细粒含量对粉土动孔压发展模式影响的试验研究

采用多功能静动液压剪切仪进行了粉土动荷载下的孔压试验,探讨了黏粒含量和粉粒含量对重塑粉土动孔压发展的影响。试验模拟大震时细粒含量影响的孔压发展规律,对已有的指数形式孔压模式进行修正,以便模拟初始液化发生后达到一定液化程度的实际情况,该模式包含2个参数a和b。研究结果表明,细粒含量对粉土动孔压发展影响较大,其影响主要体现在孔压发展模式参数b上。粉土中粉粒含量与孔压参数b的关系呈单调的线性关系,而黏粒含量与孔压参数b的关系则不是单调的线性关系,是在黏粒含量为8 %时孔压参数b达到的最大值,试验数据验证该修正的动孔压模式有更广泛的应用性。     

离心机振动台模型试验验证的珊瑚礁砂液化判别方法研究

工程现场珊瑚礁砂场地主要以珊瑚砂、砾组成的宽级配珊瑚礁砂,其砾粒含量分布从20%～90%,其液化特性与普通石英砂有较大区别,如仍采用现行液化判别方法评估珊瑚礁砂场地液化潜势,则容易导致工程场地的抗液化处理设计不经济或无法满足要求。以中国南海岛礁和东帝汶珊瑚礁砂为研究对象开展了原级配大动三轴试验分析,建立了基于抗液化强度(cyclic resistance ratios,简称CRR)与相对密实度Dr关系液化判别方法,并通过离心机振动试验进行对比分析。结果表明,当采取相同地震动工况时,由动三轴试验产生的超孔压比相比模型试验超孔压比大;当持时增加到30周时(对应震级8级),土体液化深度达20m,有效证明了珊瑚礁砂场地遭遇强地震动时具有液化潜在风险。此外,通过液化判别计算,验证了基于CRR-D_r关系的液化判别方法准确率达82.5%,且判别不一致工况的判别结果偏保守,进一步验证了此方法可应用于工程抗液化设计。     

循环加载频率对饱和珊瑚砂液化特性的影响

人们对循环加载频率f对饱和石英砂液化特性的影响已进行大量的不排水循环试验研究,但循环加载频率f对饱和珊瑚砂液化特性的影响尚未引起重视。为探究f对饱和珊瑚砂液化特性的影响,针对中密、均等固结的饱和珊瑚砂试样,开展了f=0.01～1.00 Hz、循环主应力路径90°跳转的系列不排水循环剪切试验。试验表明：孔压比ru和广义剪应变γg的增长速率随f增大而降低,到达初始液化所需的液化次数N_L随f增大而增大;不同循环加载方式引起的广义剪应变幅值γ_ga与峰值孔压比r_umax存在事实上的唯一性关系,且γga可表示为以r_umax为自变量的正切函数;f的增大会减弱试样的剪胀性。引入单元体循环应力比USR作为施加于试样的循环应力水平指标,USR-N_L关系曲线随f的增大而移向右上侧,不同f的USR-N_L关系曲线均服从相同形式的负幂函数。这意味着饱和珊瑚砂的抗液化强度随f的增大而增大。     

中国南海吹填岛礁钙质砂动力特性试验研究

南海对我国经济发展、资源开发与运输、维护国土完整具有战略性意义。目前我国已在南海海域以吹填方式建设了一系列的岛礁,并在其上修建了一系列的结构物（房屋、防波堤、机场等）。作为这些重要结构物的地基材料,珊瑚钙质砂在极端波浪、海底地震等环境荷载作用下的动态响应特性对评价其上结构物的安全稳定性具有重要的意义。以我国南海珊瑚岛礁吹填工程为背景,对取自岛礁吹填体现场的钙质砂样品,以吹填现场实测的颗粒级配和干密度为依据,开展动态三轴循环试验,研究我国南海珊瑚岛礁吹填体钙质砂地基土的动力特性。试验结果表明：岛礁钙质砂受动态循环荷载作用,在排水不通畅的条件下可以达到部分液化状态,在排水通畅的条件下不发生液化;在不排水条件下,岛礁钙质砂归一化的累积孔压u/ 与振次比N/Nf符合Seed提出的反正弦孔压发展模式;在不排水条件下,所有岛礁钙质砂样品的动态变形模量Ed /E0与归一化应变?m /?r之间全部重合在一条双曲线上,表明不排水条件下岛礁钙质砂的Ed /E0与?m /?r之间的关系不受干密度和颗粒级配的影响,具有很好的统一性。     

