液化自由场地震响应大型振动台模型试验分析

开展了含上部黏土层、饱和砂土层、密实砂土层的可液化自由场地在水平地震动激励下的大型振动台模型试验研究,分析了地震动激励时饱和砂土液化后场地加速度、位移、孔压比时空响应等动力响应。试验结果表明：在小震激励时,场地动力反应较小,加速度反应自下而上不断放大,各深度处孔压比均较小,模型地基整体处于弹性反应阶段;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,孔压积累迅速,可液化土体最上部土层孔压比达到1,饱和土体液化,模型地基表现出明显的非线性反应特征,加速度反应在饱和砂土层中未有明显放大,土体卓越周期对应的反应加速度自下而上有不断增大趋势。该研究是土-群桩-上部结构体系大型振动台系列试验中可液化自由场动力反应部分,可供今后做对比分析和验证数值模拟参考。     

初始剪应力对饱和粉土液化大变形特性的影响

由于斜坡场地存在初始剪应力的作用,在强地震动作用下比水平场地更易发生液化大变形破坏,研究初始剪应力对土体液化大变形特性的影响是必要的。以饱和粉土为研究材料,开展了一系列单幅剪应变达到50%的循环扭剪试验。试验结果表明:在初始剪应力和循环剪应力的共同作用下,饱和粉土试样均发生孔压达到有效围压的零有效应力状态现象,累计变形呈平缓—急剧的发展模式,土体大变形的产生机制可区分为2种:循环液化和应变累计。随着初始剪应力比的增加,饱和粉土的循环强度呈现先减小后增大的特征,且在初始剪应力比接近循环应力比CSR时其循环强度最低。     

水平和竖向地震作用下液化场地群桩基础动力响应试验研究

为研究水平和竖向(双向)耦合地震作用下液化场地群桩基础的动力响应,设计了可液化地基-群桩基础-框筒结构动力相互作用体系振动台模型试验。选取不同类型模拟地震波作为振动台试验激励,通过对比水平地震作用和双向耦合地震作用下土体加速度、超孔隙水压力和群桩应变等试验结果,进而分析双向耦合地震作用对可液化地基和群桩基础动力响应的影响。研究结果表明:双向耦合地震作用下,液化场地土体竖向加速度峰值随土体埋深高度的减小而逐渐增大;饱和砂土的液化效应与双向耦合地震作用和输入地震波的类型有关;相比水平地震作用,不同种类波双向耦合地震作用下群桩基础桩身中部和底部的应变峰值增大,桩顶应变峰值变化略有不同;双向耦合地震作用加剧了建筑结构群桩体系的摇摆和倾斜。研究结果对可液化地基上群桩基础的抗震设计和防灾减灾具有十分重要的研究意义。     

水平和竖向地震作用下液化场地群桩基础动力响应试验研究

为研究水平和竖向（双向）耦合地震作用下液化场地群桩基础的动力响应,设计了可液化地基—群桩基础—框筒结构动力相互作用体系振动台模型试验。选取不同类型模拟地震波作为振动台试验激励,通过对比水平地震作用和双向耦合地震作用下土体加速度、超孔隙水压力和群桩应变等试验结果,进而分析双向耦合地震作用对可液化地基和群桩基础动力响应的影响。研究结果表明：双向耦合地震作用下,液化场地土体竖向加速度峰值随土体埋深高度的减小而逐渐增大;饱和砂土的液化效应与双向耦合地震作用和输入地震波的类型有关;相比水平地震作用,不同种类波双向耦合地震作用下群桩基础桩身中部和底部的应变峰值增大,桩顶应变峰值变化略有不同;双向耦合地震作用加剧了建筑结构群桩体系的摇摆和倾斜。研究结果对可液化地基上群桩基础的抗震设计和防灾减灾具有十分重要的研究意义。     

南京饱和细砂液化后大变形条件下动剪切模量衰减特征研究

针对南京饱和细砂液化后特大变形条件下(双幅剪应变接近100%)应力-应变关系特征,分析了有效围压和初始静剪应力比等因素对南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线的影响规律,即在液化后多次循环加载条件下零有效应力阶段、剪胀阶段和反向卸载阶段的剪切模量随单向流动累积变形的衰减特征。结果表明:有效围压、初始静剪应力和循环加载幅值对南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线在零有效应力阶段和剪胀阶段的剪切模量大小及其衰减特征的影响不明显,而对反向卸载阶段的剪切模量大小和衰减特征的影响相对较大。随着有效围压和加载幅值分别增大,南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线反向卸载阶段剪切模量都有明显增大的趋势,同时其剪切模量随后续循环加载次数的衰减速度也变快。但随着初始剪应力的增大,该阶段剪切模量随后续循环加载次数的衰减速度有减慢的趋势。同时,基于试验结果,给出了南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线在不同阶段的剪切模量与单向流动累积变形有关的衰减函数及其拟合参数确定方法。     

