上海典型黏土小应变特性的试验研究

在小应变水平下土体的刚度特性明显不同于常规试验得到的土体刚度,正确评价土体的小应变特性对于基坑、隧道等地下工程的变形分析具有重要作用。采用装有霍尔效应局部应变传感器的三轴试验和配有弯曲元的共振柱试验,研究上海典型天然黏性土的小应变特性。研究表明,随着土体深度的增加,土体剪切模量增大;第(2)~(5)层的小应变刚度衰减规律基本一致,第(6)层土因其明显的超固结特性,其刚度衰减速率明显大于其他土层;共振柱试验给出了各层土样的初始剪切模量以及归一化剪切模量比与剪应变的关系;三轴和共振柱试验均揭示了上海典型黏性土的剪切模量在小应变范围内随剪应变增加呈非线性衰减的规律。     

侧装式弯曲元测量软黏土剪切波速的试验研究

判断剪切波到达时间并计算相应的剪切波速是弯曲元试验的关键问题之一。受到试验仪器差异和研究者波速判断主观性的影响,很难客观地、准确地获得土体的剪切波速。针对该问题,提出采用侧装式弯曲元测试系统测量剪切波传播时间和土体的剪切波速,利用上海典型的淤泥质黏土进行试验,分别采用初达波法、特征值法和互相关法计算土体的剪切波速。试验结果表明,（1）初达波法在信号判定过程主观性较大,土体剪切波速受发射信号频率的影响明显;（2）采用第二峰值点（特征点法）得到的试验结果波动性较小;（3）在满足相似性的前提下,互相关法在一定频率范围内（20～30 kHz）提高了确定剪切波速的客观性,降低了因试验者或激发频率的不同对试验结果产生较大影响的可能性。     

上海土体小应变硬化模型整套参数取值方法及工程验证

小应变硬化(HSS)模型能较合理考虑土体小应变阶段的非线性、应力相关等特性,在隧道和基坑开挖等变形数值计算中得到了广泛的应用,但目前对模型整套参数的合理取值尚缺乏系统地研究。剖析了HSS模型各参数的意义和对应的试验方法,并基于大量室内和现场试验数据建立了上海土体HSS模型主要参数与土体孔隙比的经验关系,为实际工程利用勘察报告方便且较准确地确定HSS模型参数提供了合理途径。通过多个深基坑工程的数值分析表明,采用现场试验确定的小应变初始剪切模量时,围护墙水平位移计算值和实测值基本吻合,表明提出的上海土体HSS模型整套参数取值方法有很好的普适性和工程实用价值,也为其他地区建立类似的HSS模型参数取值方法提供了借鉴。     

粉质黏土重塑试样在小应变条件下变形特征的试验

采用具有高精密局部位移传感器的三轴测试系统，对粉质黏土重塑试样在小应变条件下应力应变关系和剪切模量的变化规律及其影响因素进行了试验，结果表明：即使在极小应变条件下（0.0008％≤｜εs｜≤0．0021％），应力应变关系也一直保持高度非线性；在小应变条件下粉质黏土具有很高的剪切模量，且在一个很小的应变范围内迅速衰减，最后趋于一定值；剪切模量与应力状态、应力历史以及当前的加卸载方向有关，当应力方向与历史应力方向一致时，其衰减速率较快。     

小应变条件下应力路径旋转对剪切模量影响

以重塑土经 固结形成的试样以及经 固结后通过特殊应力路径达到特定应力状态的试样为对象,研究了在小应变范围内应力路径旋转对土体剪切模量的影响以及剪切模量随应变变化的趋势。研究表明,在小应变范围内：（1）剪切模量的初始值随试验应力路径与近期应力历史间的夹角 增大而增大,当两者完全相反时,应力路径旋转对土体在小应变条件下的剪切模量影响最大;完全一致时,其影响最弱。（2）割线剪切模量总是大于切线剪切模量;剪切模量随着剪切应变的增加而衰减,且衰减规律保持一致,但应力路径、应变范围不同时其衰减幅度不同。在小应变条件下,土体表现出各向异性,但随剪切应变的增加而逐渐减小,最终表示为近似各向同性;同时由应力路径旋转对模量的影响也随着剪切应变的增加而逐渐衰减。     