复杂加载条件下珊瑚砂抗液化强度试验研究

循环加载方式与应力路径对砂土的抗液化强度有很大的影响。利用GDS空心圆柱扭剪仪对南海珊瑚砂进行了一系列复杂加载条件下均等固结不排水循环试验,探讨了90°突变应力路径下主应力方向角对珊瑚砂抗液化强度的影响。试验结果发现：以循环应力比（CSR）作为应力水平指标,当不控制中主应力系数b的变化时,主应力方向角 对珊瑚砂的抗液化强度并无显著影响;当控制b始终保持0.5时,珊瑚砂的抗液化强度随着 的增加呈现出先减小后增大的趋势,且在 45°时的抗液化强度最低。基于分析循环荷载引起的土单元大、小循环主应力 、 变化,定义了单元体循环应力比（USR）作为一个新的物理指标,发现不同循环加载方式与应力路径条件下施加于珊瑚砂试样的USR与引起液化所需的循环次数NL存在事实上的唯一性关系。通过引自文献的4种无黏性土原始试验数据的再处理,独立地验证了以USR表征砂类土液化强度的适用性。     

波浪荷载作用下饱和粉土反正弦孔压拟合参数影响因素分析

为探寻波浪荷载作用下饱和粉土振动孔隙水压力发展规律,试验选用近海地区广泛分布的粉土为研究对象,在不同的相对密实度、偏应力比及振动频率下,利用空心圆柱仪进行了一系列模拟波浪荷载的循环三轴-扭剪耦合试验,探讨饱和粉土在不排水条件下的孔压增长规律。试验结果表明,归一化后的振动孔隙水压力比与振次比之间的关系可以用反正弦三角函数来拟合。通过对不同相对密实度、偏应力比及振动频率下归一化孔压发展曲线的分析可知,随着偏应力比的增大,拟合参数θ呈线性趋势减小,随着相对密实度的增大,θ呈线性趋势增加,振动频率的变化对拟合参数θ影响不大。     

扭剪荷载作用下饱和南京砂不排水特性试验研究

通过空心圆柱扭剪仪对不同相对密实度的饱和南京砂分别进行了单调扭剪不排水、排水试验以及循环扭剪不排水试验。试验结果表明:在单调扭剪试验中,试样相转换线的位置与排水条件无关,但相对密实度较大试样的相转换线斜率小于相对密实度较小的试样。在循环扭剪不排水试验中,对于相对密实度较小的试样,当其有效应力路径接近单调扭剪荷载作用下具有相同初始条件试样的相转换线时,孔压急剧增加,扭剪应变迅速增大,试样出现不稳定现象,随后发生初始液化;对于相对密实度较大的试样,当其有效应力路径接近单调扭剪荷载作用下试样的相转换线时,试样出现循环活动现象,随着循环扭剪荷载的继续施加,有效应力路径表现为以破坏线为边界且呈"蝴蝶"形状的一系列重叠的回滞环,此时孔压在某一常值上下波动,累积孔压不再增加。具有相同初始条件的试样在循环和单调扭剪荷载作用下得到的相转换线几乎相同,这一规律不受相对密实度的影响。     

中国南海岛礁吹填珊瑚砂剪切力学特性

珊瑚砂作为一种特殊的生物碎屑沉积物,我国南海广泛分布,其具有多孔、非均质、非连续等工程特性,作为填岛的材料和工程建设的基础,吹填珊瑚砂的力学特性是珊瑚岛礁工程研究的关键科学问题。中国南海降雨量大,吹填珊瑚砂渗透性好,工程荷载高,含水性和高荷载对于吹填珊瑚砂剪切力学特性的影响非常显著。利用自主研制的土石混合体大型剪切力学试验机,采用中国南沙某岛礁吹填珊瑚砂,在级配和组分分析的基础上,研究不同密实度、含水量条件下高轴向荷载珊瑚砂的剪切力学特性,通过试验结果分析得出如下结论:(1)含水量增加导致吹填珊瑚砂抗剪强度减小,呈负相关关系;密实度增加引起抗剪强度增加,呈正相关关系;(2)含水量对吹填珊瑚砂内摩擦角影响显著,呈负相关关系,含水量大于10%,内摩擦角降低较小;密实度90%时,含水量大于5%,黏聚力降低较小;(3)密实度对吹填珊瑚砂的黏聚力影响规律不明显,密实度对内摩擦角影响较显著,当含水量大于5%时,随着密实度的增加内摩擦角显著增大;(4)在高荷载条件下,含水量和密实度对吹填珊瑚砂抗剪力学特性影响较为显著,含水量小、密实度大的吹填珊瑚砂抗剪特性最强,对于岛礁填岛工程设计及场地条件改性具有指导意义。     

