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。     

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     

评价饱和砂土液化过程中小应变到大应变的本构模型(英文)

在RambergOsgood模型的基础上,建立了一个实用的能描述饱和砂土从液化前小应变到初始液化后大应变范围的非线性本构模型。该模型主要有三个特点:①采用作者曾提出的移动相态转换线(MPTL)和移动临界状态线(MCSL)概念来较为合理地描述变形过程中的有效应力路径和临界状态;②采用一个应力软化模型来描述剪胀和定义超静孔压变化引起的骨架曲线的软化与硬化;③基于笔者等提出的液化后大变形理论来描述初始液化后产生的大剪切变形。文中通过对室内循环剪切试验结果的模拟,验证了模型的预测能力。该模型适用于水平饱和砂土地基的有效应力地震反应分析。     

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。     

可液化土层中地下车站的地震反应分析

由于液化后应力应变行为模拟的困难及数值计算的不稳定性,可液化土层中地下结构的动力反应分析是岩土工程的难点课题之一。基于作者提出的能够模拟饱和砂土液化后大应变响应的弹塑性循环本构模型,采用完全耦合的饱和土动力反应分析程序,对阪神地震中破坏的大开车站进行分析,说明考虑液化变形的土与地下结构动力相互作用分析方法及其有效性。从饱和砂土单元在液化过程中的应力应变响应角度,揭示了地层和车站的大剪切变形与饱和砂层液化程度的关系,分析了大开车站地震破坏的原因。     

砂土液化变形的数值模拟

基于模拟饱和砂土液化后大应变响应的弹塑性循环本构模型及相应的数值算法,采用完全耦合的饱和土动力反应分析程序SWANDYNE II,对VELACS项目中的三个动力离心模型试验(饱和松砂水平地基、饱和松砂倾斜地基、松砂和密砂的水平组合地基)进行了数值模拟。数值模拟较好地再现了离心模型试验测得的加速度响应、超静孔压响应及变形累积过程,给出了典型土单元的应力应变曲线和有效应力路径,从土的应力应变响应的角度较好地解释了模型中超静孔压的产生、扩散、消散过程以及液化大变形的发展过程。     

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。     

垂向荷载作用下饱和砂土的液化分析

 博士学位论文摘要　在对近40 a 来关于饱和砂土液化的研究工作调研的基础上, 就垂向荷载作用下饱和砂土液化问题, 进行了一维应变分析, 得到了垂向荷载作用下, 饱和砂土液化的发展过程以及砂土液化区域的扩展过程这两方面的特性。首先, 在固结仪上对往复荷载作用下有侧限的饱和砂土的本构关系进行了系列实验。实验材料包括松散细砂、密实细砂、松散粗砂(分别代表不同密实度和不同颗粒粒径构成的砂土) 。实验过程中, 加卸载路径有等幅的情况, 也有任意的情况。根据实验数据给出了用双曲线表述的应力2应变关系。这种形式的表述, 既避免了用切线模量形式表述的困难, 又解决了用对数形式表述的不能用于有效应力接近于零的问题; 而且形式简单, 又便于应用。接着, 考虑到砂土液化是孔隙水和骨架相互作用的结果, 将饱和砂土作为固液两相连续介质, 建立了垂向荷载作用时饱和砂土的一维应变动力学模型。该模型考虑了孔隙率的变化, 将骨架作为弹塑性材料, 且将渗透率与孔隙率的变化相联系, 使其与实际情况尽可能符合; 同时考虑在一般振动条件下的压力范围内, 可以忽略颗粒和孔隙水的压缩性, 使模型更简洁。然后, 在上述本构及动力学模型的基础上, 对饱和砂土的变形和液化发展进行了数值模拟。模拟结果表明, 垂向振动对饱和砂土的液化发展有显著的影响。在垂向振动作用下, 砂土首先在外载作用端产生局部区域的液化, 然后液化区逐渐向远处扩展, 且由于阻力的影响, 扩展速度随着液化区厚度的不断增长而逐渐减小。砂土骨架的可压缩性越大, 即砂土的初始切线模量越小、初始极限应变越大以及初始孔隙率越大, 则砂土的液化发展越快; 外载强度越高, 即外载幅值和频率越大, 砂土的液化发展越快; 砂土的渗流性越小, 排水越困难, 即初始渗透率越小, 砂土的液化发展越快。由此可认识到, 饱和砂土液化实际上是骨架和孔隙水相互作用的结果; 骨架为了抵抗外部扰动将产生压缩趋势, 从而挤压孔隙水, 力图使孔隙水排出,如果孔隙水难以排出, 两种介质的变形就出现不协调; 这就会导致骨架结构破坏、失去承载能力, 即饱和砂土发生液化。这些结果表明, 垂向荷载对饱和砂土液化的影响不可忽略。     

