循环应力下饱和黏土剪切变形特性试验研究

针对饱和重塑黏土,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在不固结不排水(UU)条件下进行了应力控制式循环扭剪和竖向-扭转耦合试验,通过对试验结果的对比分析探讨了初始预剪应力和应力反向对应力-应变关系特性的影响,并阐述了不同加荷模式下孔隙水压力发展特性。以此为基础,综合考虑剪切变形和正向偏差变形的共同效应,同时为了能够反映平均残余变形和循环变形的影响,建议了一个综合应变破坏标准的算式。进而通过利用试验数据与目前常用的应变标准比较,表明这种破坏标准具有普遍适用性和较好的稳定性,适用于判定各种应力条件下黏土试样破坏及其强度。     

不同初始固结应力条件下主应力方向对海洋密砂不排水单调剪切特性的影响

利用大连理工大学的“土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪”,针对相对密实度为70％的福建标准砂,在不排水条件下控制试验过程中的中主应力系数保持不变,进行了不同初始固结应力条件下不同主应力方向的单调剪切试验.以此着重探讨了主应力方向及初始固结应力对饱和密砂单调剪切特性的影响,研究表明,主应力方向和初始固结应力对于密砂的有效应力路径和应力-应变关系均具有十分显著的影响.通过与饱和松砂不排水单调剪切特性的对比分析,探讨了初始相对密实度对砂土剪切特性的影响,研究表明随着主应力方向角增大,密砂的应变硬化效应逐渐减弱,但未出现松砂对应的应变软化现象.     

海洋粉质粘土在波浪荷载作用后的不排水抗剪强度衰化特性

通过对南海重塑粉质粘土土样的大量动三轴试验结果分析,得到此种土在波浪荷载作用后不捧水抗剪强度衰化同动载作用引起的动应变幅及平均累积孔压之间的相互关系和预估公式;并通过与超固结土样的静三轴剪切试验结果的比较,发现动、静三轴两种试验结果具有很好的吻合关系。建议可用超固结土样的静三轴剪切试验同时结合部分动三轴试验来预估土样在波浪荷载作用后不排水抗剪强度衰化与平均累积孔压之间的关系。     

循环荷载作用下粉土的动力学特征

选用近海分布广泛的粉土为研究对象,利用动三轴压缩试验结果得到了动荷载作用下粉土的应力-应变关系、孔压发展模式及动强度与临界循环次数之间的关系;探讨固结围压和固结比对粉土动力学性质的影响。动力学试验结果表明,动剪切模量随着固结围压的增大而增大,动阻尼比随动剪应变幅的变化关系受围压影响不大;不同围压对动剪应力的比值影响很小,同一围压下随着固结比的增大,动剪应力比也会随之增大;不同围压及不同固结比对以Nf表示的峰值孔隙水压力发展模式影响很小。     

深水井口导管管土界面摩擦退化试验研究

深水井口导管在黏土中的贯入阻力与导管土体界面的黏性摩擦系数密切相关。在导管安装过程中,管土界面会产生大位移剪切,使得导管-黏土界面剪切力产生退化。本文针对传统剪切试验装置小位移剪切的限制,无法正确描述井口导管贯入时导管-黏土界面大位移剪切时的退化机理,采用GDS多功能界面剪切试验仪在恒应力条件下进行大位移单调剪切试验,研究法向应力对导管管土界面摩擦退化机理的影响规律。试验结果表明,大位移单调剪切时,界面剪应力随剪切位移先增大后减小,最终趋于稳定,界面表现出剪应力退化现象,随着法向应力的增大界面峰值应力与残余应力均增大;土样法向位移随着剪切位移、法向应力的增加而增大最终趋于稳定。最后在对试验数据分析的基础上,基于剪应力随无量纲位移的退化规律,提出了界面剪应力随累积位移退化的计算方法。并结合算例对比分析了井口导管在贯入80 m深度处,由于界面摩擦退化效应导致导管贯入阻力降低了28.48%。     

压缩加载条件下含水合物沉积物蠕变特性分析

水合物开采可能诱发海底滑坡或其他工程地质灾害。实现水合物商业化开采需要中长期稳定产气，长期荷载下储层的蠕变特性是地层稳定性评价的基础力学参数。利用南海水合物储层粉黏土为试验介质在压缩加载条件下的系列固结排水蠕变测量试验结果，对粉黏土的蠕变特性进行了分析。结果表明，加载过程中，含水合物沉积物经历瞬时变形、固结变形和蠕变变形3个阶段；随着加载应力和水合物饱和度的提高，蠕变应变不断增加；修正的Singh-Mitchell蠕变模型可以较好预测不同应力水平和水合物饱和度下粉黏土的蠕变特性。     