岛礁吹填珊瑚砂力学行为与颗粒破碎特性试验研究

珊瑚砂是岛礁陆域吹填唯一的材料,因其特殊的海洋生物成因和孔隙结构特征,珊瑚砂颗粒在常规工程应力水平下就会发生破碎。通过对取自南海某吹填岛礁的珊瑚砂开展室内三轴固结排水剪切试验,研究珊瑚砂强度、变形参数和颗粒破碎程度随相对密实度、围压的演变规律,并与其他研究成果中的南海珊瑚砂强度参数进行对比分析。研究结果表明：珊瑚砂应变软化及剪胀特征随有效围压的增大、密实度的减小而逐渐减弱;在常规应力范围内,得到珊瑚砂峰值摩擦角和临界状态摩擦角的取值范围分别为33o～58o和28o～47o,且均随有效围压的增大而减小;建立了珊瑚砂割线模量E50与相对密实度、有效围压间的关系式;珊瑚砂峰值摩擦角与修正相对破碎指数Br*间的关系可用指数为负数的幂函数关系式拟合,且当颗粒破碎程度较高时,峰值摩擦角随修正相对破碎指数的增大而减小的趋势变缓;珊瑚砂修正相对破碎指数随塑性功的增大近似以双曲线的形式增长,密实度对两者间的关系影响不大。该研究成果可为南海岛礁基础设施的安全设计提供参考。     

碎石土压实性能试验研究

以现场取得的碎石土为原料,通过筛分试验确定其平均级配,以平均级配为基础,利用代替法设计试验级配。在试样含水量的确定上,结合碎石土的特点,以碎石土中细粒的多少来确定试样的含水量。通过等压制样的试验方法研究了含碎石(质量分数)、含水(质量分数)对碎石土压实性能的影响规律,并从理论上推导了最佳含石量的计算公式,通过理论与试验的对比分析,提出了确定碎石土最佳含水量和含石量的方法。     

纤维加筋砂土抗液化试验与数值模拟

砂土液化是导致重大地震灾害的主要原因之一。本研究探讨了天然纤维加筋砂土在循环荷载作用下的抗液化性能。在不排水条件下,对具有不同纤维含量的加筋砂土试样进行了一系列循环三轴试验,研究了饱和砂土的液化特性以及循环剪应变幅值、纤维含量对饱和砂土抗液化性能的影响。此外,通过模拟已完成的循环三轴试验,建立了二维有限元数值模型,并对具有不同纤维含量的加筋砂土进行了参数标定。研究结果表明:(1)增加循环剪应变幅值将促进超孔压累积,使得滞回曲线斜率和平均有效应力减小速度加快;(2)纤维的存在能够减缓超孔压的累积,随着纤维含量增加,加筋砂土抗液化能力得到明显提高;(3)标定后的本构模型参数能可靠地用于模拟纤维加筋砂土的液化响应。研究结果为饱和砂土抗液化问题与纤维加筋砂土的数值模拟提供了有价值的参考。     

