饱和砂土液化后大变形机制的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。离散元细观数值模拟再现了室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机制。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好的相关性。     

饱和砂土液化后大变形机理的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。结果表明,试样初始状态并不会影响液化后的极限状态,仅对初始液化所需循环次数有影响。数值模拟可再现室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机理。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好相关性。     

饱和砂土液化后大变形机理的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。结果表明,试样初始状态并不会影响液化后的极限状态,仅对初始液化所需循环次数有影响。数值模拟可再现室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机理。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好相关性。     

饱和层状砂土液化特性的动三轴试验研究

利用GDS动三轴试验系统采用等幅循环应变加载方式对含有不同厚度粉土的饱和层状砂土进行了液化强度试验。分析了均匀砂和含有不同粉粒层厚度的层状砂土在循环荷载作用下的变形和力学特性。试验分析表明：由于含粉粒夹层的层状土特殊的土体结构,其孔隙水压力发展规律与一般的无黏性砂土不同;饱和层状砂土的抗液化强度并不是随着粉粒层厚度的增加而单调增加的,而是存在一个临界点;液化临界剪应变的大小与液化判别标准和循环次数有很大关系。试验结果表明,粉粒夹层对层状砂土的液化特性有很大的影响,且更能模拟自然环境条件下的层状砂土地基液化特性。     

间歇循环荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性研究

长期列车荷载作用会引起砂土地基和填料的强度衰减、累积沉降过大甚至沉陷等病害问题,严重者危及行车安全。揭示病害机制需探明间歇荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性。对此开展了不同围压、动力幅值下连续加载与间歇加载的动三轴试验,试验结果表明：（1）饱和砂土累积塑性变形-振次曲线呈现锯齿状发展。间歇效应导致卸荷回弹,并显著降低了后加载阶段砂土累积塑性变形,可使连续加载条件下的破坏型“转换”为稳定型。（2）对于塑性安定和塑性蠕变型,孔压-振次关系曲线呈台阶状,第1加载阶段的孔压随振次迅速累积增长,而间歇阶段排水,孔压消散接近或降至0,土体趋密实;在后续加载阶段,孔压累积幅值大幅降低。对于增量破坏型,孔压在第1加载阶段快速增大,试样破坏。（3）建立了表征间歇加载下砂土累积塑性应变两阶段发展特征的预测模型,预测效果良好。（4）间歇效应提高了砂土抵抗塑性变形的能力,连续加载会高估砂土累积塑性应变和低估其动强度。该研究结果对深刻认识间歇循环荷载下饱和砂土的累积变形特性和机制具有重要参考价值。     

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。     

循环荷载下考虑主应力旋转的软土力学响应研究

目前用于轨道路堤分析计算的参数多是通过三轴试验获得,而列车荷载经过时土单元应力路径与循环三轴试验加载路径的显著差异可能导致预测失真而引发工程问题。针对某城市轨道进行了三维计算,并分析了移动列车荷载下土单元应力幅值、循环周数、主应力轴旋转的分布规律。在该基础上,采用空心圆柱循环扭剪试验对该复杂应力路径进行了模拟,研究了饱和软黏土的孔压及变形累积特性。结果表明,列车荷载经过时地基土单元大主应力将在(－90°, 90°)内发生旋转;该主应力轴旋转将显著促进软黏土孔压和应变的累积,竖向应力幅值为15 kPa时,循环扭剪试验产生的孔压值比循环三轴试验高77%,累积应变增大了近50%;随着循环应力水平提高,二者累积孔压及累积应变的差值还会进一步增大,甚至出现循环三轴下仅产生较小应变而循环扭剪下已破坏的本质性差异。     

