波浪荷载下含细粒砂土动力特性试验研究

采用空心圆柱扭剪仪对含细粒饱和砂土进行动力特性试验。试验结果表明:波浪荷载作用下,砂土的液化周次明显小于动三轴和动扭剪试验的振动周次;随着细粒含量的增大,含细粒砂土的液化周次先减小后增加,细粒含量为10%左右时最小;细粒含量较小时,含细粒砂土超静孔隙水压发展规律类似纯砂,当细粒含量达到15%以上时,逐渐呈现出类似黏土的规律;细粒含量、有效围压对模量归一化曲线无影响;掺加细粒后砂土的阻尼比归一化曲线受围压影响比较明显,有效围压越大,阻尼比越小。     

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。     

细粒含量及固结应力对饱和砂土动剪切模量和阻尼比影响试验研究

土的动剪切模量和阻尼比是描述土体动力特性的两个主要参数。利用美国GCTS公司研制的TSH-100型共振柱试验仪对等压固结条件下饱和砂土的动剪切模量和阻尼比进行测试,研究细粒含量(FC)和固结应力对动剪切模量和阻尼比的影响。试验结果表明:各固结应力水平下,细粒含量对砂土动剪切模量和阻尼比的影响规律趋于一致。当0≤FC≤10%时,随着细粒含量的增加,砂土的动剪切模量逐渐减小,阻尼比则逐渐增大;当10%FC≤40%时,随着细粒含量的增加,砂土的动剪切模量逐渐增大,阻尼比则逐渐减小。细粒含量相同的砂土,随着固结应力的增大,动剪切模量呈增大趋势,阻尼比呈减小趋势。     

循环加载频率对砂土液化模式的影响试验研究

为了研究循环加载频率对饱和砂土的液化特性的影响,针对密实度为35%、50%、70%的福建标准砂进行了振动频率为0.05Hz、0.1Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz的循环扭剪试验,并对密实度为50%的珊瑚砂和细砂进行了振动频率为0.1Hz和1Hz的循环扭剪试验。结果表明:无论是松砂还是密砂,其剪胀剪缩特性与加载频率密切相关,在低频荷载作用下表现出显著的剪胀特性,达到初始液化后孔隙水压力波动,土体仍具有抵抗液化能力,呈现"硬化型"液化模式;在高频荷载作用下表现出显著的剪缩特性,达到初始液化后孔隙水压力保持稳定,循环液化模式呈现"软化"特征,珊瑚砂和细砂的孔隙水压力特征和液化模式也同样受加载频率的影响,说明循环加载频率显著影响饱和砂土的剪胀剪缩特性,进而影响液化模式;液化阶段产生的流滑变形大小与加载频率密切相关,低频荷载作用下所产生的流滑变形显著大于高频荷载作用下的流滑变形。     

大应变下干燥橡胶砂动力特性试验研究

橡胶颗粒–砂混合物(橡胶砂)作为一种廉价耗能材料应用广泛,但关于其在大应变幅值范围内的模量和阻尼比特性的研究较少。本文应用循环单剪试验,对7种配比的干燥橡胶砂在4种固结压力下的动剪模量和阻尼比特性进行研究,得到其在10-3~10-1应变幅值范围的变化规律。结果表明,橡胶砂在大应变下:(1)动剪模量相对于纯砂动剪模量衰减,衰减系数随着橡胶含量的增大而降低,随着动应变幅值的增大而减小。(2)阻尼比相对于纯砂阻尼比呈增大趋势,增大系数随着橡胶含量的增大而增大,随着应变幅值的增大而减小。(3)固结压力对橡胶砂相对于纯砂动剪模量衰减系数影响较小,但对阻尼比增大系数影响较明显,表现为固结压力越高,阻尼比增大越多,随着动剪应变幅值增大,固结压力对阻尼比影响减小。(4)循环次数对橡胶砂动剪模量和阻尼比影响明显,随着橡胶含量的增加,此影响减小。     

