循环荷载下干燥与饱和砂岩力学特性及能量演化

对取自陕北榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥及饱和试件进行单轴循环加、卸载试验,分析了干燥与饱和状态下岩石的强度和变形特征以及岩石破坏过程中的能量演化与能量分配情况。结果表明:(1)循环加、卸载导致干燥试件的峰值强度较单轴压缩时下降19.47%;(2)饱水对砂岩的强度和变形均有影响,饱和试件的平均峰值强度比干燥试件低39.55%,同时饱和试件具有更加明显的压密阶段;(3)循环加、卸载下砂岩的加载和卸载弹性模量均呈现增大趋势,但饱和试件的弹性模量低于干燥试件;(4)通过峰值强度归一化处理后发现,在应力加载的不同阶段,饱和试件的弹性应变能Ue和耗散能Ud均低于干燥试件;(5)加载过程中,饱和试件弹性应变能Ue的占比高于干燥试件,该比例随着加载过程逐渐下降并在破坏前与干燥试件的Ue的占比达到近似水平。     

不同应力路径下饱和黏土耦合循环剪切特性

地基土单元体在波浪荷载的作用下将发生主应力轴连续旋转,这对土的强度和变形特性会产生显著的影响。针对饱和黏土,利用土工静力－动力液压三轴－扭转多功能扭剪仪进行了均等固结下的耦合循环剪切试验,着重研究了不同循环应力路径对应力-应变关系和强度特性的影响。试验结果表明,耦合循环荷载下黏土扭转剪切分量和正向偏差分量的应力-应变关系曲线与应力路径有关,且随着振动次数的增加逐渐疏松,割线模量 和 不断衰减,这与不固结不排水条件下的应力-应变关系曲线的变化规律明显不同;扭转剪切分量大的椭圆应力路径的动强度略小于正向偏差分量大的动强度。饱和黏土在不同应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的本构模型提供试验依据。     

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。     

考虑循环弱化的饱和黏土简化非线性模型

随着海洋工程建设的快速发展,海洋环境中的地基稳定性逐渐成为学者和工程师关注的热点问题,建立一个简化的饱和黏土循环加载模型对于长期循环荷载下海上构筑物的设计具有重要意义。针对饱和黏土的循环弱化特性,在Hardin-Drnevich等效非线性模型的基础上,建立了考虑循环弱化的饱和黏土简化非线性模型来描述循环加载下饱和黏土的应力-应变关系,模型中引入了由循环加载期间产生的累积塑性变形控制的强度和模量衰减比公式。通过参数分析,说明了形状参数 与n以及残余衰减比与衰减系数等参数的意义和作用。通过对文献中单向循环试验和双向循环试验结果的模拟,验证了该简化模型可以较好地描述循环加载时饱和黏土应力应变滞回圈的演变规律以及循环加载后饱和黏土的强度和刚度弱化现象。简化模型大大提高了计算效率,与传统的土体弹塑性模型相比更加便于工程应用。     

周期性循环载荷作用下岩石声发射规律试验研究

声发射是岩石等脆性材料内部损伤的伴生现象。在周期性循环载荷作用下通过改变不同应力幅度和不同加载速率对细粒砂岩进行声发射试验研究,探讨了声发射在周期性载荷作用下的声发射规律。研究结果表明,改变上限应力对声发射现象的影响显著,而改变下限应力的影响主要在循环末期,提早了每个循环声发射产生时间;加载速率的增加提高了声发射率,特别是循环过程中主裂纹的形成和扩展阶段,加快了岩石破坏进程;不同应力幅度和加载速率下声发射表现出不同的发展模式,不同模式预示着不同的岩石变形破坏速率。     