主应力轴旋转下K0固结饱和粉质黏土孔压及变形特性试验研究

主应力旋转将加速孔压和塑性应变的累积,影响土体的力学特性。为研究主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土孔压和变形的影响,利用GDS-HCA试验系统开展了不同应力路径的 固结饱和粉质黏土不排水循环三轴试验和循环扭剪试验,研究了主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土累积塑性应变、孔压等动力特性的影响。结果表明：动剪应力幅值、心形应力路径所包围的面积、循环偏应力幅值等均随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。试样未发生破坏时, 固结饱和粉质黏土的孔压比随着振动荷载作用次数的增加而增大;当试样发生破坏时,孔隙压力迅速消散,孔压比急剧下降。循环扭剪试验时试件产生的轴向累积塑性应变始终大于循环三轴试验产生的累积塑性应变,说明主应力轴循环旋转会加速试件轴向应变的累积。试件的累积塑性应变随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。循环动应力比越大时,主应力轴旋转造成的轴向累积塑性应变差异越显著。在Monismith幂次函数模型的基础上,建立了主应力轴循环旋转条件时K0固结饱和粉质黏土累积塑性应变方程,并对模型的可靠性进行了分析和验证。     

基于自由场大型振动台试验的饱和砂土固-液相变特征研究

基于饱和砂土自由场地大型振动台试验,利用加速度记录的线性方法反演得到模型地基土动剪应力-动剪应变,并根据流体动力学相关理论,引入非牛顿流体中的表观黏度、零剪切黏度等概念,对场地液化后的剪切稀化特征进行探讨,研究了饱和砂土在地震荷载下的固-液相变特征。研究结果表明:大震激励时,饱和砂土层上部土体孔压比达到1,饱和砂土液化,从动剪应力-动剪应变曲线变化中可知液化后的砂土动剪切模量下降明显,这表明土体逐渐软化;从动剪应力、动剪应变推导得出的饱和砂土剪应力-剪应变率变化趋势与非牛顿流体的流变曲线相近,且饱和砂土上部液化土层的表观黏度大幅下降,液化后砂土表现出"剪切稀化"的假塑性流体特性。     

动扭剪试验中砂土液化后流动特性分析

土体在初始液化后仍然可能承受动荷载作用发生大变形。引入流体力学中的剪应变率和表观黏度的概念,对振动扭剪试验中饱和砂土液化后的流动特性进行了分析。分析中将砂土的状态分为0有效应力状态和非0有效应力状态。结果表明,砂土在0有效应力状态下表现出与静扭剪试验类似的“剪切稀化”非牛顿流体的特征,表观黏度随着剪应变率的增大而减小。加载周数对“剪切稀化”状态下的剪应变率幅值有影响,随着加载周数的增加,剪应变率幅值逐渐增大,而对流动曲线的形状没有影响。在非0有效应力状态下,砂土的表观黏度随应变的增大而增大,随孔压比的减小而增大,且所有的试验得到的表观黏度与孔压比具有一致关系。     

液化后砂土流体特性测试装置的研发及试验研究

为研究液化砂土的流动变形特征,开展了液化砂土的流体特性试验研究。基于边界层理论研发一套液化砂土表观黏度测试装置,主要由调速电机、电机调速器、圆柱转子、扭矩传感器等部分组成,该装置能有效测试液化砂土的表观黏度;开展了不同孔压比、转速下饱和砂土表观黏度及圆柱转子所受摩擦力矩特性研究,着重分析了液化后砂土的表观黏度特性。结果表明,液化前孔压发展及液化后孔压消散阶段摩擦力矩均受到孔压比及转速的影响;液化后砂土孔压逐渐消散,强度恢复,流动能力衰减,表观黏度升高,表观黏度与孔压比呈现出一定的线性相关性;表观黏度随着剪应变率的增大而降低,且两者呈现出幂函数关系,表明液化后砂土具有典型幂律型剪切稀化非牛顿流体特征。     