等增量循环荷载下砂岩的变形特征试验研究

根据南京秦淮东河新开挖河道高边坡的受力情况,对该工程穿越地段的黄马青组(T_(2h))砂岩进行了应力水平不断提高的等增量单轴反复加载、卸载试验,并对其变形及破坏特性进行了研究。试验结果表明,岩块中不含明显结构面时,岩石可能发生拉裂和剪裂破坏。随着循环次数的增加,卸载后岩石中塑性变形逐渐增大,滞回环包络线在轴向应力较低时呈上凹型曲线。根据塑性变形速率随应力增大后的变化情况,可将岩石变形分为初始变形(空隙压密)、等速变形(微破裂稳定发展)、加速变形(裂隙贯通)后整体破坏三个阶段。岩石的变形模量随循环次数的增大先增大后减小,而阻尼比的变化规律与变形模量相反,但变形模量变化规律的转变较阻尼比滞后。岩块中包含明显的结构面时,变形模量随着循环次数的增大而不断降低,阻尼比的变化规律则较复杂,且循环加载导致岩石强度下降幅度显著,不含明显结构面的岩石强度受循环加载影响降幅较小。     

砂土循环累积变形规律与显式计算模型研究

海洋基础在上部结构风和波浪等长期循环荷载的作用下产生累积变形,易影响海上风电机组等构筑物的正常服役性能,其本质是基础周边土体的循环累积变形问题。针对该问题,开展了一系列饱和砂土在排水条件下的循环剪切三轴试验,研究了动应力比、初始密实度、初始平均应力和初始静应力比等土性和应力参数对循环累积变形的影响,发现随动应力比、初始平均应力和初始静应力比的增大及初始密实度的减小,饱和砂土的轴向循环累积应变增大。从试验数据分析来看砂土轴向循环累积应变和循环次数之间近似存在双对数线性关系。将砂土轴向循环累积应变与第一次循环轴向应变归一化能消除上述土性和应力参数的影响,进而分析了第一次循环轴向应变与土性和应力参数之间的关系,通过引入与密实度相关的砂土抗剪强度计算表达式,建立了饱和砂土在排水条件下的循环累积变形显式计算模型,适合海洋基础长期循环累积变形分析。     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明:在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%~25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%~6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈"波浪式"减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。     

压扭耦合作用下粉砂土的双向动模量与阻尼比研究

为了研究振动频率和相位差对粉砂土双向动模量和阻尼比的影响,利用空心圆柱扭剪仪进行了一系列轴向与扭转向双向动荷载耦合作用的试验。结果表明:双向动荷载耦合作用下,振动频率和相位差对轴向动应力-应变关系曲线和扭转向的剪应力-应变关系曲线均有一定影响。振动频率和相位差对粉砂土的动剪切模量没有影响,只是相位差q=90°的初始动剪切模量最大。振动频率和相位差对粉砂土动压缩模量有一定影响,同一动应变处的动压缩模量随振动频率的增加先增大后减小,相位差q=0°时动压缩模量最大,q=90°的最小。振动频率对于粉砂土的动剪切阻尼比和动压缩阻尼比均没有影响,但是相位差对动剪切阻尼比和动压缩阻尼比都有较显著的影响,达到相同剪应变时,q=0°和180°时的动剪切阻尼比基本重合且明显高于q=90°的动剪切阻尼比;而相位差q=90°时的动压缩阻尼比在动应变达到0.1%之后增加较快,显著大于其他相位差的阻尼比。     