砂岩三轴循环加卸载条件下的渗透率研究

渗透率是地下工程的流-固耦合分析中的一个关键因素。对多孔红砂岩进行了三轴压缩试验,在不同变形阶段实施了轴向应力循环加卸载,并在试验全过程中测量轴向渗透率,得到了试样破坏全过程的渗透率演化规律。从平均应力和循环加卸载对渗透率的影响等两方面进行了深入分析,结果表明,（1）随着轴向变形的增加,初始压密阶段和弹性变形试样渗透率均匀减小;进入塑性变形阶段,渗透率与轴向变形的曲线逐渐趋于水平,低围压条件下渗透率略有增加。（2）轴向加载使骨架颗粒被压缩,引起孔隙减小,造成渗透率减小;采用经验公式定量描述了渗透率和平均应力之间的关系。（3）轴向应力循环加卸载过程中,骨架颗粒的不可恢复变形引起渗透率产生不可恢复现象。（4）峰值后渗透率只发生少许突跳,说明对于多孔砂岩,孔隙和裂隙对渗透率的影响相当,且渗透率的突跳程度随着围压的升高而降低。     

受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏的试验研究

为了研究受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏及变形发展规律,在Instron电液伺服材料试验机上进行了红砂岩的单轴动静组合加载试验。采用自制的一维水平静压加载装置,配合Instron电液伺服材料试验机进行了红砂岩的二维动静组合加载试验。试验表明,受静载荷的红砂岩在周期载荷作用下的破坏形态因所受静载荷的状态不同而不同,在周期载荷作用下的应力-应变曲线表现为滞回圈先疏后密再疏,直至破坏;相同条件的受静载荷的红砂岩受不同周期载荷作用时,尽管其应力-应变曲线表现为不同的滞回圈数和不同的全应变,但仍与岩石在周期荷载作用下疲劳破坏的极限变形规律一致,并且破坏岩石所消耗的有效全应变能有向相同值发展的趋势。     

三维应力状态下饱和软黏土循环动力特性试验研究

在三维应力空间中,基于循环大主应力与循环中主应力的耦合模拟交通荷载下竖向循环正应力与平行于道路方向的水平向循环正应力的耦合,构建了循环大、中主应力耦合应力路径,定义了循环应力路径表征参数——循环中主应力系数bcyc。通过GDS动静真三轴仪,对正常固结饱和软黏土进行了一系列循环大、中主应力耦合应力路径下的不排水循环加载试验,重点分析了循环中主应力系数及循环应力比对正常固结软黏土长期循环动力及安定特性的影响。试验结果表明：三维应力状态下,循环中主应力系数的增大提升了土体回弹模量,抑制了累积大主应变的发展,并且累积大主应变与循环中主应力系数呈线性关系。基于安定理论,确定了循环大、中主应力耦合应力路径下饱和软黏土的容许循环应力比,同时发现循环中主应力系数的增加引起了容许循环应力比的上升。     

考虑循环载荷下饱和黏土软化的损伤边界面模型研究

研究表明,循环载荷作用下饱和黏土将发生软化,其机制主要有两个：一是孔压的积累;二是土体原有结构的不断损伤和新结构的不断重塑。针对上述机制,基于广义各向同性硬化准则建立了考虑饱和黏土循环软化的损伤单面模型。该模型在有效应力空间中引入损伤变量,表征土体结构的损伤和重塑程度,在连续的循环加载下,损伤不断累积,边界面则随着损伤的累积不断收缩,以模拟饱和黏土刚度和强度的软化;以应力反向点作为边界面的广义各向同性硬化中心和映射法则的映射中心,灵活地选择塑性模量的插值公式以模拟塑性变形和孔压的累积以及应力-应变的滞回特性。应用该模型对不排水循环三轴试验进行模拟,并且考查了循环周次、循环应力水平和固结历史对饱和黏土循环软化特性的影响,并与相关试验比较,验证了模型的有效性。     