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。     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟Ⅰ：松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验，研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律，应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性，探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明：宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小，其根本原因在于循环荷载往返过程中，组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。     

粗粒土与结构接触面的静动本构规律

进行了系统的粗粒土与结构接触面静动力学试验以研究其本构规律。基于试验得到的宏观和细观测量结果,归纳总结了粗粒土与结构接触面静动力学特性的五条基本规律,即:(1)抗剪强度与法向应力近似成线性关系;(2)在一条法向应力不变条件下的单调剪切应力路径中,剪应力随着剪应变的增加而不断增长并趋向于一稳定值;(3)剪胀体应变由不可逆性和可逆性的体应变分量构成,可逆性剪胀体应变表现出明显的接触面异向性,与剪胀体应变有关的剪应变在总剪应变中所占比例在不同剪切阶段是不同的;(4)压缩性随着法向应力的增大而逐渐降低;(5)受载过程中发生物理状态及力学特性的演化并逐渐趋于稳定。     

砂土的可逆性和不可逆性剪胀规律

基于对较高精度的砂土扭剪试验成果的分析,表明砂土的剪胀是由一个完全可逆的体应变分量和一个不可逆的体应变分量构成的。前者取决于现时剪应变的大小,后者则主要取决于剪切作用的历史。砂土剪胀的可逆性与剪切过程中相对滑移机制以及颗粒转动引起的砂粒集合平均定向率的可逆变化有关,而砂土剪胀的不可逆性则可能是剪切过程中砂颗粒破碎、平均孔隙率减少及大孔隙消失的结果,它们分别服从不同的剪胀规律。     

剪胀性砂土地震后流滑的机理和模拟

不均匀地层中超静孔压的扩散、重分布过程会导致孔隙水集中渗流累积至局部区域,导致该区域土体强制吸水,从而引发剪胀性砂土边坡地震后侧向流动变形甚至失稳。通过分析边坡流动变形过程中砂土的应力路径特征及强制吸水条件下的体变平衡条件,指出预测剪胀性砂土边坡流动变形的关键是描述砂土保持常剪应力和当前峰值应力比时的剪胀特性和震后再固结体变特性。通过常偏应力下的三轴剪切吸水试验,观察了砂土在流动变形过程中的吸水量与剪应变发展的关系,给出了基于强制吸水体变预测流动剪应变的状态剪胀模型。基于剪切后再固结试验,得出了再固结体变的变化规律和数学描述。基于所提出的机制和数学描述,给出了基于有限差分法的边坡流动变形发展过程直至失稳破坏的模拟方法。     

Stress–dilatancy relationships of sand in the simulation of volumetric behavior during cyclic torsional shear loadings

In order to describe the volumetric behavior of soil subjected to shearing, a relationship that deals with the ratio of plastic strain increments to stress ratio (i.e. a stress–dilatancy relationship) is required in addition to the stress–shear strain relationship. In view of the above, stress–dilatancy relationships during cyclic torsional shear loadings were experimentally investigated in the current study. Based on the experimental results, a bilinear non-unique stress–dilatancy model was proposed for stress controlled drained cyclic torsional shear loading. The stress–dilatancy relationships during virgin loading and subsequent cyclic loading were modeled separately by considering the effects of stress history (over-consolidation or normal consolidation). Then the volume change of Toyoura sand specimens subjected to cyclic torsional shear loading was simulated by combining the simulation of stress–shear strain relationship with the proposed stress–dilatancy relationships. It was observed from the comparison of the experiment results with the simulation of volumetric strain that, after combining with accurate modeling of stress–shear strain relationship, the proposed stress–dilatancy relationship can reasonably simulate the volumetric behavior of sand subjected to various drained cyclic torsional shear loadings.     