剪切-体积应变耦合的孔压增量模型试验

以南京细砂为对象,通过共振柱试验及应变控制的排水/不排水分级和单级加载循环三轴试验的系统性研究,建立了能够描述饱和砂土孔压增长规律的新模型。该模型遵循Martin和Byrne提出的基本理论框架,孔压的增长是由循环剪切作用下体积改变所引起的。提出的孔压模型属于应变控制的孔压增量模型。基于排水循环单级加载试验,通过引入体积门槛剪应变γ_(tv)的概念,以具有代表性的15周体应变(ξ_(vd))15为基准点,归准化体应变发展与循环剪应变之间的关系,建立了三参数的体应变增量模型及其参数标定方法。基于排水和不排水循环单级加载试验结果,揭示了体应变与孔压比之间的内在联系,进而导出回弹模量表达式。通过耦合新的体应变增量模型及回弹模量公式,建立了新的剪应变-体应变耦合的孔压增量模型。验证性试验表明,新的孔压增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高。     

夯扩挤密碎石桩加固液化砂土地基的动力数值分析

砂土液化问题一直是土动力学与岩土地震工程研究领域的重要课题之一。基于南水北调中线某工程,通过现场和室内试验获取土体的物理力学参数,利用岩土数值分析软件FLAC3D对夯扩挤密碎石桩加固干渠液化砂土地基进行了动力数值分析。结果表明,由于夯扩挤密碎石桩的排水作用,干渠底部饱和砂土地基中的超静孔隙水压力和孔压比与加固前相比明显减小;干渠渠道底部饱和砂土中的监测曲线表明,随着地震荷载持续时间的增加,饱和砂土地基中超静孔隙水压力和孔压比峰值较加固前大幅值降低,且时程曲线达到峰值之后也由加固前的基本保持不变改为迅速消减降低;由于夯扩挤密碎石桩的排水和挤密作用,有效消除了干渠渠道底部以及渠堤坡面外侧平台至坡脚底部砂土层的液化现象,加固后干渠底部饱和砂土地基中没有液化现象产生。     

减饱和砂土缓倾场地的液化性状分析

减饱和法是一种通过减小砂土地基的饱和度,从而提高地基抗液化强度的新方法。基于减饱和砂土中流体模量同步更新的改进算法对减饱和砂土离心机振动台试验进行了数值分析,并与单一流体模量的简化算法进行了对比分析。结果表明：由于改进算法中考虑了因孔压变化引起的等效流体模量的变化,其计算结果更接近试验结果,而简化算法低估了减饱和砂土的孔压积累。基于改进算法开展了不同饱和度、倾斜角度的缓倾场地上液化变形的数值模拟研究,分析发现超孔隙水压力增长的速度及其峰值随着饱和度的增加而增大,饱和度从100%降低至96.4%,同一深度处的超孔压峰值降低约20%～65%,加速度响应的峰值也有明显的降低;沿地基深度0.75 m到9.00 m,侧向位移减少约20%～50%,表明饱和度的降低对抑制倾斜场地上可液化砂土层的侧向变形有显著效果,随着地基深度的减小,饱和度对于侧向位移的影响越来越明显。     

含细粒珊瑚土抗液化特性试验研究

珊瑚土作为新兴的热带地区岛礁与港口工程的首选土工材料,宽级配是其结构组成的主要特征。由于相关工程面临较高的地震风险,珊瑚土的抗液化能力正逐渐引起重视。为探究含细粒珊瑚土的抗液化能力,以东太平洋某热带港口工程的实际珊瑚土场地为背景,通过大粒径循环三轴液化试验测试了设计相对密实度为0.4～0.8的3组代表性级配试样及剔除细粒的两组试样的饱和不排水动强度。试验结果表明：幂函数可以模拟含细粒珊瑚土的循环应力比与液化所需振次关系;细粒的存在与相对密实度的提高不会显著提高珊瑚土抗液化能力;珊瑚土液化过程的超静孔压发展模式与砂土相近,两参数或三参数的反正弦模型可以较好地模拟含细粒珊瑚土的液化超孔压发展过程。研究表明,含细粒珊瑚土仍然属于可液化土类。以背景工程为例,同类型工程在设计施工及使用阶段都需要考虑对地震液化灾害的设防,该研究为珊瑚土液化防治工作提供了技术支持。     

