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。     

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。     

冲击荷载下含夹层饱和砂土孔压变化规律分析

砂土中夹层的性状会影响饱和砂土孔压发展,从而影响砂土层变形。为研究夹层位置、厚度和种类等不同夹层状态下砂土液化过程中的孔压变化规律,设计了冲击荷载作用下层状砂液化试验,建立了含夹层饱和砂土理论模型,并将试验结果与理论分析进行对比。结果表明：含夹层饱和砂土的孔压发展呈现3个阶段,即快速上升、快速消散、缓慢消散阶段。高渗透性夹层高度越高,其下方土层孔压快速消散时长越短,越快趋于稳定值,但消散总时长无明显影响;低渗透性夹层高度或厚度的增大,均会使夹层上方孔压快速消散阶段速率加快,孔压消散稳定阶段延长,孔压消散总时长随之线性增长;同时,孔隙水会在低渗透性夹层下方形成水膜,夹层高度或厚度的增加均会使水膜持续时间增长,但水膜形态主要受夹层厚度影响。试验结果与理论分析较为一致,说明了试验的可靠性。     

脉冲地震动中竖向加速度对场地液化的影响

为研究近断层脉冲地震动中竖向加速度对砂土场地液化的影响,基于有限元平台OpenSees开发的边界面塑性本构模型,建立了动单剪单元试验模型和饱和砂土三维有限元模型。选取台湾Chi-Chi地震中10条具有速度脉冲特性的地震波,对比分析了水平双向脉冲波与三向脉冲波作用下土柱竖向位移、循环应力比、孔压比及等效循环周数的差异性,继而明确了脉冲地震动中竖向加速度对砂土液化的影响规律。研究表明,三向脉冲地震波中竖向加速度分量对场地永久位移值影响较小,但使永久位移的发展持时明显增大;土柱循环应力比受竖向地震动影响较小,因此分析脉冲地震动对场地剪切特性的影响时,可将三向脉冲地震动简化为水平双向地震动;考虑竖向地震动的三向脉冲地震波引起的孔压比变化幅度较大,孔压消散时间较长;三向脉冲地震波对应的等效循环周数较大,地震动发展持时长,可认为竖向加速度对场地液化有促进作用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

辽西地区风积砂土振动液化特性的试验研究

本文对辽西地区风积砂土地震液化特性进行了实验研究,对围压、固结比、密度和细粒含量进行了分析,得出了它们对抗液化强度的影响规律,同时分析了不同细粒含量和干密度对砂土振动孔压发展模式的影响规律.在偏压固结情况下,振动孔压的发展趋势可以用双曲线对其进行模拟;在均压固结条件下,振动孔压的发展趋势和H.B.Seed、张建民等人研究的振动孔压发展趋势的曲线形态相一致.通过实验分析表明细粒含量、密度等都会对孔压的增长规律有一定影响.     

Triaxial tests on the fluidic behavior of post-liquefaction sand

Liquefaction-induced ground deformation is a major cause of structural damage during earthquakes. However, a better understanding of seismic liquefaction is needed to improve earthquake hazard analyses and mitigate structural damage. In this paper, a dynamic triaxial test apparatus was employed to investigate the fluidic characteristics of post-liquefaction sand. The specimens were vibrated to the point of liquefaction by dynamic loading, and then the liquefied sand was further sheared by triaxial compression in an undrained manner. It was found that a non-Newtonian fluid model can accurately describe the shear stress and the shear strain rate of post-liquefaction sand during undrained triaxial compression. The apparent viscosity, a major parameter in a constitutive model of a non-Newtonian fluid, decreases with an increase in the shear strain rate.     

强震作用下液化场地群桩动力响应及p-y曲线

为研究液化场地中群桩在强震作用下的动力响应特征及桩侧土抗力-桩土相对位移（p-y）曲线规律,依托海文大桥实体工程,基于振动台模型试验,开展了0.15g～0.35g地震动作用饱和粉细砂土层不同埋置深度下的砂土孔压比、桩身弯矩及p-y曲线动力响应研究。结果表明：地震动强度达到0.25g时,不同埋置深度下的饱和粉细砂土层孔压比均大于0.8,产生液化现象,且随埋置深度增加,孔压比增长时刻明显滞后;不同埋置深度下,桩身弯矩最大值均位于液化土层和非液化土层分界面处;同一埋置深度时,随地震动强度的增大,p-y曲线所包围的面积逐渐增大,其整体斜率逐渐变小,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐增大,桩周土体刚度逐渐减小;随埋置深度增加,p-y曲线所包围的面积逐渐减小,其整体斜率逐渐增大,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐减小,桩周土体刚度逐渐增大。因此,液化场地桥梁群桩抗震设计时,应综合考虑液化土层与桩基础的相互位置关系,确保桩基础在液化土层与非液化土层分界处的抗弯承载能力。     