Evaluation of post-liquefaction volumetric strain of reconstituted samples based on soil compressibility

In this study, we performed undrained cyclic–torsional–shear tests on clean and silty sands to examine post-liquefaction volumetric strain. Accordingly, we proposed a novel density index—ultimate volumetric strain—to evaluate the density of clean sand and silty soils; the proposed density index is based on soil compressibility. We discussed the test results with respect to relative density, skeleton void ratio, and ultimate volumetric strain. Consequently, we confirmed that ultimate volumetric strain showed good correlation with post-liquefaction volumetric strain irrespective of soil type, whereas values for relative density and skeleton void ratio were discordant. Further, we observed that, compared to maximum shear strain, accumulated shear strain was a better index for representing the effect of loading history. From these results therefore, we proposed a chart to evaluate post-liquefaction volumetric strain based on ultimate volumetric strain and accumulated shear strain.     

Monotonic and Cyclic Tests of Interface between Structure and Gravelly Soil

Monotonic and cyclic behavior of the interface between a structure and gravelly soil was investigated using systematical tests. A series of monotonic and cyclic tests of the interface between a steel plate and gravel were conducted using a large-scale test apparatus through varying gravel types, surface roughnesses of steel plates, normal boundary conditions, magnitudes of normal stress and displacement amplitudes. Microscopic movements and crushing process of soil particles were measured coupled with macroscopic stress-displacement relationship response. Based on the results, it is concluded that monotonic and cyclic behavior of the interface between a structure and gravelly soil is significantly different from that of gravelly soil itself. Main behaviors of the interface includes: (1) shear strength is proportional to normal stress; (2) the interface between a steel plate and gravel exhibits insignificant strain softening; (3) normal displacement accumulates and the accumulation rate decreases with increasing shear cycles, but varies in well-regulated manner within a single shear cycle; (4) shear deformation is composed of indispensable slippage component on the contact surface and soil deformation component constrained by the structure nearby while the latter mainly contributes to volumetric change due to dilatancy; (5) mechanical response is dependent on shear direction due to cyclic shear application after an initial shear application; (6) evolution of stress-displacement relationship response are governed by the evolution of physical state including particle crushing and soil compression due to shear application; (7) main factors influencing on behavior include surface roughness of the structure, characteristics of the soil and magnitude of normal stress.     

考虑可逆与不可逆剪胀的粗粒土动本构模型

在边界面塑性理论的框架内,建立了一个新的粗粒土动本构模型。在模型中,剪胀体应变由一个可逆的体应变分量和一个不可逆的体应变分量构成。前者取决于当前剪应力的大小和方向,后者主要取决于剪切作用的历史,它们分别服从不同的剪胀规律。建立了描述可逆剪胀与不可逆剪胀体应变的数学表达式,探讨了可逆和不可逆剪胀体应变分量对应力应变关系的影响,并通过数值模拟与试验结果的对比对模型进行了初步验证。     

基于梯度塑性理论的岩样单轴压缩扩容分析

采用梯度塑性理论，对岩样剪应变局部化引起的扩容进行了理论分析。假设岩石的剪切本构关系为弹性-应变软化双线性，局部化启动于应力峰值强度，利用局部塑性剪应变与局部塑性体积应变的线性关系，得到了局部塑性体积应变、局部塑性体积增量及剪胀引起的剪切带总塑性体积增量的解析式，这体现了该理论在研究剪胀问题时的优越性。另外，还得到了弹性阶段及应变软化阶段的轴向应力-体积应变曲线的理论关系。塑性体积应变是专指由剪切带剪胀而引起的，因而，轴向应力．体积应变不具有尺寸效应，与局部化带的尺寸无关，但扩容角、剪切降模量及泊松比却对该曲线有重要影响。在弹性阶段及应变软化阶段轴向应力-体积应变均呈线性。在相同的应力水平下，扩容角越大则剪胀程度越大；剪切降模量越大，剪胀程度越小。在应变软化阶段，泊松比不影响塑性体积应变。     

饱和砂土循环流动的三维多重机构模型(英文)

根据虚功原理建立了一个饱和砂土循环流动的三维多重机构模型。砂土的复杂变形特性用一个宏观的体变机构和空间上离散分布的一维等价微观剪切机构来模拟。每个一维等价微观剪切机构由一个微观应力应变关系和一个微观应力剪胀关系组成。文中给出了宏观材料参数与微观材料参数之间的关系 ,并成功地模拟了饱和砂土循环流动的室内试验