甘南地区黄土的动模量与阻尼比特性研究

通过室内动三轴试验,研究了甘南地区次生黄土的动本构关系,得到了模型参数,分析了甘南黄土的动剪模量比和阻尼比发展特征,提出了动剪切模量衰减模型和阻尼增长模型;并通过归一化处理和模型参数比较,对次生黄土与风成黄土动剪模量比和阻尼比的差异性进行了讨论。结果表明:次生黄土的动本构关系服从双曲线模型,模型参数a值较风成黄土无明显差异,但b值为相同条件下风成黄土b值的1.5~3倍,且模型参数与天然含水率、干密度等物性参数和固结围压不存在明显的相关性。次生黄土的初始动弹性模量E_(dmax)受固结条件、密度影响较大,相同条件下残坡积黄土的E_(dmax)较冲洪积黄土小。次生黄土的动剪模量比随动剪应变增大而减小,变化趋势满足负指数衰减模型;阻尼比随动剪应变的增大而增大,变化趋势服从对数关系;相比于风成黄土,其动剪模量比随动剪应变的增加衰减更快,阻尼比增长范围较窄,表明沉积环境对黄土动力特性的差异性影响显著。     

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。     

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。     

Static liquefaction and effective stress path response of Kutch soils

The current research is focused on the static liquefaction and effective stress path characteristics of soils of the high seismicity Kutch region, India. In previous studies, the effects of the fines content and the plasticity of the fines on the undrained behavior were explored in a controlled and systematic manner with either non-plastic or plastic fines added to standard or river sands. The undrained characteristics of natural soil deposits having the simultaneous presence of both silt and clay fractions have not been explored. In the present study, the effects of a varying fines content and the nature of the fines on the static liquefaction and effective stress path characteristics of various soil deposits in the Kutch region at their in-situ densities have been studied. Various liquefaction indices were determined to quantify the static liquefaction, namely, the undrained brittleness index, the collapse potential, the liquefaction potential, and the resistance to further deformation. The variation in these parameters was analyzed in the context of the fines content, silt content, clay content, and plasticity. The effective stress paths of the Kutch soils exhibited a strain softening, limited strain softening or strain hardening response and their behavior was controlled by the fines content and its nature. Due to the presence of non-plastic fines, and irrespective of the content, the silty sands exhibited intense strain softening which was captured by the liquefaction indices.     

深部人工冻土抗变形特性研究

本文通过模拟深部人工冻结土体固结、冻结、受力的实际过程,研究了反映冻土变形特性的割线弹性模量在应变不超过0.5%时随应变变化的趋势,讨论了两种不同土质、加载卸载、冻结温度和初始围压对深部冻土割线弹性模量的影响以及对冻土屈服后割线弹性模量衰减速率的影响,得出以下结论:深部冻土应力-应变曲线的弹性变形范围约为0.05%左右,且不受土质类型、加载卸载、冻结温度和初始围压的影响;但深部冻土的抗变形能力、冻土屈服后其抵抗变形能力的衰减速率强烈的依赖于土质类型、加载卸载、冻结温度和初始围压的高低,研究表明屈服前提高冻土抗变形能力的诸因素在冻土发生屈服后,都将加快冻土抗变形能力衰减的速率。     

Dynamic properties and liquefaction behaviour of cohesive soil in northeast India under staged cyclic loading

Estimation of strain-dependent dynamic soil properties, e.g. the shear modulus and damping ratio, along with the liquefaction potential parameters, is extremely important for the assessment and analysis of almost all geotechnical problems involving dynamic loading. This paper presents the dynamic properties and liquefaction behaviour of cohesive soil subjected to staged cyclic loading, which may be caused by main shocks of earthquakes preceded or followed by minor foreshocks or aftershocks, respectively. Cyclic triaxial tests were conducted on the specimens prepared at different dry densities (1.5 g/cm³ and 1.75 g/cm³) and different water contents ranging from 8% to 25%. The results indicated that the shear modulus reduction (G/G_max) and damping ratio of the specimen remain unaffected due to the changes in the initial dry density and water content. Damping ratio is significantly affected by confining pressure, whereas G/G_max is affected marginally. It was seen that the liquefaction criterion of cohesive soils based on single-amplitude shear strain (3.75% or the strain at which excess pore water pressure ratio becomes equal to 1, whichever is lower) depends on the initial state of soils and applied stresses. The dynamic model of the regional soil, obtained as an outcome of the cyclic triaxial tests, can be successfully used for ground response analysis of the region.     

