆石料的试验结果,表明该模型具有较好的适用性。     

基于能量法的尾矿土动孔压模型研究

通过应力控制式动三轴不排水循环剪切试验,对饱和尾矿土在循环应力比、轴–径向固结应力比等因素下孔隙水压力与累积能量耗散关系进行研究。研究结果表明孔隙水压力增长与塑性应变累积能量耗散和土体黏滞累积能量耗散密切相关。当循环应力比cR介于0.205~0.238、轴–径向固结应力比cK介于1.0~1.3时,孔隙水压力–能量之间存在临界状态。通过非线性回归分析初步建立了循环应力比和轴–径向固结应力比条件下饱和尾矿土的孔隙水压力能量模型,从变化机理上阐述孔隙水压力的变化规律并消除了周次的不确定性对于孔隙水压力模型的影响,对预测循环荷载作用下饱和土的孔隙水压力具有借鉴意义。     

复杂应力条件下饱和松砂振动孔隙水压力增长的能量模式

利用新研制的土工静力–动力液压三轴–扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30%的饱和福建标准砂,进行了均等固结条件下的不排水循环单向剪切以及轴向和扭转双向耦合循环剪切等多种复杂循环剪切试验,并在控制不同的初始固结参数的三向非均等固结状态下,进行了循环扭剪试验。分别研究了循环剪切应力路径、初始主应力方向、初始偏应力比、初始中主应力系数等因素对孔压与累积耗散能关系的影响。初步建立了复杂应力条件下饱和松砂的孔隙水压力增长的能量模式。     

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。     

Liquefaction of Unsaturated Sand Considering the Pore Air Pressure and Volume Compressibility of the Soil Particle Skeleton

A series of cyclic triaxial tests of unsaturated soils was conducted to get a better understanding of the general liquefaction state of unsaturated soils. In the tests, cyclic shear strain was applied to fine clean sand with the same dry density but different initial suction states under the undrained condition. During cyclic shear, the volume change of the soil particle skeleton, the pore air pressure and the pore water pressure were measured continuously. Having used the effective stress defined by Bishop (Bishop et al., 1963), where the net stress and suction contribute to the effective stress, our test results showed that unsaturated sand specimens with quite a low degree of saturation lose their effective stress due to cyclic shear. At a zero effective stress state, unsaturated specimens behaved similarly to liquids in much the same way as saturated specimens. From experimental and theoretical considerations, the zero effective stress state (i.e., liquefaction) for unsaturated sand was found to have been established when both the pore air and water pressures build up to the point where it is equal to the initial total pressure. A volume change of pore air under the undrained condition, if a volume change of pore water is negligible, is equal to that of the soil particle skeleton. Therefore, it can be concluded that the liquefaction of unsaturated soil generally depends on the volume compressibility of the soil particle skeleton and the degree of saturation. On the other hand, according to the ideal gas equation of Boyle-Charles law, the volume change required to bring about a zero effective stress state can be calculated from the initial pore air pressure (usually the atmospheric pressure) and the final pore air pressure (the initial confining pressure). Therefore, the liquefaction of unsaturated soils also depends on the initial confining pressure. Based on this concept, the liquefaction potential of unsaturated soil can be evaluated by comparing the volume compressibility of the soil particle skeleton and the volume change of the pore air required to bring about a zero effective stress state.     

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。     

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。