砂土液化及液化后流动特性试验研究

根据流体力学中的绕球定常黏性流动理论,在振动台试验的基础上,设计了一套砂土液化及液化后流动特性的试验装置。在振动台模型箱的砂土中埋入可以水平滑动的钢球,当砂土发生液化时使钢球发生水平运动,通过测量钢球所受的阻力来反算液化及液化后砂土的表观动力黏度,进而研究液化及液化后砂土的流动特性。试验中考虑了砂土的初始相对密度、钢球的运动速率、液化后砂土的超孔压比等因素的影响。试验结果表明,液化及液化后状态下砂土的表观动力黏度随着应变率的增大而减小,液化砂土呈现出剪切稀化的非牛顿流体特性。随着液化后超孔压比的降低,表观动力黏度也逐渐增大,通常随着应变率的增大,表观动力黏度–超孔压比曲线逐渐变缓。     

饱和粉土液化及液化后力学特性试验研究

对饱和粉土进行了一系列动三轴液化及液化后试验,即进行饱和粉土液化试验及在饱和粉土液化后孔隙水压力进行了不同程度消散后,再进行三轴剪切试验。探讨了饱和粉土的液化特性以及液化后孔压消散程度对液化后粉土力学特性的影响规律。试验结果表明:饱和粉土的抗液化强度随着所施加动应力幅值的增大而减小;液化后饱和粉土孔压消散程度越大(即再固结程度越大),则液化后粉土的不排水抗剪强度越大,其应力应变关系曲线表现为应变硬化型,土体的切线模量随着应变的增大而减小;液化后粉土的孔压进行了不同程度消散后,再进行的三轴剪切试验中应力应变关系呈对数曲线关系。     

孔压增长后的饱和砂土流体特性及其孔压相关性

设计并完成了可液化饱和南京细砂自由场地基振动台试验。利用不同埋深处量测的加速度反应时程,采用线性插值法通过换算得到模型地基土剪应力和剪应变。进一步基于流体力学方法,研究了饱和砂土在孔压增长过程中表观动力黏度的变化规律。试验结果表明,在正弦波荷载作用下,饱和砂土液化前的表观动力黏度随着剪应变和剪应变率的增大而减小,表现出典型的“剪切稀化”非牛顿流体特性;超孔压比在饱和砂土的表观动力黏度发展变化中起着显著作用,表观动力黏度随着超孔压比的增大而减小,并且利用幂函数可以很好的拟合表观动力黏度与超孔压比的关系曲线。此外,表观动力黏度与孔压比的关系似乎不依赖有效上覆压力,该结论有待进一步验证。     

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     

含黏粒砂土场地液化离心机振动台试验研究

提出了含黏粒砂土模型地基制备、饱和与均匀性监测技术,利用ZJU-400土工离心机振动台开展了相同相对密度含黏粒砂土（黏粒含量10%）和洁净砂的地震液化模型试验,再现了水平场地地震液化现象,揭示了含黏粒砂土场地液化灾变特点。弯曲元波速监测表明,模型制备均匀性良好,相同条件下含黏粒砂土剪切波速比洁净砂低。而根据超静孔压消散与固结沉降观测分析发现,含黏粒砂土渗透系数比洁净砂低一个数量级,从而影响其液化前后超静孔压响应和应力应变行为。渗透性差异导致模型内超静孔压产生模式和消散速率显著不同,振动时含黏粒砂土模型浅层超静孔压累积比洁净砂慢,而深层则相反;震后含黏粒砂土孔压消散时间是洁净砂的15倍。液化过程中含黏粒砂土剪应力应变响应比相同深度处的洁净砂更显著,液化后其滞回圈应变较大、割线模量较小且阻尼比较大。土体液化沉降主要发生在液化后超静孔压消散过程,含黏粒砂土模型超静孔压消散时间更长,沉降量更大。上述成果为进一步研究含黏粒砂土地震响应分析及其液化判别提供了科学依据。     

水泥固化漳州滨海风积砂液化特征试验研究

利用GDS动三轴仪对水泥固化漳州滨海风积砂进行液化强度试验,分析水泥固化漳州滨海风积砂在不同水泥剂量、不同龄期、不同基准应变和不同等幅循环应变幅值下的液化特性。试验结果表明:砂样的抗液化能力随水泥掺量的增加近似呈线性提高;随龄期增长而增强,但基准应变越高,增强越弱;随循环应变幅值的减小而显著增强;基准应变对砂样抗液化能力的影响受水泥掺量的制约。孔压半对数模型可以较好的反应水泥固化漳州滨海风积砂土的孔压发展规律;存在一个临界基准应变,使得抗液化能力随水泥剂量的增加得到最大化提高。     

