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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

砂土应力路径试验的数值模拟

在一组应力路径试验的基础上,利用砂土的状态相关本构模型,对不同应力路径下饱和砂土在三轴固结排水剪切过程中的变形特性进行模拟。将模拟结果与试验结果进行比较,发现这种状态相关本构模型不仅能够较好地模拟出不同应力路径下砂土固结排水试验的应力–应变关系和紧砂的应变软化现象,而且能够反映出砂土的剪缩和剪胀等变形特性,但是在模拟拉伸应力路径下砂土的体积应变变化趋势方面有待于进一步的研究和改进。     

强硫酸钠盐对饱和砂土动力特性影响的试验研究

为了研究强硫酸盐对饱和砂土动力特性的影响,配制五种不同工况饱和砂土试样。通过动三轴仪对试样土体进行动力特性试验,通过试验得到试样土体的应力曲线、应变曲线、动剪应力应变滞回曲线。结合ANSYS软件,模拟不同工况下饱和砂土的路基模型,分析其在地震荷载下Y轴的应力变化规律。结果表明：当土体达到液化时,含盐饱和砂土较不含盐饱和砂土所需振动次数更多;含盐饱和砂土中,10%含盐饱和砂土较其他三种土体达到液化时所需振动次数更多;当硫酸盐含量适当时,土体的动力特性高于普通砂土,而当硫酸盐含量继续增加时,土体的溶陷特性大于抗液化性能,土体刚度降低,抗液化性能降低。     

基于Gross方程的饱和砂土液化后流动特性模型

将液化后的饱和砂土视为一种流体,其流动特性表现出类似剪切稀化非牛顿流体的特性。根据非牛顿流体力学理论分析液化后饱和砂土的流动特性发现,当处于零有效应力状态时,可以用纯粘性流动本构模型较好地描述砂土的剪应变率表观黏度关系。通过拟合动扭剪试验结果的流变曲线,对比分析了几种常用的纯粘性流动本构模型,发现Gross模型可以较好且较简洁地描述液化后砂土零有效应力状态时的流动特性。通过对拟合参数的分析,建立了基于Gross模型的液化后饱和砂土零有效应力状态的流动本构模型,得到时间量纲下的参数K以及零剪切表观黏度η_0和极限剪切表观黏度η_∞的函数关系。考虑相对密实度、固结应力和应力历史对模型参数的影响,阐释了模型参数的函数关系以及物理意义。     

高频振动时振动频率对饱和密砂动力特性影响试验研究

为研究饱和密砂土地基高频振动沉桩过程中土体动力特性,采用高频振动三轴仪对饱和密砂土进行不同振动频率下的振动液化试验,根据试验结果,给出液化时间t、液化振次NL、振动频率f三者的关系式。研究频率改变对动孔隙水压力随时间振次增长的影响,并将试验得出的孔压比和振次比关系与已有的动孔压应力模型比较,发现频率的提高会改变曲线形态。频率对饱和密砂振动过程中轴向应变的发展有显著影响,频率提高会降低砂土液化时的轴向应变,不同的振动频率会改变砂土液化前轴向应变随时间和振次的增长速度,影响轴向应变比与振次比关系。     

易贡远程高速滑坡形成原因试验探索

 针对易贡远程高速滑坡的高速、长距离等特点,结合环剪试验可模拟大位移剪切的特点,通过不同剪切速率下环剪试验以及排水和不排水条件下的对比环剪试验分析易贡远程高速滑坡的形成原因。结果表明,高速剪切使孔隙水压力不能及时消散,剪切过程引发孔隙水向剪切面运移,剪切面土体含水量和细粒含量明显高于剪切面上下层土体,以致剪切面液化。不排水剪切条件下的有效内摩擦角比排水剪切大幅降低,初步揭示了剪切速度越高,土体强度越低,两者交互作用的滑坡加速促进原因。     

