饱和南京细砂孔压增量模型的普适性研究

循环荷载作用下饱和砂土的孔压增长规律是土动力学的核心内容之一。基于笔者在给定相对密度、均等固结条件下饱和南京细砂的不排水等幅循环三轴试验结果建立的孔压增量模型,进一步进行了不同相对密度、不同固结比条件下饱和南京细砂的不排水等幅循环三轴试验,将上述均等固结的孔压增量模型拓展为适用于不同相对密度、均等和非均等固结条件的孔压增量模型。采用拓展后的孔压增量模型对试验结果进行分析的结果表明：通过该孔压增量模型预测验证试验的孔压与验证试验测试的孔压具有较好的一致性,说明该孔压增量模型具有普适性。     

基于颗粒流数值模拟的饱和砂土流动性分析

给出了基于颗粒离散元模拟饱和砂土不排水循环三轴试验的模型和方法。基于计算结果,分析了模拟试样在循环荷载下的流动性及主要特征。结果表明,数值模拟得到的循环荷载下饱和砂土宏观动力响应与室内动三轴试验结果基本一致,控制应变幅值和有效固结压力对试样宏观动力响应的影响规律符合已有的认识;控制应变幅值对模拟试样的平均流动系数-孔压比关系曲线基本无影响,模拟试样的流动性演变与孔压状态相关;有效固结压力限制试样流动性的增长。验证了基于颗粒流细观模拟方法分析饱和砂土流动性的可行性。     

循环荷载下饱和粘土强度等效计算探讨

饱和粘土在不排水循环荷载作用下强度会发生衰减,建立在粘土地基上的建筑物和填土道路在地震过程中有时会遭受破坏。本文在超固结粘土不排水强度计算的基础上,引入循环荷载作用损伤因子,提出循环荷载作用下饱和粘土强度计算方法以及参数的确定方法。同时,分析了循环荷载作用下再固结系数对粘土强度增长的影响。通过试验验证,所提出的方法是合理的。该方法为循环荷载作用下粘土地基的强度和稳定性预测提供有效的途径。     

主应力轴持续旋转条件下饱和松砂的振动孔隙水压力特性

利用新研制的“土工静力-动力液压三轴-扭剪多功能剪切仪”,针对福建标准松砂,在三向非均等固结条件下,进行了能够模拟海洋波浪荷载作用下主应力轴连续旋转的循环耦合剪切试验。通过试验着重探讨了初始主应力方向、振动过程中主应力方向连续变化对不排水条件下砂土的振动孔隙水压力增长特性的影响。实验研究表明:在振动过程中主应力轴连续旋转的条件下,初始主应力方向对砂土的动孔压比与振次比之间关系具有显著的影响,随着初始大主应力与竖向之间夹角的增大,动孔压比的增长速度明显加快,具有较好的规律性;归一化孔压比与广义剪应变之间的关系基本上与初始主应力方向角和振动剪应力幅值无关。     

液化土层上建筑物不均匀震陷的数值研究

饱和砂土地基在地震作用下液化引起的建筑物的不均匀沉降是地震破坏的典型特征之一,会导致建筑物倾斜和失效。建立模拟液化引起不均匀震陷的数值方法对结构抗震设计和工程减灾尤为重要。基于对不均匀震陷机制的认识,对可液化地基上某建筑物模型在输入地震波作用下的震陷情况进行了数值模拟试验,分析了不均匀震陷发展过程中地震动输入、基底动应力、孔隙水压力、地基压缩模量和结构沉降之间的关系,并提出一套数值计算液化引起地基不均匀震陷的方法。结果显示:(1)使用的孔压模型能够模拟孔压在不规则荷载作用下的上升,且能够反应固结比对孔压的影响,以及记录结构地基土体真实的孔压发展过程;(2)计算方法使用的压缩模量模型能够反应由孔压变化引起的时程变化;(3)计算方法能够跟踪记录土层变形随孔压上升的时程变化。     

非等向固结压缩量对土体刚度影响试验研究

采用动三轴弯曲元联合试验方法,对兰州原状黄土进行了均等固结与偏压固结下剪切波速测试,实测偏压固结下与均等固结下剪切波速比值远大于按Hardin公式计算值,验证了以往相关试验现象的可靠性。并且,不同于以往共振柱仪器不能测试试样变形,动三轴试样轴向变形结果表明,偏压固结比均等固结下黄土试样轴向变形大很多,偏压固结下剪切作用使土体骨架产生相对于均等固结更大的压缩量,并且改变了土颗粒间的接触行为,致使土体剪切波速最终产生了一个超过Hardin公式平均主应力所描述的增长。回顾以往研究结果,砂土密度及级配状况等决定土体压缩性的因素,同时也决定着固结比对剪切模量的影响程度,证实了压缩性是决定固结比对土体刚度影响的重要因素。     

