考虑循环围压与振动频率影响的饱和软黏土动力特性试验研究

利用GDS变围压动三轴试验系统对宁波重塑饱和软黏土进行了一系列变围压不排水循环加载试验,重点研究了循环轴向偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土不排水动力特性,分析了循环围压、振动频率对轴向累积应变及孔压的影响。研究结果表明:不排水条件下,循环轴向偏应力和循环围压耦合作用对试样的累积塑性应变发展具有一定的限制作用,轴向累积应变随应力路径斜率η及振动频率f的增大而减小。不同应力路径斜率、振动频率影响下,应变速率随加载时间的变化规律一致,应力路径斜率η对应变速率-时间关系影响较为明显,随着应力路径斜率η的增大,应变速率减小,而不同振动频率条件下的应变速率-时间关系曲线几近重合。另一方面,最大孔压随循环围压的增加而增大,而随振动频率的增加而减小。在上述试验结果基础上,建立了呈线性关系的应变速率与加载时间关系表达式。     

长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性影响

由于软黏土渗透系数很小,目前针对饱和软黏土的循环荷载试验绝大多数都是在不排水条件下进行的。但对交通荷载而言,软黏土承受经年累月的长期循环荷载作用,实际的排水条件应该是部分排水的。基于此,通过对温州原状饱和软黏土进行不同循环应力比下的不排水和部分排水大周数（50 000次）循环三轴试验,分析了长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性的影响。研究结果表明与不排水条件相比,部分排水条件下软黏土试样的动力特性表现出很大的不同。随着循环次数的增加,部分排水条件下的孔压随先增加后降低,存在一个峰值;经过较大的循环次数后,回弹应变逐渐减小,应力-应变滞回圈逐渐缩短,面积也明显减小。为了准确预测交通荷载作用下的长期沉降,采用部分排水条件进行试验是十分必要的。     

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。     

循环荷载作用下超固结软黏土软化-孔压模型研究

随着循环次数的增加,循环荷载作用下正常固结软黏土孔隙水压力逐渐增加,而孔压的增加将导致土体发生软化现象。对于超固结软黏土,循环荷载作用下在循环初期将产生负孔压,而此时也发生循环软化现象,这显然与有效应力原理是相矛盾的。以往的研究往往通过建立软化指数与循环次数的关系来描述土体的循环软化特性,从而不能反映土体的循环过程中残余孔压变化对土体循环软化的影响。通过对杭州饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,对循环荷载作用下超固结软黏土的软化特性及孔压发展规律及两者关系进行了研究。在试验的基础上建立了超固结软黏土循环软化-孔压模型,该模型反映了残余孔压增长对超固结软黏土循环软化特性的影响规律。     

水平双向荷载耦合对饱和软黏土动力特性的影响

地震过程中剪切波可用大小和方向上相互耦合的水平两向剪切来模拟。以温州典型软黏土为对象,采用多向动单剪系统(VDDCSS)进行不排水应力控制的循环单剪试验,重点研究了水平双向耦合荷载作用下循环剪应力比(SSR)和相位差?对饱和软黏土动力特性的影响,试验组数共计19组。试验结果表明:在单向循环剪切荷载作用下温州正常固结饱和软黏土的门槛循环应力比SSR_(x,menkan)为0.096,临界循环应力比SSR_(x,limit)为0.15;水平双向耦合荷载作用下,双向循环应力比SSR(SSR_x(28)SSR_y)的提高以及循环次数N的增加会促进剪应变?的增加和孔压u的发展;当SSR稍微大于SSR_(x,menkan)时,?的增加也会阻碍?和u发展,在临界循环应力比SSR_(x,limit)附近,?的存在会急剧加快土样总应变和孔压的发展,当SSRSSR_(x,limit)时,相位差?的存在对土样总应变和孔压发展的影响基本可以忽略。     

循环作用下粘土应变软化研究

循环荷载作用下,饱和软粘土将发生应变软化现象。通过对杭州饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,研究循环次数、循环应力比、固结比、频率、超固结比对土体应变软化的影响。试验结果表明,循环次数的增加,循环应力比的提高,都将加快土体软化;循环荷载作用下,软黏土存在临界循环应力比,当循环应力比较小或较大时,软化指数与lgN近似为线性关系,而当循环应力比在临界循环应力比左右时,两者表现为明显的曲线关系。     