主应力轴旋转下小偏压固结密实粉土崩塌特性及孔压模型研究

为研究主应力轴旋转复杂动应力对偏压固结粉土的性状演变影响,以空心圆柱试样为对象,开展具有不同初始固结比的密实粉土（Dr＝70%）在不排水主应力轴循环旋转下的系列试验。结果表明：①初始固结比不大于1.5时,主应力轴旋转导致试样发生中低应变崩塌,进而液化的脆性破坏模式;而固结比大于1.5时,试样变为应变持续稳定开展至高应变,孔压最终进入动态平衡的延性破坏模式,且不同固结比下试样发生崩塌液化和稳态延性破坏的孔压峰值间不存在交叉。②小偏压固结试样的液化峰值孔压和崩塌孔压均随固结比增加而有规律地下降,但受动剪应力水平影响很小,这与等压固结试样的崩塌孔压值受控于剪应力水平有很大差异。③相同初始球应力水平下,崩塌振次反映的小偏压固结试样强度高于等压固结试样,但在偏压条件下强度与固结比不存在单调变化关系,表明小偏压固结试样崩塌除受制初始围压水平外,很大程度上还取决于偏压程度。④基于上述试验结果,提出了主应力轴循环旋转下小偏压固结粉土的孔压预测模型,该模型不仅突显了崩塌状态对相变及液化破坏的重要预测作用,还反映了固结比和动剪应力对孔压开展的综合影响。     

黄河口不同强度粉土液化特性的试验研究

研制真空压缩装置以制备不同强度的粉土土样,并进行动三轴试验,测试不同强度粉土的液化特性。建立了土的强度与动剪应力比的关系,确立孔压增长模型及其参数,探讨土的强度和动应力对液化的影响。结果表明,（1）真空压缩装置制备土样过程中,土体超孔压在24 h内基本消散完毕,28 d贯入阻力达300～400 N,不排水抗剪强度达8 kPa,达到黄河口软弱土的强度;（2）土的强度与动剪应力比基本呈线性关系,且土的强度越高,孔压增长曲线越呈现上凸趋势,破坏时的孔压比也越大;（3）指数模型能够较好模拟黄河口粉土孔压增长情况,其中参数a和b分别位于0.77～5.63和0.17～4.65之间;对于孔压比上限,参数a, b分别为0.92和4.65;孔压比下限,参数a, b分别为1.25和0.89。     

南沙珊瑚砂的动剪切模量和阻尼比特性试验研究

珊瑚砂的物理力学性质与陆相沉积物有显著的差异。对南沙岛礁饱和珊瑚砂进行了不排水应变控制分级循环加载动三轴试验,研究了有效围压 和相对密实度Dr对饱和珊瑚砂动剪切模量和阻尼比特性的影响。通过与陆源砂砾土试验结果的对比发现：珊瑚砂与陆源砂砾土在最大动剪切模量Gmax、动剪切模量比G/Gmax曲线及其上下界、参考剪应变 、阻尼比? 曲线及其上下界等均存在显著的差异;珊瑚砂的Gmax比陆源砂的大,采用陆源砂Gmax的经验模型,珊瑚砂的Gmax将被低估约30%;珊瑚砂的非线性稍弱于陆源砂砾土,陆源砂砾土G/Gmax和? 的经验公式不适用于珊瑚砂。给出了珊瑚砂G/Gmax和? 的经验公式及相关参数。     

东帝汶帝力市珊瑚砂地基的工程性质

珊瑚砂属珊瑚礁碎屑土,是一种特殊的地质体,具有典型的疏松多孔、硬度低、易碎的特点,由于珊瑚礁仅分布在热带海域,往往位于远离大陆的礁岛,当前对珊瑚礁岩土的勘察研究较少,相关规范也尚未涉及。以实际工程为对象,对东帝汶某珊瑚砂场地的工程性质进行了一些探讨,从标准贯人试验和钻孔剪切波速试验等原位试验结果进行分析,借鉴了目前石英砂工程性质的评价方法作为对珊瑚砂工程性质判断的参考,对珊瑚砂的强度特性和地震液化特性进行了讨论。相对石英砂的一般性质而言,珊瑚砂的标贯击数较低而相应的剪切波速相对较大,珊瑚砂在地震作用下液化的可能性较大。     

饱和粉土振动液化分析

液化是造成场地地震破坏的首要原因之一。自Casagrande的经典工作以来,对地震液化的研究已经取得了很大的进展。然而这些研究大多是针对于砂土而进行的,对于粉土液化研究的相对较少,且粉土的液化特性也有别于砂土。因此,在已有研究的基础之上利用粉土液化试验得出的结果,分析了粉土液化的机理、影响因素以及在振动过程中粉土中孔隙水压力的增长规律,认为粉土中的粘粒含量、密实度以及土的结构性对其抗液化能力有较大的影响。考虑到试验中振动次数的离散性,引入了时间参数的概念,根据动三轴试验结果提出了孔隙水压力增长的经验公式,可以比较方便地应用于计算液化的有限元程序中去。     