H-V加筋饱和砂土性状的三轴试验研究

进行了H-V（水平-竖向）加筋饱和砂土固结不排水三轴试验。加筋材料采用镀锌铁皮和有机玻璃两种不同材料,在不同竖筋高度、不同围压下共进行了44组试验,研究了加筋饱和砂土的应力-应变关系、孔压-应变关系、强度特性及破坏形态,探讨了不同加筋高度、不同围压及不同筋材对加筋饱和砂土强度的影响,同时比较了立体加筋与土工格室加筋的异同,对饱和紧砂的空化现象及其影响进行了分析。试验结果表明,相对于无筋土及传统的水平加筋土而言,其抗剪强度均有大幅度提高;尤其是镀锌铁皮加筋,不仅提高了饱和砂土的有效黏聚力,也提高了有效内摩擦角,同时改善了砂土的延性。     

减饱和松砂静态液化的水-气两相流耦合分析

减饱和法是一种通过减小饱和砂土地基中的饱和度,提高地基抗液化强度的新方法。基于水-气两相流反应与土体骨架变形的耦合模拟方法,建立了单调加载条件下减饱和砂土静态液化的数值分析模型。开展了减饱和松砂的三轴不排水试验数值模拟研究,与室内试验结果对比,发现两相流模型能够准确描述减饱和砂土加载过程中的应力-应变关系、应力路径及孔隙水压力增长规律,验证了两相流模拟方法的正确性。数值分析结果还表明,加载过程中减饱和松砂中的饱和度会增加,直至达到一个稳定值,当围压一定时,减饱和松砂加载结束时的饱和度与初始饱和度呈线性关系;且砂土中气体会在荷载作用下被压缩,使得减饱和砂土在不排水条件下发生剪缩。计算发现,当砂土饱和度从100%减小到94.5%时,孔隙水压力系数B值会减小约80%,最大孔隙压力值会降低40%~50%,不排水剪切强度提高2.0~2.5倍,残余强度会提升10倍以上,由此可知,此为减饱和法抗液化的主要机制,而基质吸力不是减饱和法提高砂土抗剪强度的主要原因。     

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。     

波浪荷载下饱和粉土不排水动力特性试验研究

确保海床场地的动力稳定性是近海工程安全运行的前提。目前针对复杂应力路径对海域环境饱和粉土动力学行为特性的影响研究尚属少见。利用GDS空心圆柱扭剪仪,开展了轴向-扭转耦合循环加载的重塑饱和粉土不排水试验,模拟波浪的波幅大小和海床深度变化,以广义剪应变γg=5%为液化标准,研究了均等固结条件下循环应力路径(循环应力比CSR和循环加载幅值比δ)对饱和粉土不排水动力特性的影响。结果表明:CSR与δ值的大小对饱和粉土的超静孔压与变形发展特性影响显著,圆形应力路径(δ=1)循环加载时饱和粉土最易液化;当CSR≤0.050时,饱和粉土不会发生液化;当CSR≥0.065且δ=1时,饱和粉土会发生液化;CSR> 0.150时,粉土易发生液化。γg与孔压比ru的相关性受CSR与δ值大小的影响较小,且γg可表示以r_u为变量的正切函数。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,饱和粉土达到γg=5%所需的液化振次NL与施加的ESR值具有事实上的唯一性关系,ESR随NL的增大而减小。     

考虑不同波形影响的主应力轴连续旋转下吹填土动力特性研究

通过GCTS空心圆柱扭剪仪,分别采用正弦波和三角波两种不同波形模拟海洋波浪的加载形式,对天津滨海吹填土进行一系列三向等压固结条件下的主应力轴循环旋转试验,探讨了动主应力方向连续旋转下循环剪应力幅值及振动波形对吹填土广义剪应变、动强度和孔压特性的影响.试验结果表明,循环剪应力幅值小于临界循环剪应力时,土体广义剪应变变化很...