椭圆形主应力轴旋转路径下饱和密砂动强度特性试验研究

针对海床在波浪荷载作用下的应力状态,利用大连理工大学的"土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪",针对相对密实度为70%的福建标准砂进行了一系列应力控制式轴向一扭转双向耦合的不排水循环剪切试验试。通过分别控制轴向与扭转应力幅值,研究了椭圆形主应力轴旋转应力路径下两个剪切分量对饱和砂土的动强度及其剪切特性的影响。结合所得试验结论,说明了目前广泛用于动强度分析的循环剪应力表达式无法正确反映椭圆形主应力轴旋转应力路径下的动强度,并提出了一个新的动应力表达式用于分析复杂应力路径的动强度特性。     

南海荔湾深水重塑沉积物的静、动力特性

通过大量试验,对重塑后的南海荔湾深水浅层沉积物的静、动力特性进行了研究,得出以下结论：该深水沉积物的 液限与塑性指数高,含水率高,天然容重小;其渗透系数比世界其他深水浅层沉积物渗透系数大1-2个数量级,为2.59伊10-7cm/s; 此类沉积物属高压缩性、中高灵敏的软土,其固结系数约为1.54伊10-3 cm2/s;依据k0固结不排水三轴压缩试验确定的Mohr- Coulomb 强度参数预测k0固结不排水三轴拉伸强度,预测结果明显小于试验结果;低频循环荷载作用下,该沉积物的不排水 循环强度变化规律与一般饱和软粘土的变化规律一致;地震荷载作用下,尽管它不会发生震动液化,但土层中会产生显著的 震动累积孔隙水压力,且破坏时的震动累积孔隙水压力将达到上覆有效压力的90 %,这表明地震荷载作用下此种深水沉积 物的强度弱化与基础震陷可能是比较明显的。     

深海能源土含气储层力学特性三轴试验研究

为研究深海能源土在负压开采过程中含气储层的力学特性,基于含气土赋存理论,提出一种能够控制含气量及气泡大小的制样方法,通过GDS标准应力路径三轴试验系统,开展深海能源土含气储层的固结排水试验研究,分析深海能源土在不同黏土含量及不同含气量下的力学响应规律。研究结果表明：围压变化对深海能源土含气储层的抗剪强度峰值大小影响显著,围压越大抗剪强度峰值越高;黏土含量是决定应力应变曲线变化趋势的关键影响因素,黏土含量越高试样抗剪强度越低,试样抵抗应变软化效应的能力越强;含气土比饱和土体承载能力更低,且承载能力随含气量的增大呈衰减趋势;黏土含量和含气量是深海能源土含气储层抗剪强度指标的重要影响因素,黏土含量、含气量越高,土体自身的总抗剪强度值越低。     

波致粉质土海床剪切破坏及其强度演化的试验研究

本文以黄河三角洲粉质土为研究对象,开展了波致海床剪切破坏过程中孔压响应与土体强度变化的室内水槽试验研究,试验过程中,先后在模拟海床床上施加5、10、15cm波高的模拟波浪荷载,同步测量海床内不同深度处的孔压变化,并对海床进行贯入阻力测试和不排水抗剪强度测试。研究发现:海床中孔压响应过程的规律为孔压快速累积-孔压缓慢消散,在该过程中海床内最容易形成大幅度的孔压累积、孔压响应最强烈的位置,也是海床内土体强度的逐渐丧失以及土体剪切破坏是处开始发育的深度;波浪作用下粉质海床剪切破坏后会在海床内部一定深度处出现明显的弧形破坏界面,破坏土体沿界面随波浪作振荡运动,且破坏范围经历先扩展后回缩的过程,剪切破坏界面以下会有强度硬层的发育,强度硬层的形成与演化直接受剪切破坏过程控制,最终整个海床出现明显的强度非均质化;在孔压响应过程中孔压比即超孔压与上覆有效应力比值存在临界值K(本文水槽试验所得K=0.5),当超过K值时,土体贯入阻力和不排水抗剪强度降低,发生剪切破坏,这是波浪作用提供的剪切力以及超孔压累积导致海床内部抗剪强度降低共同作用的结果。     