液化循环流动土体动剪切特性试验研究

循环流动特性是剪胀性砂土液化变形的典型特征,为研究液化循环流动土体的动力剪切特性,在骨架相对密实度分别为35%、50%和80%的砂土中添加不同含量的细颗粒,以改变液化流动土体的重度,通过循环扭剪试验研究不同骨架密度、具有不同细粒含量的液化流动土体在大变形阶段的剪切模量及阻尼比的变化规律。试验结果表明：液化循环流动土体在流动大变形阶段仍具有一定的模量,模量随着应变的增大而逐渐减小;流动变形阶段的模量大小与液化土体的重度基本无关;强度恢复阶段模量与细粒含量及骨架相对密实度密切相关;液化大变形阶段卸载模量趋于稳定,其稳定值约为初始卸载模量的35%;阻尼比随剪应变的增大而先增大,当土体达到初始液化以后,阻尼比随剪应变的发展呈减小的变化趋势;对于相同骨架密度的土体,相变角随着细粒含量的增加而减小,临界状态线的斜率随着细粒含量的而增加而增大。     

砂土液化后大变形的机理

基于试验观察和机理分析,揭示了不排水往返加载条件下饱和砂土初始液化后的剪切大应变和三个体积应变分量(有效球应力变化引起的体变、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变)之间的内在联系,阐明了三个体积应变分量的组合变化规律控制了饱和砂土液化后大变形的产生和发展,界定了液化后循环剪切大变形过程中交替出现的三种物态(摩擦接触状态、临界接触状态和悬浮状态)及其产生条件,解释了液化后流滑和再固结体变形成的机理,给出了一个物理概念明确并具有普遍性的建立液化后大变形弹塑性本构模型的合理途径。     

基于MSF孔压应变模型的核电导流堤地基液化变形分析

针对地震作用下砂层液化引起的海工结构破坏问题,基于有效应力液化判别方法及以Martin-Seed-Finn孔压应变模型为基础的PL-Finn液化后大变形本构模型,对某核电站导流堤结构进行二维和三维数值模拟,并对比分析结果。从平均有效应力、液化区域、超孔压比、残余变形等方面研究导流堤结构地基砂土液化特征和变形机理。数值分析结果表明,两种方法下分析结果表现出一致性的液化规律及变形特征。砂土液化后发生流动使结构出现规律性残余变形,且随地震强度增加而变大。结构左右两侧近似呈对称式侧向滑动,随深度增加沉降范围逐渐减小。SL1作用下结构最大侧向滑移量为1. 11m,最大沉降量1. 26m,最大隆起高度0. 61m。SL2作用下结构最大侧向滑移量为1. 88m,最大沉降量1. 89m,最大隆起高度0. 98m。本文的研究成果可为工程抗震设计提供参考。     

循环荷载下饱和砂土固–液相变特征

基于南京饱和细砂动三轴试验发现,循环荷载下饱和砂土应力–应变率曲线形状随孔压累积由“椭圆形”渐变为“哑铃形”。“哑铃形”关系曲线的出现表明饱和砂土具有低抗剪性和流动性。定义了反映循环荷载下饱和砂土流动性的平均流动系数以及反映流动性随振次变化的流动曲线,发现流动曲线具有明显的三阶段特征。给出了相对密度、有效固结压力和循环应力比对流动曲线的影响规律。提出以平均流动系数急速增长初始点作为饱和砂土由固态向液态转变的临界点,据此定义平均流动系数急速增长初始点对应的孔压比为相变孔压比。试验发现,各工况的平均流动系数与孔压比关系曲线基本一致,相对密度、有效固结压力和循环应力比对相变孔压比几乎无影响,各工况相变孔压比均在0.8左右。     

Laboratory Shear Tests on Viscous Nature of Liquefied Sand

The rate dependent nature of liquefied sand was investigated by laboratory shear tests. Since previous experience has revealed the many difficulties inherent in maintaining the state of liquefaction of a sandy specimen, new measures were attempted. The test results indicate that the measured shear stress consists of frictional and rate dependent components, and a viscosity coefficient was assessed from the latter component. The measured viscosity varies with the rate of strain as well as the magnitude of strain itself. A similar test on a dry specimen revealed less viscosity and implied that a major part of rate dependency comes from the behavior of pore liquid in the case of water-saturated sand. It was interesting, moreover, that sand with fines was of less viscosity. Finally, a numerical analysis was conducted on a real liquefaction-induced ground deformation and the results were consistent with the observation.     

砾性土液化特性与机理

2008年汶川地震之前,全球历史地震中砾性土液化实例不足10例,远远少于砂土液化的数量和规模,实际地震中砾性土液化的发生较为罕见,必然存在较为严格的发生条件,在土性条件、地震荷载、埋藏条件等均满足时才有可能发生。以2008年汶川地震大量砾性土液化为背景,详细分析了砾性土液化实例的水文与工程地质条件、渗透性能与排水边界条件,选取了典型砾性土液化场地并人工探坑获取砾性土试样,开展了试样直径为150 mm的动三轴和振动台对比试验。结果表明:1橡皮膜嵌入效应可以忽略或者进行有效消除后,相同相对密实度下砾性土、砂土的抗液化强度较为接近;2采用Seed等的孔压计算模型,随着动应力水平的逐渐增大,归一化的砾性土残余孔压比向上突起,增长模型趋向于A型曲线;3全球其他历史地震和2008年汶川地震砾性土液化实例中,基本上存在砾性土渗透系数较低或者排水边界条件受阻的情况;4砾性土符合无黏性散粒土体(包括砂土)发生液化的一般机理解释,但是,砾性土产生孔隙水压力上升、有效应力下降的现象,需要具备两个必要条件:1振动作用足以使砾性土的结构发生破坏而振密或土颗粒压碎,产生的剪应变只有大于门槛剪应变时(约0.02%),孔压才会进一步发展,剪应变只有大于一定程度时(约0.1%),孔压才有可能迅速增长直至达到上覆压力;2只有在不排水条件或排水通道不畅通的条件下,砾性土场地才有可能发生液化。     