饱和尾矿粉土动力特性试验研究

通过动三轴试验研究某尾矿粉土的动强度特性与孔压特性,试验在围压100、200和300kPa与固结比1.0和2.0条件下进行。结果表明:(1)在循环荷载作用下,等压固结时饱和尾矿粉土全部液化;偏压固结时饱和尾矿粉土未发生液化;(2)各向等压固结时,选取双幅动应变达到5%作为破坏标准;偏压固结时,选取总应变达到5%作为破坏标准;(3)围压越大,τd/σ′0-Nf曲线越高,动剪应力比τd/σ′0与破坏振次Nf在对数坐标图上表现出良好的线性关系,可以采用对数函数来拟合τd/σ′0-Nf关系曲线;(4)固结应力条件相同时,动应力σd变化对尾中砂的孔压增长ud/σ0-N/Nf关系曲线基本上没有影响;固结应力比Kc一定时,固结围压σ3越大,ud/σ′0-N/Nf关系曲线越高;(5)尾矿粉土孔压发展模式在等压固结和偏压固结时不同,固结比Kc=1.0时,可采用幂函数表达式来描述尾粉土孔压发展;固结比Kc=2.0时,可用对数函数来模拟其发展。     

固结比对粉质粘土动力学特性影响的试验研究

在均等固结与非均等固结两种情况下,通过改变围压、轴压取值,进行了多组的粉质粘土的动剪切模量与阻尼比的相关试验.试验结果得出,在均等固结条件下,施加围压、轴压越大,其动剪切模量比数值越大;轴压、围压分别由100 k Pa增加到200 k Pa、300 k Pa,动剪切模量比随之增大,增加幅值为10%左右;阻尼比受围压、轴压影响的变化规律性不明显.在非均等固结条件下,固结比越大,其动剪切模量比数值越大;固结比数值从1增加到2,其动剪模量比增加幅值为30%左右;固结比数值从2增加到3,其动剪模量比增加幅值为10%左右;随着固结比的增加,增幅减小;其阻尼比受固结比影响的变化规律性不明显.其研究成果可为土动剪切试验的固结参数正确取值提供参考依据,并为岩土动力学特性科研工作提供基础试验资料.     

土动力参数的测试误差与孔压影响研究

地震作为自然灾害之一,引起的破坏是巨大的。在土动力学研究中,土体作为地震波传播介质和结构的地基,其动力性能直接影响结构的安全,也直接影响工程造价,因此研究土的动力参数问题具有重要理论意义和工程应用价值。土的动剪切模量比和阻尼比是土动力学首要参数,工程上一般采用室内实验得到。本文采用单台共振柱仪,设计两种具有代表性的试验组,研究土的动剪切模量比和阻尼比试验误差问题,分析不同类型组之间、模量比和阻尼比之间试验离散性的差异和联系以及试验误差对地震动计算的影响,目的是为了解掌握现有共振柱试验水平以及为改进共振柱试验技术提供依据,并为工程结构抗震概率分析提供基础。最大剪切模量和极限剪应力是基本的土动力计算参数,地震作用下随孔压增长会有很大变化。本文采用新型高精度动三轴仪,通过试验方法对循环最大剪切模量和循环极限剪应力随孔隙水压力的变化规律进行研究,给出更符合实际的孔压增长下循环最大剪切模量和循环极限剪应力的计算公式,并验证了孔压增长下循环最大剪切模量和循环极限剪应力的计算公式的可靠性,为考虑液化下地基动力反应分析提供基础。本文主要工作如下:(1)通过共振柱试验数据,设计两种具有代表性试验组,研究砂土、粘土和粉土动剪切模量比和阻尼比的试验误差,给出两种试验组测试误差的分布形态和基本规律以及不同类型试验组之间、动剪切模量比和阻尼比之间试验误差的差异和联系。(2)以KiK-net台网记录为背景,对当今国内外两个有代表性的土层地震反应分析方法SHAKE2000和LSSRLI-1进行对比研究,根据对比结果选取更适宜的计算程序进行本文的土层反应分析,同时也为土层地震反应分析方法的改进提供必要线索。(3)针对不同类别场地,采用选取的土层反应分析计算程序分析两种试验组下砂土、粘土和粉土的动剪切模量比和阻尼比的试验误差对地震动的影响。(4)采用新型高精度动三轴仪,通过试验方法对循环最大剪切模量和循环极限剪应力随孔隙水压力的变化规律进行研究,给出更符合实际的孔压增长下循环最大剪切模量和循环极限剪应力的计算公式,并研究不同固结比下循环最大剪切模量和循环极限剪应力随孔隙水压力的变化差异。(5)将本文提出的孔压增长下的循环最大剪切模量和循环极限剪应力的修正公式用于有效应力分析程序之中,并将有效应力分析方法的计算结果与实际地震记录进行对比,验证所改进的土层地震反应有效应力分析程序的可靠性。     