基于颗粒间应变的饱和黏土小应变各向异性非线性本构模型

饱和黏土的各向异性小应变特性对软土地下工程及其环境影响分析具有重要意义。现有小应变本构模型因较为复杂而无法直接应用于预测土体变形和分析土与结构相互作用的简化方法,且小应变模量常被假设为各向同性。基于颗粒间应变(IGS),建立了形式简单、参数易于确定的非线性弹性模型,其考虑了小应变刚度的各向异性、剪切模量随应变幅衰减、最近应力历史效应以及大应变阶段剪切体变耦合特性。通过对芝加哥黏土不同应力路径单元体试验的模拟,得到以下主要结论:(1)新建模型可以较好模拟不同应力路径下小应变刚度衰减、大应变阶段应力-应变关系、孔隙水压发展以及剪胀性,同时可较好近似高等弹塑性模型;(2)IGS模型较现有Overlay模型可以更好地模拟处于单调加载和应力完全反转之间的应力旋转对小应变刚度的影响;(3)各向异性可显著影响应变非常小时的土体刚度,导致路径旋转角较小的应力路径具有更高的初始模量,但随着应变的增长,最近应力历史会成为左右小应变刚度的主要因素。     

干湿路径影响粉土小应变剪切模量的试验研究

天然土尤其是地表浅层土常处于非饱和状态,其小应变剪切模量是预测地基变形及土工结构物动力反应的一个重要参数。通过对非饱和压实粉土三轴样进行弯曲元试验,研究了吸力和干湿路径对其小应变剪切模量的影响。试验结果表明,非饱和压实粉土样的小应变剪切模量各向异性忽略不计;小应变剪切模量G0(vh)、G0(hh)和G0(hv)均随吸力增大而非线性增大;同一吸力下不同干湿路径上的土样,饱和度不同,其小应变剪切模量随饱和度升高而减小,主要原因是土的平均骨架应力和土中毛细水的作用。根据试验结果对非饱和土小应变剪切模量的半经验公式进行了改进,同时考虑了吸力与饱和度的作用。     

循环荷载作用下软黏土刚度软化特征试验研究

循环荷载作用下,软黏土将发生软化现象,而以往的研究中大多未考虑初始偏应力的影响。通过对萧山正常固结饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,研究了循环荷载作用下土体的刚度软化情况。通过分析每一次循环过程中割线剪切模量的变化规律,探讨了循环次数、循环应力水平、初始偏应力对刚度软化的影响。结果表明,随着循环次数的增加,土体刚度逐渐减小;循环应力水平的提高,初始偏应力的施加将加快刚度软化。在试验的基础上推导了反映土体刚度软化规律的经验公式,得到了萧山软黏土的破坏刚度比。     

不排水循环荷载作用过程中累积孔压对细砂弹性剪切模量Gmax的影响

在土工结构物地震有效应力分析中,往往采用Hardin经验公式计算动荷作用过程中由于孔压变化对砂土初始弹性剪切模量Gmax的影响,但由于以往试验手段的限制,这种方法的有效性至今没有得到验证。为此,采用多功能三轴仪和压电陶瓷弯曲元剪切波速测试系统,研究了不排水循环荷载过程中孔压对细砂Gmax的影响。试验结果表明,细砂Gmax可由 Hardin型经验公式计算,但材料参数应通过试验确定;不排水循环荷载作用过程中,细砂Gmax随孔压上升而降低,其值可由其实际平均有效应力和固结后的孔隙比通过由试验得到的Hardin型经验公式计算。     

环境湿度可控的土体小应变刚度试验系统

为研究脱湿过程中饱和度改变对土体小应变刚度的影响规律,自主研制了一套非饱和土小应变刚度试验装置。该装置由3部分构成：相对湿度控制系统、变形测试系统和波速测试系统。相对湿度控制系统可分级提供环境室内相对湿度,通过称重模块记录土样质量变化;变形测试系统利用图像采集结合数字图像处理技术获得土样体变;波速测试系统采用压电陶瓷元件制作的波速传感器,可同时测试土样脱湿过程中压缩波及剪切波波速。试验结果表明：该装置能够分级稳定控制相对湿度环境、间接测量土样体积变化及实时测试弹性波波速,进而研究波速表征的小应变刚度随饱和度的变化规律;土样剪切波速及小应变剪切模量随饱和度的降低逐渐增加,压缩波速及小应变体积模量随饱和度的降低先减小后增加。该装置结构简单,便于操作,为研究非饱和土小应变刚度特性提供了科学有效的测试方法与试验手段。     

上海软土动剪切模量衰减规律的试验研究

为了获得上海软土在循环动力荷载作用下的动力特性,特别是动剪切模量的衰减规律,采用原状第④层上海软土进行等向固结不排水动三轴试验,分析了加载频率和动应力比 对动剪切模量的影响。试验结果表明,对于上海第④层软土,动应力比达到0.2时,土样才发生破坏;土样的剪切模量-累积轴应变曲线不受加载频率和动应力比的影响;剪切模量的衰减下降主要发生在轴应变0～1%区间。最后提出了一个描述剪切模量衰减规律的数学模型。     