Coupled Shear Strain-Pore Pressure Responses of Soil in Shaking Table Tests

Shaking table tests on a saturated sand specimen in a laminar shear box were performed to measure the coupled shear strain-pore pressure response of sands subjected to horizontal shaking. Three methods of shear strain evaluation techniques, which use soil motions recorded by embedded sensors within the soil specimen and external sensors on frame, were utilized to evaluate the shear strain-time histories in one-dimensional shaking cases. Coupled shear strain-pore pressure responses throughout the liquefaction process are presented based on evaluated shear strains and measured pore pressures at corresponding depths. More insights of the interactions between the induced shear strain and generated excess pore pressure are also given, including the temporal variations of induced shear strain prior and after the initial liquefaction, development of liquefied zone, and duration of liquefaction state. These spatial and temporal variations of coupled responses reveal that the induced shear strain amplitude is not only an important property in triggering soil liquefaction but also a better index in defining the time of initial liquefaction. Identifications of these coupled features will be beneficial for verifying and interpreting testing data in physical modelling for liquefaction studies.     

饱和砂土液化后流体本构模型研究

利用空心圆柱扭剪仪开展了饱和南京细砂液化后常速率加载试验,考虑了有效固结压力和加载速率对饱和南京细砂液化后流体特性的影响,结果表明:液化后静加载过程中剪应力与孔压比的发展具有明显的二阶段特性,且剪应力与孔压比的发展有着良好的线性相关关系,有效围压及加载速率对二者的关系有着明显影响;据此提出一种符合液化后静加载过程的率相关性及孔压相关性流体本构模型,该模型将构成饱和砂土强度的土颗粒摩阻力与土–水黏滞阻力分别表示为时变型和非时变型剪切稀化流体;最后进行了该模型的验证性试验,并将模型预测结果与其他学者研究成果对比,验证试验及对比结果均表明该模型具有较好的适用性。     

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。     

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。     

前期动载对低塑性粉土静态和动态强度的影响

 低塑性粉土广泛存在于世界范围内,在地震中容易产生液化现象,然而一些基础设施破坏不仅见于地震中也发生在地震后,这就决定了研究低塑性粉土震后行为的必要性。以美国中部密西西比河沿岸低塑性粉土为试验材料,研究动载对低塑性粉土静态和动态强度的影响。在动三轴仪上对试样施加动载引起超孔隙水压力,排水重固结后,分别对2组震动后试样进行静态和动态三轴强度试验。试验结果表明,当液化水平小于0.70时,前期动载对粉土的不排水剪切强度影响不大;相反地,只有当液化水平大于0.70,密西西比河沿岸粉土的震后重固结体积应变和不排水剪切强度才伴随着液化水平的提高显著增加,但相对于砂土而言,重固结体积应变在较低的液化水平时即有明显增加。与前期动载对不排水剪切强度的影响不同,当动载所引起的液化水平为0.35或轴向应变为0.2%时,抗液化强度达到最大值,若液化水平大于0.35,抗液化强度伴随液化水平提高而降低。如果前期荷载引起较大的压应变,在重固结后第二次动载循环中,轴向压力相比轴向拉力引起较小的超孔隙水压力。     

Newton-PCG复合算法在饱和砂土边坡液化数值模拟中的应用

引入Newton-PCG算法,编制了算法程序,建立了流–固耦合砂土模型,实现了饱和砂土边坡液化问题的有限元数值模拟。采用一次牛顿步,和多步预条件共轭梯度子迭代的Newton-PCG复合算法,编制了算法的FORTRAN语言程序。基于临界状态塑性模型框架,给出了饱和状态下砂土固–液耦合模型的本构关系,再现了某饱和砂土边坡液化的力学状态,探讨了水压力分布与流动特性。结果表明:Newton-PCG算法能更有效地进行大规模非线性求解;建立的模型能较好地反映砂土–流体耦合状态下的力学行为;多孔介质中由于流体的流动,孔隙水压力对砂土液化的力学行为影响较大,在局部剪切带即将形成的区域,水压力值明显增大,而且方向指向剪切带的外法线方向;根据液化发生准则,画出了边坡发生液化的滑动面,对于预测边坡的发生具有重要的现实意义。更多还原 AbstractFilter('ChDivSummary','ChDivSummaryMore','ChDivSummaryReset');