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。     

部分排水时饱和粉质黏土变围压循环三轴试验研究

围压循环变化将引起土体孔压累积,加剧土体累积塑性应变,导致地基灾变事故。为研究围压循环变化对饱和粉质黏土变形特性的影响,利用GDS双向振动三轴仪,进行部分排水时饱和粉质黏土的变围压循环三轴试验,研究不同应力路径斜率和循环动应力比时饱和粉质黏土的孔压、轴向累积塑性应变和体应变发展规律,建立部分排水条件时考虑循环围压和循环动应力耦合作用的地基粉质黏土累积应变数学模型。试验结果表明：部分排水时饱和粉质黏土孔压、轴向累积塑性应变和体应变均随循环动应力比和应力路径斜率的增大而增大;动孔压比随着振动次数的增加明显分为急剧增加、快速下降和持续平稳3个阶段;轴向累积塑性应变和体应变均随振动次数的增加而增大。当加载次数超过2 500次时,粉质黏土孔压趋于平稳,变形速率略有降低,但变形持续增加。补充试验结果表明,所建立模型与试验结果具有较高的一致性。研究结果将为交通循环荷载导致的地基灾变控制技术提供理论依据。     

地铁荷载下不同固结度软黏土的孔压试验模型

地铁运营前下卧层土体存在不同程度固结,这会影响到运营期隧道周围土体中孔压的变化,进而产生不均匀沉降。通过GDS循环三轴试验系统对杭州饱和软黏土进行动力测试,研究了固结度、固结应力、循环应力比对孔压发展的影响。在现有研究成果的基础上建立了考虑初始固结程度的孔压模型。研究表明：循环荷载下饱和软黏土的孔压发展形态比应变发展形态更具规律性,固结程度愈高的土体孔压发展愈缓慢,并且随振动次数增加,在较低的孔压水平就可达到稳定。预测地铁长期荷载下土体的孔压和沉降时考虑孔压测试时的滞后现象会达到更好的效果,所得的孔压模型能够较好地模拟地铁运营荷载下孔压的发展。     

循环围压对饱和软黏土永久变形的影响

通过对温州典型饱和软黏土进行一系列不同应力路径下的部分排水循环动三轴试验,研究了部分排水条件下循环围压对饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明：部分排水条件下,与常规的围压保持恒定,偏应力单独循环作用下的三轴试验结果相比,循环围压的存在对饱和软黏土的永久体应变和永久轴向应变均产生了的显著的影响。在相同循环应力比和循环次数下,试样的永久体应变和永久轴向应变均随着循环围压幅值的增大而增大,说明常规的恒定围压循环三轴试验会低估高速交通荷载作用下路基土体的沉降。基于试样第10 000圈的永久体应变和永久轴向应变,分别建立了可以量化部分排水条件下循环围压对饱和软黏土永久体应变和永久轴向应变影响的经验公式,并用于预测饱和软黏土在交通荷载这种包含循环偏应力和循环围压耦合作用的复杂应力条件下产生的永久变形。     

恒定主应力轴偏转循环荷载下饱和软黏土累积孔压特性分析

现有的饱和软黏土循环荷载累积孔压显式模型未能反映路基土体单元在土体自重作用下主应力轴的偏转现象。在确定饱和软黏土固结时间的基础上,在固结压力分别为100、150、200 kPa下,对软黏土进行主应力轴偏转角为15°、30°、45°的不排水循环加载试验,得到了固结围压、主应力轴旋转角及动应力比对循环累积孔压影响的规律。基于第一次循环加载累积孔压变化规律和修正动偏应力水平,建立了能考虑恒定主应力轴偏转角循环加载下累积孔压显式模型,并利用恒定主应力轴偏转角循环加载试验结果验证了模型的合理性。建立的循环荷载下饱和软黏土累积孔压显式模型参数易于确定,参数具有明确的物理意义且能考虑主应力轴的恒定偏转现象。     