热损伤花岗岩三轴卸围压力学特性试验研究

利用岩石伺服试验系统,对经历25℃~900℃作用后的花岗岩试样进行三轴卸围压试验,研究高温后花岗岩在卸荷路径下的变形特性、参数特征及破坏形态。结果表明:经历300℃后的岩样围压卸荷量最少,最容易发生破坏。基于应变围压增量比,定量揭示了卸荷破坏是由强烈的径向变形和体积扩容所致。随着温度上升,各应变围压增量比均先增大后减小,在300℃时达到最大。卸荷过程中岩样的变形模量逐渐减小,25℃~900℃之间,减小33.20%~59.11%,且温度越高减小越多,与体积应变均呈二次多项式相关;泊松比逐渐增大,25℃~900℃之间,增大164.96%~274.03%,且温度越高增加越多,与体积应变均呈线性相关。高温后的岩样在单轴压缩下均呈轴向劈裂破坏,并存在多个贯通裂纹;在三轴压缩下为宏观单一的贯通剪切破坏形态;三轴卸围压下破坏形态则比较复杂,常温时为高角度的局部剪切破坏,随温度升高,岩样变为贯通剪切破坏,到900℃时又变为局部剪切破坏。     

侧向卸荷条件下软土典型力学特性试验研究

 针对侧向卸荷条件下软土变形、强度、蠕变等典型力学特性,选取珠三角洲相沉积的典型灰黑色淤泥质软土进行室内三轴试验研究。试验结果表明：侧向卸荷条件下的应力–应变规律呈应变硬化现象,可采用平均应力进行归一;土样在侧向卸荷条件下进行不排水剪切时会产生负的孔隙水压力,使得有效应力强度反而低于总应力强度,与轴向加荷条件下的强度规律不同;侧向卸荷条件下的初始卸荷模量小于轴向加荷条件下的初始卸荷模量,与平均固结压力呈线性关系;任一时间的卸荷变形模量仍可表示为切线模量,并可通过试验成果推导得出;侧向卸荷条件下软土蠕变变形比轴向加载显著,即使在偏应力不大时仍占总变形的较大比例;应变率随时间的下降呈较好的双对数线性关系,可以建立考虑剪应力水平对初始应变率影响的线性经验公式来估算某级荷载下应变率随时间的发展。     

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.     

考虑阻尼修正的Pyke滞回模型研究

阻尼比反映了土体滞回耗能的特性,是土的重要动力特性参数。土的滞回本构模型能同时真实反映土的动剪模量衰减和阻尼比非线性变化特性,是保证场地及土–结构体系动力响应分析精确度的关键。针对经典的Pyke滞回本构模型,基于文献实测的动剪模量曲线和阻尼比曲线,研究了其对土体阻尼比的预测精确度,发现Pyke模型在大应变幅值时将显著高估土的阻尼比。针对此缺陷,结合前人提出的基于阻尼的滞回曲线方程和Pyke模型加卸载准则,提出了考虑阻尼修正的D-Pyke滞回模型。该模型假设双曲线形滞回曲线的饱满程度由形状系数确定,而后者则由当前加载曲线的滞回应变幅值所对应的实测阻尼比确定。滞回曲线的应变幅值与应力幅值之间通过骨架曲线相互关联,而应力幅值则由Pyke所建议的加卸载准则确定。通过针对粉质黏土的循环单剪试验结果,验证了D-Pyke模型相比于Pyke模型能够更为合理地同时模拟土的非线性动剪模量和阻尼比特性。模型同时继承了Pyke模型能更好地模拟土的循环加载棘轮效应、加卸载准则简单的优点,可为随机动力荷载作用下土体响应问题分析提供合理的本构行为模拟。