石碑塬滑坡黄土液化特征及其影响因素研究

石碑塬滑坡是1920年海原地震触发的大型黄土流滑,认识其破坏特征与发生机制对于黄土边坡长距离液化失稳机制的研究非常重要。对石碑塬黄土滑坡的调查和研究表明,饱和黄土或高含水率黄土具有很高的液化势和流态破坏势,在强震作用下,饱和黄土易发生液化或流滑。对石碑塬滑坡的7组原状黄土样品进行振动三轴剪切试验,并结合其微观特征分析,探讨了循环振动荷载作用下的饱和黄土孔隙水压力-应变增长模型,分析了振动液化过程中液化应力比与黄土粒度组成、土体微观结构参数及饱和度之间的关系。结果表明：黏粒含量越低,振动作用下饱和黄土孔隙水压力响应越快,液化应力比越低;黄土孔隙比越大,孔隙结构分形维数越大,液化应力比越低,振动液化后黄土孔隙分形维数降低,结构较液化之前更为致密;饱和度对黄土粒间胶结物质的赋存状态及黄土结构强度影响很大,同一土体饱和度越高,溶滤于孔隙水中的离子浓度越高,土体粒间接触点（或胶结点）越容易发生断裂,使得黄土结构强度降低,液化应力比降低。     

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。     

砂土液化流动变形的简化方法

已有的液化砂土流动特性试验结果表明,砂土在液化流动状态下是剪切稀化非牛顿流体,可以用幂函数表示其剪应力-剪应变率的关系,从而建立了砂土液化流动的本构方程。基于FLAC3D程序的二次开发平台,将液化流动本构方程开发到FLAC3D中,建立了液化流动变形的简化分析方法。通过倾斜场地的液化流动变形分析,发现倾斜场地的液化变形曲线可以用正弦函数曲线描述,这与Towhata的理论分析成果一致,验证了本方法的合理性。分析了液化层坡度、稠度系数、流动指数以及弹性参数等变量对液化变形的影响。计算结果表明,液化变形随液化层坡度的增大而逐渐增大,液化砂土的稠度系数和流动指数对液化流动变形有重要的影响,而弹性参数对变形基本无影响,因此,在实际工程分析中,需要对流动模型参数进行深入研究。     

Laboratory assessment of saturation and sample molding effects on shear resistance and mechanical characteristics of sandy soil

In order to evaluate shear resistance characteristics of sand, which has previously experienced liquefaction, two series of drained and undrained monotonic triaxial compression tests on medium dense sand were carried out. In the first test series, the influence of the specimen preparation method and confining pressure has been studied. It was found that there was a marked difference in the behavior even though the density and stress conditions were identical. The conclusion was that the soil fabric was responsible for this result. In the second series of tests, the saturation influence on the shear resistance of the sand was examined. The results showed that the decrease in Skempton's pore pressure coefficient B improves the shear resistance and increases the friction angle of the sand.     

Shear strength and pore-water pressure characteristics of sandy soil mixed with plastic fine

Recent earthquake case histories have revealed the liquefaction of mixtures of sand and fine particles during earthquakes. Different from earlier studies which placed an emphasis on characterisation of liquefaction in terms of the induced shear stress required to cause liquefaction, this study adopted a strain approach because excess pore-water pressure generation is controlled mainly by the level of induced shear strains. The current study includes the results of a set of laboratory tests carried out on sand specimens with the same relative densities and variation in the plastic fines (kaolinite or bentonite) contents ranging from 0 to either 30 % and consolidated at mean confining pressure of 100, 200 and 300 kPa using static triaxial test apparatus, in order to study the influence of fine content and other parameters on the undrained shear strength and liquefaction potential of clayey sand specimens; also, pore-water pressures in the specimens are discussed. Results of tests show that the peak strength decreases as the fines (kaolinite or bentonite) content increases up to a threshold content of fines (FC_th) after which, increases in plastic fine content lead to improve the peak shear strength of specimens, and also the ultimate steady-state strength has been improved due to the increased in plastic fines content. Also, pore pressure build-up in clayey sands is generally slower than that observed in pure sand.     

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。