Simple-Shear Rheological Properties of Shallow Clay Layer in Shanghai

This paper presets the results of simple-shear rheological tests for the shallow clay layer in Shanghai and the rheological parameters of this clay layer, such as shear parameter, viscosity and long-term strength etc. , by using the obtained relationship among stress, strain and time. The test results show that with certain density and water content of the clay and shear stress less than the yield value, the relationship between shear stress and shear strain for the same shear duration can be obtained by superposition theorem. Because of its linearity, likewise, the relationship between long-term shear flow rate and shear stress also hold true thus, from the linear portion of the curves mentioned above the shear modulus G and viscosity η can be obtained . however , when shear stress is beyond a certain yield value, the curve becomes non-linear. This yield value can be regarded as long-term strength of the soil . In rheological experiments these parameters are all functions of time.     

侧装式弯曲元高压冻融试验装置研制与初步应用北大核心CSCD

研究深土冻融过程的声波响应特性,对于声波技术应用于深厚表土层人工冻结工程有重要意义。深土原位冻融始终处于高地应力环境下,但目前声波测试装置尚不具备高压冻融条件下的测试功能。为此本文结合弯曲元测试技术,研制了侧装式弯曲元高压冻融试验装置,以了解高应力条件下深土冻融过程的剪切波速。该试验装置主要由试样承压舱、加载系统、控温系统、数据采集系统和弯曲元测试系统构成。系统核心单元——试样承压舱采用双层筒结构,内筒为聚四氟乙烯筒,外筒为钢筒,弯曲元探头设置于内层筒侧壁。通过数值计算确定内筒壁厚8mm,外筒壁厚15mm,该结构可满足高应力下承压舱的抗变形、隔热和隔振要求。利用弯曲元测试系统研究了声波走时确定方法,以及激励波形和频率等测试参数。根据测试结果,本试验条件下声波走时采用初达波法确定,激励波形采用方波,高密度冻土和未冻土的激励频率分别选择4kHz和5kHz。最后,利用该装置测试了有载条件下深部黏土不同负温下的剪切波速,初步验证了装置的适用性。     

动、静载环境下界面土直剪试验

为了探究土体界面土的力学性质及其变化规律,以粉土、粉质黏土和碎石土作为试验材料,以法向应力大小、上下土层类型、界面处理方式、动载环境、静载环境和动载作用时长等作为试验变量因素,运用正交试验设计方法对不同类型的原状土和重塑土试样进行室内直剪试验,得到了土体界面土的剪力-位移本构曲线,根据曲线中的峰值抗剪强度计算出了能够反映界面土抵抗黏性破坏能力的黏结系数。试验结果表明：粉土的黏结系数小于粉质黏土;界面土的抗剪强度与上下土层的结合类型相关,界面土的粗糙度越大,界面土处的土体接触越充分,则界面土的力学性质越好;随着动载作用时间的增加,土体界面土的抗剪强度会有所下降;并且,界面土的力学性质与上下土层性质之间有一定的联系。     

稻壳灰加筋土力学性能研究

稻壳灰与土体混合应用,一方面废弃资源再利用,环保,又可增强土体强度。通过三轴试验,研究不同比例稻壳灰混合黏土及其加筋土应力?应变性能、强度特性以及不同应变水平下模量、偏应力及加筋强度比等土体变化特征。试验结果表明,随稻壳灰比例增加,混合土最大干密度显著减小,最优含水率显著增加。添加不同比例稻壳灰对加筋土抗剪强度有较大影响,10%～15%稻壳灰比例下,加筋稻壳灰混合土初始切线模量和应力峰值达到最大,抗剪强度较优。与土工织物加筋稻壳灰混合土相比,土工格栅加筋稻壳灰混合土偏应力及抗剪强度更大,土工格栅层数对土体抗剪强度增大效果更明显,对应的应力?应变曲线拐点也更突出。试样弹性模量与稻壳灰比例及筋材种类、层数有关,加入稻壳灰后,土体弹性模量增长显著,土工格栅加筋稻壳灰混合土较优比例下可增加1.5倍多,稻壳灰及筋材均能有效提高土体强度。随加筋层数增加,稻壳灰混合土加筋强度比明显增大,与围压关系较小。     