液化场浅埋地下结构动力特性数值分析

应用FLAC3D作自由场典型液化数值模拟试验、刚性结构对液化场影响试验、液化场浅埋地下结构动力特性试验、弹性场浅埋地下结构动力特征比对试验。试验结果再一次揭示了砂土液化典型特性:体积压缩积累增大, 有效应力降低, 超静孔隙水压升高。试验证实了液化的隔振作用:砂土在液化状态不能传递剪力,其加速度、速度、位移振幅显著衰减。试验得出: 刚性结构有抑制周围土液化的作用。计算结果表明,液化场中浅埋地下结构的加速度反应比弹性场要小,但液化场中结构的应力应变却比弹性场大。在场地基底水平振动荷载作用下,弹性场浅埋地下结构的受力变形特点以剪切型变形为主,液化场浅埋地下结构受力变形特点以对称弯曲型变形为主。     

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。     

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。     

Static liquefaction-triggering analysis considering soil dilatancy

The failure of a sloping ground due to static liquefaction occurs when the shear stress applied by a monotonic triggering load exceeds the undrained yield (peak) shear strength of the saturated liquefiable cohesionless soil. Current practices for determining the in-situ undrained yield strength for grounds subjected to static shear stress rely on either a suite of costly laboratory tests on undisturbed field samples or empirical correlations based on in-situ penetration tests, which fail to account for the effect of soil dilatancy in decreasing the degree of strain-softening and the brittleness of cohesionless soils with an increasing penetration resistance. In this study, the effect of soil dilatancy on the static liquefaction failure of cohesionless soils is characterized by an empirical relationship between the soil brittleness index and the undrained yield strength from a database of 813 laboratory shear tests collected from the past literature. The application of this relationship for estimating the static liquefaction-triggering strength of cohesionless soils under sloping ground conditions is validated by comparing several cases of liquefaction flow failures. Finally, a procedure is briefly demonstrated for evaluating the triggering of static liquefaction in a dyke to the north of Wachusett Dam and Duncan Dam which incorporates the dilatancy behavior of cohesionless soils in a semi-empirical procedure based on in-situ penetration tests.     

饱和黄土边坡的动力失稳机制研究

通过对无限边坡的拟静态平衡分析和考虑饱和黄土在地震作用下动孔隙水压的增长规律,探讨了动孔隙水压对饱和黄土无限边坡地震期间和震后稳定状态的影响。分析表明,地震时孔隙水压累积导致的抗剪强度衰减会导致边坡发生永久变形,甚至导致整体滑动破坏或因黄土液化而发生流滑破坏。引入一个粘聚力界限值来区别黄土边坡的最终破坏模式,以及动孔压比的两个界限值来评价抗剪强度衰减对其破坏机制的影响。最后给出了此类边坡稳定状态的判别图,并建议了分析步骤。     

Numerical study on liquefaction characteristics of granular materials under Rayleigh-wave strain conditions using 3D DEM

In liquefaction analyses, liquefaction is conventionally assumed to originate from the vertical propagation of shear waves. However, some field and theoretical evidence has demonstrated that the risk of liquefaction may be induced or increased by surface waves. In this study, the liquefaction characteristics of K₀-consolidated granular materials under Rayleigh-wave strain conditions, ideal deformation conditions under the assumption of constant volume, were investigated by the three-dimensional discrete element method (3D DEM). The results indicate that Rayleigh-wave strain conditions combine pure and simple shear modes. As the ratio of the shear strain amplitude to the normal strain amplitude (RSN) increases from 1 to +∞, granular materials tend to have a slower liquefaction rate and higher liquefaction resistance; however, the difference in the undrained responses is negligible when the RSN is less than 1. The distribution of the magnitude and orientation of the contact forces also varies with the RSN, while it is similar when the RSN is less than 1. The degradation of the skeleton structure and the evolution of the structural anisotropy accelerate the liquefaction of granular materials. Moreover, in situations with the same accumulated equivalent strain per cycle, the Rayleigh-wave strain condition with a low RSN value will make granular materials more vulnerable to liquefaction compared with Love- and SH-wave strain conditions.     