循环荷载下密砂孔压发展的试验研究

循环加载条件下砂土的行为特性研究过去主要集中在松砂和中密砂方面。本文利用全自动三轴仪,对相对密度为80%的平潭砂进行了单调和循环荷载作用下的试验研究,分析了围压、固结侧压力系数、循环应力比对不排水条件下密砂超静孔压发展的影响规律。结果表明,固结侧压力系数和循环应力比共同影响土体的偏应力状态,它们对密砂的孔压发展有着决定性的作用。固结侧压力系数较大时,偏应力出现周期性的反向,超静孔压增长较快,砂土表现出典型的循环流动现象;而固结侧压力系数较小时,循环加载过程中偏应力始终在三轴压缩区内,产生的超静孔压较小,经过一定的周期数后,一个周期内由剪胀引起的超静孔压减小值正好等于由于剪缩所引起的超静孔压增大值,累积的超静孔压不再随周期数的增加而增大,密砂进入"周期稳定状态",而在文献中关于松砂和中密砂的循环加载试验尚无存在该现象的报道。     

可液化地基土三维地震响应分析

编制完全耦合的三维排水有效应力动力反应分析程序，对可液化地基进行三维地震响应分析，探讨了不同土性参数、不同土层构成和不同附加压重等因素对可液化地基抗液化性能的影响。结果表明：在地震荷载作用下，天然饱和砂土地基中的超孔隙水压力随深度的增大而增大；在不同深度处，超孔压峰值到达的时刻比地震加速度峰值到达的时刻要晚；随输入地震加速度的减弱，深层处的超孔压开始消散或基本保持不变，浅层处的超孔压保持不变或略有上升，这一现象与土性参数、输入地震荷载的情况等因素有关；土性参数对土体本身的抗液化性能有重要影响，初始孔隙比越小，相对密度越大，土体的抗液化能力越强；附加压重有利于地基抗液化能力的提高；随着附加压重的增大，超孔压比减小；附加压重对地基中超孔隙水压力的增长有明显的抑制作用。     

波浪作用下成层海床孔隙水压力响应的简化分析

采用不排水条件下孔隙水压力发展模式,作为Terzagh i一维固结方程中考虑波浪循环作用所引起的孔隙水压力源项,对于成层海床建立了推广的一维动力固结方程,运用数理方程中的分离变量法与G reen函数求解了成层海床在波浪作用下残余孔隙水压力的发展规律,进而对成层海床的液化势进行了评判。对比计算与分析表明,海床表层土的渗透性及其厚度对于海床的整体抗液化性能具有显著的影响,低渗透性的表层导致海床孔隙水压力的显著积累,此时表层置换法是防治液化的有效途径。     

Energy approach to unsaturated cyclic strength of sand

The mechanical response to cyclic loading of saturated cohesionless soils is usually investigated by means of effective stress method considering pore water pressure changes that lead to reduced strength and stiffness. On the other hand, the behavior of partially saturated sands is different from the behavior of saturated sand deposits. The development of negative pore water pressures in particular makes it difficult to estimate the behavior of partially saturated sands. The response of partially saturated sands, however, can be examined in a physically understandable manner by investigating their energy characteristics independently of pore pressure behavior. To establish a general framework for understanding the behavior of partially saturated sand, a total of 52 resonant column and dynamic torsional shear tests were conducted under undrained conditions. The effects of factors such as the amplitude of shear strain, relative density, saturation ratio and confining pressure on the dynamic characteristics of the sand and on energy dissipation were studied. The use of the energy concept in the evaluation of partially saturated soils is shown to be a promising method for the evaluation of the cyclic behavior of partially saturated sands.     