Dynamic Properties of Soft Clay and Loose Sand from Seismic Centrifuge Tests

Appropriate evaluation of shear modulus and damping characteristics of soils subjected to dynamic loading is key to accurate seismic response analysis and soil modeling programs. Dynamic centrifuge experiments were conducted at C-CORE (Memorial University of Newfoundland) centrifuge center to investigate the dynamic properties and seismic response of soft clay and dry loose sand strata. Soft clay with shear strength of about 30 kPa and well graded silica sand at about 35% relative density were employed in a rigid container to simulate local site effects. Several earthquake-like shaking events were applied to the model to evaluate variation of shear modulus and damping ratio with shear strain amplitude and confining pressure, and to assess their effects on site response. The estimated modulus reduction and damping ratio were compared to the predictions of empirical formulae and resonant column tests for both soft clay and loose sand. The evaluated shear modulus and damping ratio were found to be dependent on confining pressure in both soil types. Modulus variation in both soils agreed well with the empirical curves and resonant column test results. However, the sand modulus values were slightly higher than the empirical relations and resonant column tests. This discrepancy is attributed to higher stress and densification of sand during large amplitude shaking applied to the model. The damping ratio at shear strains lower than 0.5% was in reasonable agreement with the empirical curves and the resonant column tests in both clay and sand models, but was generally higher at shear strain larger than 0.5%.     

基于硬化土模型的小应变本构模型研究

大量的工程现场监测结果表明,城市中强支护隧道施工过程中其周围大部分土体仍处于小应变状态,小应变情况下土体具有显著的高模量和非线性特性。土体小应变刚度特征和应力路径相关性是准确分析土与隧道相互作用的重要因素。虽然采用双刚度的硬化土模型(hardening soil model)能够基本反映应力路径的影响,但其卸载再加载模量并没有与应力-应变水平相关,不能模拟小应变情况下土体模量的高度非线性。为此,结合小应变刚度理论对硬化土模型的卸载再加载模量进行了改进,使之与应力-应变水平相关,并且考虑了土体卸载抗剪强度指标的变化以及侧向卸荷应力路径下不同的模量。通过与土体的应力路径试验结果进行对比,证明了模型的合理性。     

考虑压缩模量深度效应的深厚软土桩基沉降计算

对于深厚软土桥梁桩基础的沉降计算,土层的压缩模量是一个极为重要的参数。针对京沪高速铁路桥梁桩基沉降,以DK152工点处的土工试验数据和现场测试成果为基础,通过拟合分析得到与土层深度有关的天然状态下压缩模量计算公式。在该基础上,进一步运用神经网络建立土层压缩模量与桩基沉降之间的映射关系,对不同土层在不同深度的压缩模量进行反演分析,相关反演结果与经验公式计算值基本一致,得到的桩基沉降量与现场监测位移吻合良好,说明文中提出的压缩模量计算公式的准确性和实用性,相关模型概化和反演计算方法也是合理的,对深厚软土地基下高速铁路桥梁深长桩基的沉降计算有一定的参考价值。     

分散性土动剪切模量影响因素的试验研究

分散性土耐冲蚀性低、抗渗性能差,在纯水中具有很高的分散性,严重威胁水利工程的安全。在分散性土的鉴别和改性方面已有很多成果,但分散性土动力特性的研究见诸报端的还很少。利用日本诚研社生产的DTC-199型电液伺服加荷往复扭剪三轴仪,对取自宁夏某碾压均质土坝的分散性土的动剪切模量进行了探索。通过改变试样的含水率、干密度和围压等初始条件,研究分散性土在不同试验条件下的动力特性及剪切模量的变化规律,并进行对比分析。得出：分散性土的动剪应力-应变关系符合Hardin-Drnevich双曲线模型;控制初始条件,当其他条件相同时,含水率越低,动剪切模量越大;干密度越大,试样动剪切模量越大;围压越高,其动剪切模量越大;初始剪切模量及最大动剪应力的变化规律与之相似。动剪切模量随动剪切应变的增大普遍呈衰减趋势。     

初始剪应力对软土场地震反应的影响

实际工程的边坡、斜坡以及挡土结构中的土体都存在一个初始剪应力的作用。在初始剪应力的作用下土体会产生较大的残余应变。然而,原始Iwan模型难以考虑这种因素的影响。因此,将软化模型引入Iwan串联模型中考虑循环软化的影响,同时再串联一理想刚塑性元件,模拟循环过程中产生的残余应变;最后,结合Masing准则对软黏土的动应力-应变关系进行了描述。在此基础上,将修正的Iwan模型用于软土层的一维非线性地震反应分析。通过分析发现,当场地存在初始剪应力且受到强震时,土体模型需考虑这种因素的影响,否则可能低估速度及加速度幅值,也会低估最大剪应变幅值