饱和粉土在低围压下剪切特性的试验研究

通过室内静三轴试验,对黄河水下三角洲埕岛海域沉积物———粉土的剪切特性进行了研究。比较了粉土在低围压和高围压下的剪切变形特性和强度特性。试验结果表明,粉土在低围压(10,20,30,40 kPa)下的应力应变曲线和高围压下的应力应变曲线总体趋势基本一致,但在不同围压下其抗剪强度存在差别。     

基于大直径三轴试验的钙质砂相对破碎率公式修正

钙质砂因特殊的成因,具有不规则形状和复杂孔隙等特征,容易发生颗粒破碎。本文对南海某岛礁天然钙质砂进行等向压缩试验和大直径三轴排水试验,同时测量颗粒相对破碎率,结果表明：钙质砂强度随轴向应变逐渐增大,达到峰值后明显软化,且峰值偏应力随围压增大而增大;颗粒破碎随着剪切逐渐发生,且围压越大破碎程度越大。采用描述颗粒破碎的SIMSAND模型预测排水条件下的三轴剪切试验,通过试验与预测结果的对比,揭示了模型对钙质砂预测的局限性。本文改进了SIMSAND模型,提出了围压不超过1 MPa时的颗粒相对破碎率公式,优化后的公式能更合理地预测峰值应力对应的轴向应变和颗粒破碎程度的演化。     

不均匀波浪荷载作用下海积软黏土的动力特性

为研究饱和海积黏土在均匀与不均匀波浪荷载作用下的循环特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪进行了一系列不排水试验,在相同的初始固结状态下,对试样施加不同最大偏应力q_max、最小偏应力q_min的圆形及螺旋形应力路径的轴—扭联合循环载荷。分析了在考虑主应力轴旋转时,这两种不同应力路径的循环应力比R_CS与动应力比δ=q_mim/q_max对循环加载期间土体动力特性的影响。试验结果表明：R_CS与δ的增大均能提升黏土在波浪荷载下的孔压、轴向应变、双幅剪切应变及其速率,同时也能使土体轴向回弹模量与动剪切模量的衰减更严重,且δ的作用效果会随R_CS的增大而增大。当R_CS≤0.05时,土体在循环期间保持为“弹性安定或塑性安定”状态;而当R_CS≥0.06时,土体会处于“疲劳破坏”或“塑性蠕变”状态,其具体形式由R_CS与δ共同决定。土体在循环过程中的轴向回弹模量与动剪切模量近似呈一定比例。     

粘土中张紧式吸力锚破坏模式与承载特性有限元分析

对利用有限元计算分析张紧式吸力锚承载力的方法进行了研究,结果表明:锚土之间接触特性的描述取决于锚的破坏模式;当锚为竖向破坏时,采用临界剪应力摩擦模型描述锚土间接触是恰当的;当锚为水平破坏时,采用库伦摩擦模型描述锚土间接触是恰当的。计算中若采用基于Mises屈服准则的理想弹塑性本构关系描述软土的不排水应力应变特性,且按位移标准确定极限承载力,则弹性模量的取值对确定软土中吸力锚承载力有影响且取决于锚的破坏模式;当锚发生竖向破坏时,弹性模量按约150倍的不排水强度取值是恰当的;当锚发生水平破坏时,弹性模量按约75倍的不排水强度取值是恰当的。探讨了依据软粘土循环强度利用拟静力弹塑性有限元计算,估算平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚平均位移变化趋势的可行性,计算与模型试验结果比较说明,计算得出的拟静力荷载位移曲线能够对锚实际平均位移的变化趋势给出一个恰当的估计。     

北部湾地区海砂填料的动力特性分析

为研究北部湾地区海砂填料的动力特性,采用高级动态三轴测试系统开展循环荷载下的动三轴试验,研究不同围压及不同动应力幅值对海砂动力特性的影响规律。试验结果表明：轴向累计应变随围压增加而减小,围压150 kPa时振次10 000后应变仅为3%;随着动应力幅值的增大轴向累积应变随之增大,且达到破坏标准的时间越短。动弹性模量随着动应力幅值和围压的增加而增大,不同围压下动弹性模量随动应变的增加出现先骤减再略减后稳定的发展趋势,ε_d>0.3%后开始趋于稳定;不同动应力幅值下动弹性模量出现先增后减直至稳定的趋势,其中动应力幅值对动弹性模量有明显的影响,围压影响相对较小。孔压比随动应力幅值增加而减小,随围压增加而增加。     