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。     

液化砂土流动效应的振动台试验研究

采用振动台激励使饱和砂土发生液化,并侧向拖拽埋入砂土中的铝管,模拟液化土体与管体相对运动以分析液化砂土流动的力学效应。引入流体力学理论与方法,推导出以拉力反算表观黏度的表达式以及液化土体作为流体对管壁作用的黏滞剪切力。分析和比较了振时拖动、振后拖动下土体的流体性质及其流动效应的率相关性和孔压相关性,探讨了砂土密实度对土体流动效应的影响。结果表明,土体初始密实度与液化后土体的表观黏度正相关;液化土体的表观黏度以及因流动产生的黏滞剪切力与孔压反相关;液化砂土流动产生的黏滞剪切力具有强烈的率相关性。针对可液化场地中的结构抗震分析,应考虑土-结构率相关相互作用。     

排水刚性桩群桩抗液化性能的振动台试验研究

排水刚性桩是一种将竖向排水体与刚性桩相结合的新型抗液化处理措施。为研究排水刚性桩群桩的抗液化作用效果,开展了桩顶竖向荷载作用下排水刚性桩处理可液化地基的振动台试验研究,分析了地基土体的超孔压响应、加速度响应及桩顶结构的水平位移响应,并与未设置排水体的普通桩群桩工况进行对比。结果表明：加载开始后,排水桩桩身排水通道有大量超孔隙水排出,普通桩桩身没有排水现象。采用排水桩时超孔压比峰值比普通桩中减小12%,孔压消散稳定后超孔压比减小13%左右,排水桩桩身的排水通道对超孔压的消散作用集中在振动作用的前期。排水桩桩顶的侧向永久位移较普通桩桩顶侧向永久位移减小约27%。试样土体液化前,剪应力-应变滞回圈包络面积较大,土体呈现一定的剪胀特性。液化后,排水桩的剪应力-应变滞回圈的割线模量更大。上述试验结果均表明了排水刚性桩在抗液化方面的有效作用。     

可液化场地碎石桩复合地基地震动力响应分析

采用砂土液化大变形弹塑性本构模型分析可液化砂土,采用模量随应力与应变变化的等效非线性模型增量形式分析碎石桩,应用FLAC3D有限差分软件对地震动力作用下可液化场地碎石桩复合地基进行三维动力响应分析。模拟分析了在地震作用下碎石桩刚度效应和排水效应对加固处理可液化场地的抗液化效果,从初始小变形到液化后大变形的变形发展,超静孔压累积与消散,及桩与土的变形与应力分配变化等。结果表明,所用模型与方法可合理描述可液化场地碎石桩复合地基在地震作用下场地的动力响应特性和抗液化效果;在地震作用下可液化场地中桩周土体与碎石桩体的竖向应力与水平向剪切应力向碎石桩体集中,竖向有效应力比可降至约1/6～1/3;桩周土体与桩体为非协调变形,剪应变比可达7～10;碎石桩抗液化影响范围约为2.5～3倍桩径,对超过3.5倍桩径范围影响较小;碎石桩与砂土渗透系数比大于100时对降低砂土中超静孔隙水压影响明显;碎石桩对场地的加密效应可显著降低超静孔隙水压力,而碎石桩刚度则对超静孔隙水压力变动影响较小,但有助于减低地面加速度响应峰值。     

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。     

初始静剪应力对粗粒土与结构接触面循环力学特性的影响

运用80 t大型三维接触面试验机,对初始静剪应力存在时粗粒土与结构接触面循环力学特性及初始静剪应力大小的影响进行了研究。循环剪切时,接触面沿初始静剪应力方向产生了明显的切向位移,且该位移与正交切向的剪切路程基本呈直线关系,该直线与初始静剪应力的夹角和初始静剪应力水平关系可用二次多项式描述。初始静剪应力大小对接触面抗剪强度、正交切向应力-应变关系形式影响较小,主要影响正交切向应力峰值、接触面剪切体变数值及剪切体变与切向位移关系等。初始静剪应力越大,该方向产生的切向位移越大,其正交切向应力峰值越小,该应力峰值对应的切向位移亦越小,接触面剪切硬化程度越高;初始剪切时接触面剪胀量越大,而后期循环剪切时剪缩量和剪胀量则越小。     

