干砂小应变动力学参数的弯曲元试验

弯曲元是测试土体小应变动力学参数的常用手段,然而在使用弯曲元测试时,波形、频率、峰值和试样的尺寸对波在土体中传播时间的确定会造成一定的影响。目前大多从输入波的频率方面来研究其对输出信号传播时间确定的影响,但对输入波峰值、输入波形对输出信号的影响研究较少。基于此,采用弯曲元对干燥福建标准砂的小应变动力学参数进行了研究,分析了输入频率、输入波峰值、输入波形对输出信号的影响,以及土体相对密度和有效围压对侧线模量、剪切模量和泊松比的影响。结果表明：输入频率对S波(剪切波)的传播时间有明显影响,对P波(压缩波)基本没有影响;输入波峰值的大小对判别S波或P波的传播时间没有影响;输入波形对S波或P波的传播时间有显著的影响;土体的侧线模量、剪切模量和泊松比均随有效围压和孔隙比的增大呈指数形式变化。根据Hardin提出的小应变模量预测模型,拟合出了考虑有效围压和孔隙比耦合作用下的三维模型公式,可为实际工程中对侧线模量、剪切模量和泊松比的估算提供一定参考。     

上海典型黏土小应变特性的试验研究

在小应变水平下土体的刚度特性明显不同于常规试验得到的土体刚度,正确评价土体的小应变特性对于基坑、隧道等地下工程的变形分析具有重要作用。采用装有霍尔效应局部应变传感器的三轴试验和配有弯曲元的共振柱试验,研究上海典型天然黏性土的小应变特性。研究表明,随着土体深度的增加,土体剪切模量增大;第(2)~(5)层的小应变刚度衰减规律基本一致,第(6)层土因其明显的超固结特性,其刚度衰减速率明显大于其他土层;共振柱试验给出了各层土样的初始剪切模量以及归一化剪切模量比与剪应变的关系;三轴和共振柱试验均揭示了上海典型黏性土的剪切模量在小应变范围内随剪应变增加呈非线性衰减的规律。     

小应变条件下应力路径旋转对剪切模量影响

以重塑土经 固结形成的试样以及经 固结后通过特殊应力路径达到特定应力状态的试样为对象,研究了在小应变范围内应力路径旋转对土体剪切模量的影响以及剪切模量随应变变化的趋势。研究表明,在小应变范围内：（1）剪切模量的初始值随试验应力路径与近期应力历史间的夹角 增大而增大,当两者完全相反时,应力路径旋转对土体在小应变条件下的剪切模量影响最大;完全一致时,其影响最弱。（2）割线剪切模量总是大于切线剪切模量;剪切模量随着剪切应变的增加而衰减,且衰减规律保持一致,但应力路径、应变范围不同时其衰减幅度不同。在小应变条件下,土体表现出各向异性,但随剪切应变的增加而逐渐减小,最终表示为近似各向同性;同时由应力路径旋转对模量的影响也随着剪切应变的增加而逐渐衰减。     

标准砂小应变特性的应力路径三轴试验研究

通过应力路径三轴试验,将标准砂样分别K0固结和等向固结到平均球应力150 kPa,在p-q平面内沿0o,45o,90o,135o,180o,225o,270o,315o应力路径方向进行16组试样的应力应变关系试验研究,对当前应力路径、前期应力路径、应力路径旋转条件下1 %范围内剪应变和体积应变规律进行了对比分析。由试验曲线整理得到的剪切模量和体积模量随应力路径变化规律与已有的Bothkennar黏土试验结果类似。     

土体小应变特性的研究进展

大量实测资料表明，在工程实际中大部分土体的应变在0．01％－0．3％之间，但只是到近些年，随着仪器精度和人们认识的提高，才逐渐意识到研究土体小应变的重要性。本文较为系统地介绍了这方面的研究情况。     