多级循环荷载下饱和岩石的弹塑性响应

根据流体饱和的大理岩和砂岩的多级循环荷载试验,利用内时理论模型,分析了流体饱和岩石的弹塑性响应。在多级循环荷载过程中,岩石的应力-应变关系呈现尖叶状的滞后回线,滞后回线随着循环次数的增加向应变增大的方向移动,并不断地产生弹塑性应变。分析表明,多级循环荷载过程中,塑性应变相对于弹性应变而言是比较小的,而且随着循环数的增加,产生的塑性应变占整个应变总量的比例越来越小。黏弹性和微塑性分量分别通过时间和振幅因素影响了岩石的刚度,在中等应变范围内微塑性分量的存在使得饱和大理岩和砂岩的滞后模量随着应变振幅的增加而减小,而且孔隙流体的类型对岩石的滞后模量有影响。石油饱和岩石的滞后模量比水饱和岩石的滞后模量要大,这可能与孔隙流体的黏滞性有很大的关系。     

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。     

循环荷载的频率和幅值对砂岩动力特性的影响

岩体动力参数的取值关系到岩体结构工程动力计算结果是否符合工程实际。鉴于实际动力荷载的频率和幅值都可能在一定范围内变化,设计了综合考虑频率和幅值变化的循环加、卸载试验方案,分析这两种因素对砂岩动应力-应变滞回曲线、动弹性模量、阻尼比和阻尼系数等动力参数的影响。研究结果表明:(1)应力-应变滞回圈的形态与加卸载的频率和幅值有关,频率越大则越饱满,幅值越大则越狭长;(2)循环荷载频率从0.02 Hz增至1.00 Hz,砂岩的阻尼系数逐渐减小,而阻尼比和动弹性模量逐渐增大,比较而言,阻尼比和阻尼系数变化幅度较大,动弹性模量的变化幅度较小;(3)循环荷载应力幅从10 MPa增至35 MPa时,砂岩的阻尼比逐渐减小,阻尼系数变化不大,而动弹模逐渐增大,比较而言,应力幅对动弹性模量的影响较大。研究成果可为岩石动力参数的合理选取提供较好的参考。     

Study on dynamic response of saturated soft clay under the subway vibration loading I: instantaneous dynamic response

In this paper, the results of the instantaneous dynamic response of saturated soft clay under the subway vibration loading are presented. Based on the assumption of soil as viscoelastic medium, wave equation under forced vibration of three-dimensional anisotropy is derived, and time–space domain semi-analytical solution is given through Laplace and Fourier transform and their inverse transform using MATALB. Taking Shanghai metro line No. 2 for example, the dynamic monitoring is conducted with embedded earth pressure gauges and pore piezometers around the tunnel, and the horizontal response amplitude of dynamic stress of soil around the tunnel is calculated by the method presented in this paper with the laboratory Global Digital System test apparatus to determine the related calculation parameters. Then, a comparative analysis is made between calculation result and continuous field monitored data, and it is found that the attenuation trend of the two cases agree well with each other both in the horizontal and vertical direction, which indicates that the method presented in this study is reasonable.     

Response of saturated porous media to cyclic thermal loading

The response of a semi‐infinite saturated porous medium subjected to a harmonic thermal loading on its free face is studied herein. The pressure diffusion equation that governs the fluctuation of the interstitial pressure is established. It allows us to obtain prevalent parameters, i.e. the thermal and fluid mass diffusivities and the coefficient of relative bulk variation. Closed‐form solutions of the maximum fluid pressure P_max and its location x_cr are derived. It is shown that the location x_cr of P_max is localized and depends on the diffusivity ratio and the frequency of the thermal loading while the magnitude of P_max depends on the diffusivity ratio and the thermal amplitude. Master curves for x_cr and P_max versus diffusivity ratio are built. It follows that three regimes can be distinguished: namely, thin spalling, thick spalling or in‐depth cracking and no cracking. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Experimental evaluation of sandstone under cyclic coupled compression-shear loading: fatigue mechanical response and failure behavior