基于现场液化试验的饱和砂土孔压增量计算模型

采用现场液化试验,研究水平场地孔压增长模式,提出孔压增量计算模型。通过不同密实度砂土的液化试验,以加速度、埋深、砂土密实度等现场参数为指标构建孔压增量模型,发现现场和室内试验孔压增长模式的区别和联系,并验证该孔压模型的可靠性。研究结果表明：等幅循环荷载下,与现有动三轴等土单元试验的孔压增量随作用次数一直呈单调递减模式不同,现场试验孔压增量随作用次数呈现出先增大后减小的规律,中间存在阈值;通过参数分析和试验实例验证,构建的孔压增量计算模型,可更方便地用于随机荷载下水平场地的饱和砂土孔压计算。     

冲击荷载引起的颗粒破碎对钙质砂液化特性的影响

钙质砂具有孔隙率高、强度低、易破碎的特点。同时,钙质砂在波浪和地震等振动荷载的作用下,也具有发生液化的可能性。为探究钙质砂颗粒破碎与抗液化强度的关系,对南海永兴岛的钙质砂开展了三轴试验研究工作。首先,利用小型手动冲击装置对钙质砂进行破碎处理,获取了不同相对破碎率(Br)的试样,然后利用多功能动三轴仪分别对原始试样和不同破碎程度的试样进行了液化试验。结果表明：在相同围压和密实度条件下,钙质砂的抗液化强度(CRR)随着Br的增大而降低,但降低速率会随着Br的增大而减小。另一方面,相对密实度的增大会削弱颗粒破碎对钙质砂抗液化能力的影响。最后,为了定量评价颗粒破碎对钙质砂抗液化强度的影响,建立了Br-CRR的数学关系。     

含细粒砂土反常剪切行为的数值模拟研究

针对含细颗粒砂土的反常剪切行为,开展了双轴剪切试验的数值模拟,从宏细观角度分析了其反常剪切行为发生的内在机制。数值模拟结果表明,增加围压能提高含细颗粒砂土的抗剪切液化能力,该反常行为的根本原因在于围压上升使得粗细颗粒更有效地参与了力链传递,增加了颗粒间的接触,增强了土体的密实度。细颗粒在土骨架中的移动对砂土的液化起着至关重要的作用,而粗颗粒仅起次要作用。研究表明,细颗粒在剪切过程中会持续从有效土骨架中移出成为无效颗粒,而部分粗颗粒也因失去细颗粒的支撑作用会脱离土骨架,直至试样最终液化。细颗粒一般参与土骨架中的弱力链,而粗颗粒则一般参与强力链,导致细颗粒较粗颗粒更容易在土骨架中移动。     

基于交变移动本构模型的粗粒土动力特性数值解析

粗粒土由于抗剪强度高、易压实、变形较小等优点被广泛应用于各类工程建设中。目前对于粗粒土动力特性的研究较少,理论滞后于工程应用。在工程设计中,通常将粗粒土划分为非液化土类,但在国内外多次强震调查中发现了严重液化的粗粒土,在一定的震动作用下,松散至中密的粗粒土也有可能发生液化。根据国内外地震中发生严重液化现象的粗粒土选取了研究土料的级配,在模型参数标定基础上,使用可描述土体交变移动和液化现象的交变移动(Cyclic-mobility)土体本构模型,探讨了试样端部与试验仪器之间的摩擦、重力场、动剪应力比、围压、动荷载频率等不同因素对饱和粗粒土动力特性的影响。研究表明:Cyclic-mobility土体本构模型能较好模拟粗粒土的应力、应变特性;端部约束条件和重力场将对粗粒土室内单元试验结果造成一定的影响;较低的围压或较高的动剪应力比作用下,试样的动应变幅值越大、内部应变不均匀现象越明显;频率较低时对应的试样内部体应变分布较为相似,高频率和高动剪应力比同时作用时会对试样造成较大的破坏。通过三轴试验研究土体不同位置单元的动力响应时,应注意应变传感器的布置方法,并对结果进行综合考虑和适当修正。