风暴浪导致的黄河口水下土体破坏试验研究

本文试验利用取自黄河水下三角洲的样品 ,重塑后铺设水槽底床进行水槽试验 ,并利用原状土进行动三轴试验 ,2种试验均测定土体内的孔隙水压力。根据各种情况下孔隙水压力的变化记录 ,表明土体破坏同时其孔隙水压力产生骤变。将本文试验结果与在黄河水下三角洲不稳定区的原位沉积动力学试验孔隙水压力测试结果对照 ,说明黄河三角洲水下斜坡某些土体的破坏 ,未出现波浪循环荷载作用下孔隙水压力积累升高所导致的土体液化破坏 ,而是风暴浪对海底的强切应力作用致使土体产生剪切破坏     

曹妃甸吹填粉细砂液化特性研究

曹妃甸围海造陆区吹填了高厚度的粉细砂,粉细砂在地震荷载作用下可能发生液化,威胁吹填区码头和堆载场地的稳定性。采用等体积循环单剪试验,研究了吹填粉细砂在循环荷载作用下的强度和等效超静孔压发展。随着荷载循环次数的增加,粉细砂中超静孔压的发展呈现"快-慢-快"趋势。当累积孔压达到初始固结应力的80%时,超静孔压快速增加,土体达到破坏,液化的发生具有突发性。根据单调和循环单剪试验数据,提出了曹妃甸吹填粉细砂动强度的归一化表达式。结合场地液化评估简化方法,对曹妃甸场地进行了液化判别:在7级地震作用下,中密粉细砂场地的液化深度能达到10 m。     

未胶结钙质砂静力和循环强度的单剪试验研究

通过等体积的单调和循环单剪试验研究南海未胶结钙质砂的静、动力反应,讨论应力水平和相对密实度对钙质砂静、动力强度的影响,并与典型的石英砂性质进行比较。在单调单剪试验中,中密和密实钙质砂在100～400 k Pa范围的初始竖向应力下都表现出应变硬化的性质,有效内摩擦角随剪应变增大。在循环单剪试验中,钙质砂的反应与相对密实度和初始竖向应力密切相关,但中密和密实钙质砂中的等效孔压都能达到初始竖向应力的85%～90%,此时剪应变突增,试样发生破坏。与相近密实度的石英砂相比,钙质砂抵抗液化的能力更强。提出了南海钙质砂动强度的归一化表达式,建立了不排水静强度、不排水动强度和循环次数之间的关系。     

循环荷载下粉土液化流动特性拖球试验研究

基于流体力学中的Stokes黏滞阻力理论,以振动台试验为基础,开发了一套测量液化过程中粉土流变特性的拖球试验装置。在铺有粉土海床的模型箱内埋设光滑小球,通过测量小球水平运动过程中所受阻力值的大小,计算粉土液化的表观动力黏度,分析粉土液化过程中的表观动力黏度与超孔压比之间的关系,以及液化后表观黏度与应变率的变化规律。试验结果表明,振动台试验下,孔隙压力表现为迅速上升,粉土迅速达到液化状态;振动过程对海床固结影响较大;粉土海床在未达到完全液化状态时（ru<1）,表观黏度随超孔压比增大而减小,在液化状态下（ru=1）,剪应力随应变率增大而减小,粉土呈现出剪切稀化的特点,为典型的非牛顿流体特征。     

自由落体式球形贯入仪在硬-软黏土中的贯入响应

自由落体贯入仪（free falling penetrometer,简称FFP）通过自由下落贯入土层中,由于其高效便捷的特性,越来越广泛地被应用于海底浅层土体原位勘察。采用耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian Lagrangian,简称CEL）方法,进行了球形FFP在硬-软双层黏土中贯入的大变形有限元分析,考虑了土体的应变率和应变软化效应。与离心机试验、现场试验和数值模拟结果进行了对比,验证了模型的可靠性。分析了成层土对贯入过程的影响,发现FFP在贯入过程中上部硬黏土层形成空腔,且底部会伴随着土塞。通过广泛的变参数分析结果,拟合了球形FFP最终贯入深度与总能量之间的归一化表达式,建立了土体不排水抗剪强度、FFP直径和贯入速度与FFP在硬-软黏土层中最终贯入深度的关系。