超固结黏土单调和耦合循环的剪切特性研究

针对超固结黏土空心试样,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在均等固结条件下进行了单调扭剪和三轴-扭转耦合循环剪切试验。试验结果表明：不同超固结比黏土的单调扭剪强度也可由正常固结黏土的单调扭剪强度得到,得到了不同超固结比下饱和黏土的强度及模量的退化规律;随着超固结比的增大,相同破坏循环次数的动应力比和临界循环应力比均线性增大;超固结比对耦合循环剪切的孔隙水压力的发展模式影响显著。参考Yasuhara的测量方法,采用荷载停止后继续采集孔压的方法可以更好地反映黏土在耦合循环荷载下产生的真实孔压和孔压的增长情况。提出的综合应变式同时考虑了剪切变化和正向偏差变形的共同效应,适合作为主应力连续旋转的耦合循环剪切试验的破坏标准。     

粉质黏土周期荷载后的不排水强度衰化特性

在3种不同围压下进行了一系列重塑粉质黏土的静三轴和动-静三轴不排水剪切试验,得到了不同动应力水平条件下粉质黏土的孔压、动应变和不排水剪切强度值。通过对土样的不排水强度、孔压和动应变的无量纲化处理,确定了周期荷载作用后粉质黏土的不排水强度比与动载引起的孔压比和动应变比之间的相关关系。试验结果表明：粉质黏土在周期荷载作用后的不排水强度衰减程度取决于动载引起的动应变比值和孔压比值。当周期荷载引起的动应变比值小于0.1时,孔压比增长较快,土样的不排水强度几乎没有衰减;当动应变比大于0.1时,孔压比增长变慢,土样的不排水强度明显衰减;当动应变比值接近1时,孔压比值达到0.9,土样的不排水强度衰减程度约达到55 %     

考虑循环应力比和频率影响的动荷载下软土微观结构研究

以杭州原状软土为研究对象,借助扫描电镜和PCAS微观定量测试技术,采用分形理论对波浪荷载下的饱和软土微观结构进行研究,探讨不同循环应力比和不同频率条件下孔隙的分布特征及其变化规律。结果表明：循环应力比越大或频率越低,试样破坏所需的循环次数越少;试样临界破坏应变水平随循环应力比的增加呈升高趋势,而不同频率下的临界破坏应变水平则基本一致;孔隙的尺度、排列、形态等特征均随循环应力比的变化呈规律性变化,但随频率变化没有明显的规律性;循环剪应力作用下,孔隙破碎的同时兼并生长,这是剪切带上褶皱现象的微观本质,并且孔隙排列方向与剪切带方向基本一致。通过循环加载前、后微观结构特征参数的变化规律,揭示了波浪荷载下循环应力比和频率对土体微观结构的影响以及土体宏观变形的微观机制。     

地铁行车荷载下隧道周围加固软粘土孔压特性试验

由于上海轨道交通四号线海伦路站隧道周围软土在地铁行车荷载作用下产生变形,使隧道发生局部开裂、渗水而需要对地铁隧道进行加固处理。通过上海地铁4号线海伦路站附近隧道周围加固软粘土进行应力控制的循环三轴试验,研究了地铁行车荷载作用下加固软粘土的动孔压发展情况,充分考虑了土体围压、固结比、轴向循环荷载的大小及频率对动孔压的影响。研究结果认为,其他条件相同时,加固软粘土孔压随振动次数、循环荷载幅值的增大而增大,随围压和加载频率的增大而减小,可以用二次对数关系曲线对加固软粘土残余孔压变化进行预测。     

循环荷载下饱和软黏土的累积塑性应变试验研究

通过以交通荷载为背景的饱和重塑软黏土室内不排水动三轴试验,研究了循环荷载作用下饱和重塑软黏土的累积塑性应变发展形态,可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据稳定型累积塑性应变发展曲线特点,提出了饱和软黏土的稳定累积塑性应变方程,并通过试验结果分析了该方程中各拟合参数与动应力幅值、固结围压和静偏应力的变化规律,同时提出了求解无静偏应力条件下软黏土临界动应力的解析方法。通过动三轴试验结果,提出了含动应力幅值、固结围压、静偏应力和循环周次等影响因素的累积塑性应变拟合模型。