波浪作用下饱和砂质海床土体与管线相互作用规律研究

针对波浪引起的饱和砂质海床土体和管线相互作用问题,将Biot动力固结理论与笔者课题组提出的砂土液化变形弹塑性本构模型相耦合,较为合理地再现了简谐波浪作用下较浅饱和砂质海床中管线周围可液化海床土体的超静孔隙水压力瞬态累积变化规律与液化过程。数值计算结果与Sumer等的试验规律一致。结果表明：由于管线的存在,改变了饱和砂质海床液化区域的空间分布。液化首先由管线下部土体开始产生,随着波浪荷载的持续作用,液化区域沿着管线外壁向上演化;同时海床表层土体产生液化并向深层发展,最终管线周围土体都发生液化,这是导致空管上浮的主要原因。当饱和砂质海床中存在管线时,管线附近海床土体液化深度明显变深。超静孔压累积和渗透力变化的耦合作用是导致饱和砂质海床土体产生液化的原因。与将海床土体视为饱和弹性多孔介质相比,可考虑液化全过程的弹塑性动力分析能更为合理地揭示实际波浪作用下饱和砂质海床土体的渗流场和应力场的瞬态时空演变规律。     

饱和土体静态液化失稳理论预测

通过在屈服准则和剪胀性方程中引入材料状态参数,建立了一个与材料状态相关的本构模型,用于模拟不同初始孔隙比和围压下土体的应力-应变关系。基于二阶功理论,建立了饱和土体静态液化失稳理论判别准则。通过预测一系列饱和松砂三轴不排水试验结果,验证了所建立的本构模型及判别预测准则的合理性。分析结果表明,静态液化发生于土体硬化阶段,静态液化触发伴随着剪应力达到峰值,其后剪应力降低且孔隙水压力持续增长。进一步地,模拟了充分降解的城市固体废弃物在不排水条件下的应力-应变特性,并预测到了潜在失稳线及静态液化触发点。     

复杂初始应力状态下松砂多向循环单剪特性

松砂极易液化,微小的应力状态变化也会影响其液化特性。基于多向循环单剪试验,采用松砂作为试验材料,开展不同静剪应力大小、方向和复杂剪切路径下的循环单剪试验,研究复杂初始应力状态下松砂循环单剪特性,得到以下主要结论：（1）随静剪应力比增大,试样剪应力峰值增大,第1个循环内孔隙水压力增量变大,试样更易液化;初始静剪应力大小对孔隙水压力的影响在剪切初期更显著。（2）随初始静剪应力和动剪应力主轴之间夹角增大,试样在X方向的剪应力峰值减小,试样孔隙水压力加速增长,在第1个循环以及最后1个循环内孔隙水压力增量变大,循环间差值增大,试样更易发生瞬时液化。（3）8字形剪切路径试样的应力-应变滞回圈面积最大,每个循环消耗能量最多,圆形剪切路径次之,直线剪切路径最小。复杂剪切路径会在剪切开始时诱发孔隙水压力的突然增加,加大各循环中孔隙水压力的增量,试样更易液化。（4）影响松砂液化因素的排序为：初始静剪应力与动剪应力夹角、剪切路径、初始静剪应力大小。     

地震液化条件下地面的大变形三维数值分析

地基液化条件下地面大变形是造成工程结构破坏的主要原因之一。考虑地形、地震、土层、地下水等影响因素,针对典型的岸坡场地3层土地基模型,利用有限差分法FLAC3D,对可液化场地在地震作用下发生地面大变形的过程进行了数值模拟。结果表明,临空面坡比愈大、地表坡度越陡,地基液化地表侧向位移值愈大;变坡度的场地在地震作用下发生的侧移要比单一倾斜率的场地大;地震最大加速度越大、地震持续时间越长,地基液化侧向位移、地表沉陷和隆起现象越严重;液化层的埋深、厚度以及地下水位都对地面大变形的产生有着不同程度的影响,应选择合理的地基处理方案进行处理。     