粉质黏土重塑试样在小应变条件下变形特征的试验

采用具有高精密局部位移传感器的三轴测试系统，对粉质黏土重塑试样在小应变条件下应力应变关系和剪切模量的变化规律及其影响因素进行了试验，结果表明：即使在极小应变条件下（0.0008％≤｜εs｜≤0．0021％），应力应变关系也一直保持高度非线性；在小应变条件下粉质黏土具有很高的剪切模量，且在一个很小的应变范围内迅速衰减，最后趋于一定值；剪切模量与应力状态、应力历史以及当前的加卸载方向有关，当应力方向与历史应力方向一致时，其衰减速率较快。     

南沙珊瑚砂的动剪切模量和阻尼比特性试验研究

珊瑚砂的物理力学性质与陆相沉积物有显著的差异。对南沙岛礁饱和珊瑚砂进行了不排水应变控制分级循环加载动三轴试验,研究了有效围压 和相对密实度Dr对饱和珊瑚砂动剪切模量和阻尼比特性的影响。通过与陆源砂砾土试验结果的对比发现：珊瑚砂与陆源砂砾土在最大动剪切模量Gmax、动剪切模量比G/Gmax曲线及其上下界、参考剪应变 、阻尼比? 曲线及其上下界等均存在显著的差异;珊瑚砂的Gmax比陆源砂的大,采用陆源砂Gmax的经验模型,珊瑚砂的Gmax将被低估约30%;珊瑚砂的非线性稍弱于陆源砂砾土,陆源砂砾土G/Gmax和? 的经验公式不适用于珊瑚砂。给出了珊瑚砂G/Gmax和? 的经验公式及相关参数。     

干湿路径影响粉土小应变剪切模量的试验研究

天然土尤其是地表浅层土常处于非饱和状态,其小应变剪切模量是预测地基变形及土工结构物动力反应的一个重要参数。通过对非饱和压实粉土三轴样进行弯曲元试验,研究了吸力和干湿路径对其小应变剪切模量的影响。试验结果表明,非饱和压实粉土样的小应变剪切模量各向异性忽略不计;小应变剪切模量G0(vh)、G0(hh)和G0(hv)均随吸力增大而非线性增大;同一吸力下不同干湿路径上的土样,饱和度不同,其小应变剪切模量随饱和度升高而减小,主要原因是土的平均骨架应力和土中毛细水的作用。根据试验结果对非饱和土小应变剪切模量的半经验公式进行了改进,同时考虑了吸力与饱和度的作用。     

考虑微结构特征的黄土动力特性影响因素研究

选取1920年海原地震震中滑坡密集分布区宁夏回族自治区西吉县庞湾乡的黄土,分别进行了不同围压,不同含水率条件下的原状、重塑土动三轴试验。结合动三轴试验前后的微观变化图像,探讨围压和水分对黄土试样土颗粒的作用机制,从微结构的角度阐释了两者对黄土动力特性影响的特点。研究结果表明:所取试样动剪切模量与动剪应变的关系可以用H-D模型的推导式拟合,随含水率增加,围压减小,参数a,b值增大;水分在原状试样和重塑试样的作用不同,随着含水率的增加,动剪切模量降低,阻尼比增大,原状试样动剪切模量和阻尼比的变化速率先快后慢,而重塑试样相应值的变化速率先慢后快;除了水分和围压等外在条件的影响,土样本身土体的微观特征如孔隙分布、颗粒大小、粒间间距、联结方式、密实程度等因素对土体动剪切模量和阻尼比等宏观特性产生重要影响。     