砾性土层液化的触发条件

天然沉积砾性土场地液化是一个超出现有认识与现有规范的新问题,其触发条件至关重要,从震害现场调查提炼出相关认识最为可靠,是后续研究的基础和导引。鉴于2008年汶川地震砾性土液化规模远超以往,以其调查结果为主,综合历史砾性土液化全部资料,提出砾性土层液化的触发条件。现有资料分析表明:0.15g应为触发天然沉积砾性土层液化的地表最低地震强度,大规模砾性土层液化发生则需要0.2g~0.4g(Ⅷ度区)的地震强度;松散和接近松散状态是天然砾性土层液化的基本条件,液化砾性土密实度可随地震强度增大而增高但仍以稍密状态为上限;液化砾性土含砾量可达85%及更大,并且不随地震强度减弱而降低;高剪切波速天然砾性土层会发生液化,砾性土与砂土密实程度的剪切波速分界线相差悬殊,砂土液化判别公式不适于砾性土层;上覆渗透性差非液化土层(帽子)的存在是地下砾性土层可发生液化的必要条件,可称为帽子效应,此厚度至少应为0.5 m;地下水位与帽子间不能有过厚的可排水层间隙也是下卧砾性土层可发生液化的必要条件,可称为间隙效应,此间隙上限可取为2.0 m;区别于砂土液化判别方法,砾性土液化判别需要埋藏条件方面的特殊要求,否则容易出现误判。     

Effects of induced anisotropy on multiple liquefaction properties of sand with initial static shear

The multiple liquefaction phenomenon has been attracting the attention of more and more researchers and engineers since the 2010–2011 Christchurch Earthquakes and the 2011 Great East Japan Earthquake. However, little has been known about the multiple liquefaction properties of sloped grounds. In this study, therefore, multiple liquefaction tests that consider the initial static shear stress, which have never been conducted before, were carried out with a special designed apparatus, the stacked-ring shear apparatus. A series of multiple liquefaction tests revealed that induced anisotropy, which is weak against the loading opposite to the direction of the initial static shear stress, was produced by the liquefaction of a sloped ground. As a result, a significant decrease in the liquefaction resistance during the next cyclic of shearing occurred. The indicators which influenced the magnitude of anisotropy were also discussed from the perspective of the reconsolidation procedures, the magnitude of initial static shear stress, and the type of ending of the previous liquefaction stage. In addition, it turned out that in the multiple liquefaction test with a larger initial static shear stress, the re-liquefaction resistance was higher because the shear stress opposite to the direction of the initial static shear stress, causing large negative dilatancy due to anisotropy, was smaller in that test.     

大伙房土坝砂质坝壳抗震设计回顾

１９５２ 年设计大伙房水库工程时,对砂质坝壳抗震问题进行了广泛探索。遍阅苏、美、英书刊,进行砂料临界孔隙比试验。确定采用相对密度０－８３ ,以防止砂料液化,用与此相应的干密度和抗剪强度及水平、铅直两向Ⅷ度地震加速度系数进行拟静力法坝坡抗震稳定计算。施工时,为了达到相对密度的要求,研制了重型机械夯板。１９９２ 年,在坝体挖５ 个试坑测原状孔隙率、干密度,在试验室测得平均相对密度０－８１ ,其中２ 个试样相对密度达１－０ ,用共振柱法和动三轴试验测得最大剪切模量、最大阻尼比、剪切模量－ 剪应变关系、阻尼比－ 剪应变关系、动孔隙水压力比－ 动剪应力比关系。进行静力、动力有限元分析结合上述试验曲线得到坝壳坝基液化度等值线和坝坡抗震稳定安全系数时程曲线。Ⅷ度地震时,液化度最高处为０－６ ,安全系数最小为１－０８ ,满足抗震要求。