考虑场地动应力条件的饱和海洋粉细砂液化特性

确保地震荷载作用下海床场地的动力稳定性是海洋工程全寿命周期安全运行的重要保证,然而对复杂海域环境下饱和粉细砂的液化特性研究尚属少见。基于海域场地动应力计算方法,确定各试验工况的场地循环应力比CSR,并对试样施加与之对应的不排水循环荷载。试验结果表明：可液化的海洋粉细砂在考虑其场地动应力条件的循环荷载作用下出现不同的液化可能性;粉细砂呈循环破坏模式,将双幅轴向应变>5%作为循环破坏标准;海洋粉细砂的液化可能性与土体的埋深及动应力均不呈单一相关性,而是随着干密度的增大,液化振次逐渐增大,当干密度＞1.72 g/cm3时土体不再液化。该结果可为杭州湾区抗震区划及海洋工程结构抗震设计提供参考。     

地震作用下自由场中饱和砂土的应力-应变推导

水平自由场地震响应分析是岩土地震工程实践的重要内容之一。利用香港科技大学土工离心机上的双向振动台,进行了饱和砂土自由场在水平双向地震作用下的动力模型试验。根据应力和应变的定义以及达朗贝尔原理,由试验观测的土体加速度、位移和孔隙水压力数据直接推导得到不同深度处砂土的应力和应变,揭示了振动过程中饱和砂土的应力路径和应力-应变关系演化过程,以及与超静孔隙水压力发展的联系。     

地震动持时压缩比对可液化地基地震反应影响的振动台试验研究

在与可液化场地相关的振动台模型试验中,地震动持时按照时间相似比压缩后,所输入地震动的持时、频率、能量等特性均发生改变,这将对液化地基在地震荷载下的动力响应产生显著影响。本文以持时压缩比例为本次研究中的唯一变量,依托小型振动台试验,分析了各组试验中可液化地基土在地震中的宏观现象、加速度反应、孔压比发展等,针对与可液化场地相关振动台试验设计中的地震动持时按照时间相似比压缩后对液化场地动力响应影响的问题进行研究。试验结果表明:地震动记录按照很小的相似比压缩后持时太短,地震动峰值一定时,可液化场地则有可能不发生液化;地震动持时越长,地震动能量越大,超孔隙水压力随地震动的输入积累迅速,场地土液化现象越明显,土体中加速度反应也表现出不同规律。根据得到的试验结果,涉及可液化场地的振动台模型试验中,建议采用原始持时地震动记录或按照较大的时间相似比压缩的地震动记录。     

地震动持时压缩比对可液化地基地震反应影响的振动台试验研究

在与可液化场地相关的振动台模型试验中,地震动持时按照时间相似比压缩后,所输入地震动的持时、频率、能量等特性均发生改变,这将对液化地基在地震荷载下的动力响应产生显著影响。本文以持时压缩比例为本次研究中的唯一变量,依托小型振动台试验,分析了各组试验中可液化地基土在地震中的宏观现象、加速度反应、孔压比发展等,针对与可液化场地相关振动台试验设计中的地震动持时按照时间相似比压缩后对液化场地动力响应影响的问题进行研究。试验结果表明:地震动记录按照很小的相似比压缩后持时太短,地震动峰值一定时,可液化场地则有可能不发生液化;地震动持时越长,地震动能量越大,超孔隙水压力随地震动的输入积累迅速,场地土液化现象越明显,土体中加速度反应也表现出不同规律。根据得到的试验结果,涉及可液化场地的振动台模型试验中,建议采用原始持时地震动记录或按照较大的时间相似比压缩的地震动记录。     

干湿循环与初始静偏应力耦合作用下城市污泥固化土动力累积变形特性

城市污泥固化土用作路基填料,对于节约工程成本、保护环境等具有重要意义。本文以城市污泥固化土为研究对象,利用DDS动三轴仪,从干湿循环次数、初始静偏应力、动应力3个方面研究其对累积塑性应变及动强度特性的影响。试验结果表明:在干湿循环单独作用下,土体累积塑性应变随干湿循环次数的增加先增大后趋于稳定,但与初始静偏应力耦合作用下对土体累积塑性应变的影响不太显著。动应力对其影响较大,且存在临界值:当动应力小于临界值时,累积塑性应变呈现出先增大后逐渐稳定的趋势; 当动应力大于临界值时,累积塑性应变在达到某一振次后快速增大,土体迅速产生变形破坏。干湿循环与初始静偏应力都会降低土体的动强度,但干湿循环在达到10次后,动强度将趋于平稳,不再受其影响。通过回归分析,建立了考虑干湿循环次数、初始静偏应力及动应力等因素影响的城市污泥固化土稳定型累积塑性应变模型,并验证了其可行性。