In this study, the inclined sandstone specimen is introduced into cyclic loading tests to fulfill the coupled compression-shear loading state. 21 cyclic coupled compression-shear loading tests are conducted on inclined specimens under different loading conditions, including maximum stress levels ranging in 0.80, 0.85, 0.90 and 0.95, and amplitude levels varying in 0.40, 0.50, 0.60 and 0.70. Our testing results systematically revealed the influence of cyclic loading parameters on fatigue mechanical response of rocks under coupled compression-shear loading, regarding the deformation characteristics, energy evolution, damage variable and failure mechanism. Under higher maximum stress or cyclic amplitude, inclined rocks are characterized by larger elastic modulus and higher dissipated energy, resulting in less irreversible strain, faster damage accumulation and shorter fatigue life. Furthermore, a fatigue life prediction method is proposed based on the energy dissipation, and its reliability is verified by comparing with experimental results. In addition, the progressive cracking behavior of rocks is analyzed during the fatigue tests by virtue of digital image correlation technique. Under cyclic coupled compression-shear loading, rock specimens are featured by a prominent shear-dominated failure along its short diagonal direction combined with local tensile damage along the loading orientation.

     

饱和粉土振动液化分析

液化是造成场地地震破坏的首要原因之一。自Casagrande的经典工作以来,对地震液化的研究已经取得了很大的进展。然而这些研究大多是针对于砂土而进行的,对于粉土液化研究的相对较少,且粉土的液化特性也有别于砂土。因此,在已有研究的基础之上利用粉土液化试验得出的结果,分析了粉土液化的机理、影响因素以及在振动过程中粉土中孔隙水压力的增长规律,认为粉土中的粘粒含量、密实度以及土的结构性对其抗液化能力有较大的影响。考虑到试验中振动次数的离散性,引入了时间参数的概念,根据动三轴试验结果提出了孔隙水压力增长的经验公式,可以比较方便地应用于计算液化的有限元程序中去。     

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。     

Assessment of the dynamic behaviour of saturated soil subjected to cyclic loading from offshore monopile wind turbine foundations

The fatigue life of offshore wind turbines strongly depends on the dynamic behaviour of the structures including the underlying soil. To diminish dynamic amplification and avoid resonance, the eigenfrequency related to the lowest eigenmode of the wind turbine should not coalesce with excitation frequencies related to strong wind, wave and ice loading. Typically, lateral response of monopile foundations is analysed using a beam on a nonlinear Winkler foundation model with soil–pile interaction recommended by the design regulations. However, as it will be shown in this paper, the guideline approaches consequently underestimate the eigenfrequency compared to full-scale measurements. This discrepancy leads the authors to investigate the influence of pore water pressure by utilising a numerical approach and consider the soil medium as a two-phase system consisting of a solid skeleton and a single pore fluid. In the paper, free vibration tests are analysed to evaluate the eigenfrequencies of offshore monopile wind turbine foundations. Since the stiffness of foundation and subsoil strongly affects the modal parameters, the stiffness of saturated soil due to pore water flow generated by cyclic motion of monopiles is investigated using the concept of a Kelvin model. It is found that the permeability of the subsoil has strong influence on the stiffness of the wind turbine that may to some extent explain deviations between experimental and computational eigenfrequencies.     

循环荷载下砂岩疲劳损伤过程的声学特性分析

利用电液伺服疲劳试验机系统研究了砂岩在单轴受压循环荷载作用下的疲劳损伤特性,配合智能型超声波检测设备及损伤在线实时监测系统,对砂岩试件在疲劳损伤过程中的声学参数（超声波速、时域波幅、波形）进行了实时的测量及详细地分析研究。结果表明,在循环加载过程中横向超声波速随损伤的发展变化比较敏感,呈现有规律的倒S型三阶段衰减现象,可以客观地描述砂岩的疲劳损伤特性及直观地反映疲劳损伤的各个阶段;超声波时域幅值在砂岩疲劳损伤过程中变化不稳定;波形在砂岩损伤过程中从有规则的纺锤形逐渐发生畸变,波形相关系数随循环次数的增长呈现整体下降趋势。研究成果进一步丰富了声学数据在疲劳损伤过程中的应用,从声学角度探讨了岩石疲劳损伤过程的微观机制,为进一步选择声学参数进行岩石疲劳损伤过程的跟踪识别提供试验依据。