Numerical analysis of liquefaction of porous seabed around pipeline fixed in space under seismic loading

Liquefaction of seabed under seismic loading is one of the main points that govern the overall stability of submarine pipeline. However, most previous investigations concerned only with free seabed and searched for seismic accumulative excess pore pressure by solving Terzaghi's consolidation equation containing pore pressure source term. It is not able to introduce two-dimensional structures such as submarine pipelines in one-dimensional problem, and it is also not able to obtain the distribution of seismic accumulative excess pore pressure in seabed around submarine pipelines by such a way. In this study, a FEM numerical analysis method for determining the liquefaction of sandy seabed around a buried pipeline under seismic loading is presented. The empirical mode of dynamic increase of pore pressure under undrained shearing induced by seismic loading is incorporated with two-dimensional dynamic consolidation equation and a numerical procedure based on FEM is developed to assess the accumulative excess pore pressure. By numerical computations, the accumulative process of pore pressure and liquefaction potential of seabed soil during seismic loading is evaluated. From a series of numerical computations based on the presented model with various parameters, the effects of soil characteristic parameters and pipeline geometry on seismic accumulative excess pore pressure around submarine pipeline and along the depth of seabed are explored in detail.     

Key factors affecting prediction of seismic pore water pressures in silty sands based on damage parameter

The paper provides insight into factors affecting the prediction of seismic pore-water pressure build up in clean sands and sand–silt mixtures for modeling purposes. Laboratory pore pressure measurements were conducted using stress-controlled undrained cyclic simple shear (CSS) tests carried out on both reconstituted and undisturbed specimens of silty sands under different initial conditions (density state, effective vertical stress, initial fabric and fines content). Test results were interpreted by using a damage concept-based model which is actually implemented for clean sands in non-linear time domain site response analysis codes. In the present work, such a model was properly modified for sands having fines contents higher than 35%. The general applicability of the modified procedure for predicting pore water pressure response of silty sands under irregular shear stress loading using data from stress-controlled CSS tests was also verified and all factors affecting calibration parameters of the model were throughly analyzed.     

复杂应力条件下松砂振动孔隙水压力与体变特性的试验研究

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在5种初始主应力方向角与5种中主应力系数相组合的初始固结条件下,对饱和松砂进行了不排水循环扭剪试验。讨论了初始固结条件对不排水条件下饱和松砂孔隙水压力变化规律及对剪胀、剪缩、卸荷体缩等体积变化过程的影响。试验研究表明：（1）分别以稳定残余孔隙水压力和破坏时循环次数归一化后的残余孔隙水压力比和循环次数比之间的关系可以用双曲线模式表达。其参数主要依赖于初始主应力方向,中主应力系数对参数的影响并不显著。归一化后的孔隙水压力比与广义剪应变之间的关系也可以用双曲线模式表达,其中的2个待定参数依赖于初始主应力方向,与中主应力系数无关;（2）在三向非均等固结条件下的不排水循环扭剪试验中,饱和松砂表现出卸荷体缩特性,不同初始主应力方向时,饱和松砂剪缩、剪胀、卸荷体缩呈现出不同的交替变化模式。     

复杂应力条件下饱和松砂单调与循环剪切特性的比较研究

本文利用大连理工大学新引进与开发的“土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪”,针对福建标准砂,在不排水条件下同时进行了单调剪切试验与循环剪切试验,进而对其进行了对比分析。通过比较表明,应力-应变关系的应变软化和硬化特性与流滑变形和循环流动特性密切相关,当循环剪切应力水平高于单调剪切过程中应变软化阶段最小强度时将会发生流滑变形。无论在单调剪切中,还是在循环剪切中,稳定状态时的有效偏应力比随着大主应力方向与竖向之间夹角的增大而减小,在中主应力系数相同的条件下,循环剪切中呈现显著剪胀时的有效偏应力比和最终稳定状态时的有效偏应力比峰值分别与单调剪切中达到相变状态时的有效偏应力比和最终稳定有效偏应力比基本上一致。然而不排水条件下单调与循环剪切过程中孔隙水压力的增长特性却并不相同,循环剪切中的最大孔隙水压力随着初始主应力方向角的增大而减小,单调剪切中的最大孔隙水压力却随着主应力方向角的增大而增大。     

复杂加载路径下堆石料动力本构模型及数值模拟

采用所发展的亚塑性边界面模型，对堆石料在不同固结应力状态、排水条件和加载方式下的典型试验进行了数值模拟分析。在本构模型的数值实施中，联合应用自适应多步回退欧拉积分规律和局部迭代加快了迭代收敛的速度，提高了积分精度，进而编制了计算程序TESTROCK。数值模拟结果与已有试验成果的对比分析表明，该模型能够合理、有效地反映堆石料在复杂加载路径下的变形和强度特性，为深入揭示堆石料变形和孔隙水压力的发展特性和进行高混凝土面板堆石坝的非线性耦合静动力分析提供了理论基础。