干砂强夯动力特性的细观颗粒流分析

通过引进和开发二维颗粒流程序,基于相似理论建立了可以模拟砂土地基强夯加固的细观颗粒流模型,结合小比尺室内细观模型试验,从颗粒细观力学角度入手对干砂在强夯冲击加固过程中的动力反应特性进行了数值模拟。结果表明,数值模拟结果与试验结果有较好的一致性,利用颗粒流模型可以很好地模拟干砂在冲击荷载作用下的锤底动接触应力、颗粒间动接触应力和颗粒位移场分布情况,并可以实时跟踪颗粒的变位及接触应力变化,实现从细观角度揭示干砂强夯动力响应特性,研究工作为今后砂土强夯加固宏细观机制研究提供了一条新的思路。     

冻融循环对粉砂土动力特性影响的试验研究

借助GDS动三轴试验研究了不同负温下经历多次冻融循环后粉砂土的动应力、动模量、动模量比和阻尼比等动力参数的变化规律。试验发现,相同动应变下,冻融循环与动应力和动模量呈负相关性,而与动模量比和阻尼比呈正相关性,随着冻融次数增加,动应力和动模量都减小,动模量比和阻尼比都增大,通过回归分析分别给出了动模量比与动应变关系曲线和阻尼比与动应变关系曲线的归一化拟合模型。冻融循环对初始动模量和最大阻尼比影响显著。随着冻融次数增加,初始动模量减小,而最大阻尼比增大。分别对不同负温下冻融次数对初始动模量和最大阻尼比的影响进行了回归分析,提出了冻融次数修正系数的计算公式。结果表明,温度越低冻融循环对粉砂土动力特性影响越明显,经历5次冻融循环后的动力参数相对稳定,建议将5次冻融循环后的动力参数作为基本参数进行动力反应分析计算。     

应变累积对黏土动剪模量和阻尼比影响的试验研究

通过对比试验,研究了分级循环加载试验中的应变积累现象,分析其对土动剪模量和阻尼比的影响,并指出：由于剪切应变的积累,分级循环加载试验得出的滞回曲线随着加载级数的增加,而沿着剪应变轴逐渐发生平移,但其形状特性并未发生变化。讨论了分级加载试验数据处理的方法,试验结果表明：先前的较小幅值荷载作用下产生的累积应变对后继较大幅值荷载下测得的动剪模量和阻尼比影响较小。最后,分析了分级循环加载试验方法的意义。     

干砂弹性参数测定的弯曲-伸展元试验

利用安装在共振柱测试系统中的弯曲-伸展元,开展了干砂中P波（压缩波）和S波（剪切波）的室内试验,详细地分析了干砂中P波和S波的信号特征,研究了输入频率、土体密实度和有效围压对输出信号的影响。对比各种信号分析方法,并参考共振柱试验结果确定了S波的传播时间。根据实测波速和波动理论,确定了土体的弹性参数,包括剪切模量,侧限模量和泊松比。研究结果表明,P波和S波的输出信号频率在一定程度上随输入信号频率、土体密实度和有效围压的增加而增加,且P波信号比S波信号更容易确定波的传播时间;土体的弹性模量随土体密实度和有效围压的增加而增加,但剪切模量增长比侧限模量快;土体的泊松比并非一个常数,随着土体密实度和有效围压的增加而下降。初步探讨了利用剪切模量估算泊松比,以方便实际工程应用。     

基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测

在压缩位移控制加载条件下（加载速率为5 mm/min）,针对不同含水率（12.7%~16.5%）砂样,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,开展了最大剪切应变场的观测研究,获取了子区尺寸对砂样不同位置最大剪切应变的影响规律。研究发现,随着砂样含水率的增加,变形更加均匀,最大剪切应变高值区分布变得宽广,反映了剪切带的数目增加,微裂纹出现之前的最大剪切应变提高;随着纵向应变的增加,在应变高值区,最大剪切应变以非线性方式迅速增加,但在应变低值区,一般以线性方式增加。当剪切带出现以后,特别是在变形后期,子区尺寸对最大剪切应变有明显的影响。最大剪切应变随子区尺寸变化的演变规律与子区所处位置密切相关。     

上海典型黏土小应变剪切模量现场和室内试验研究

土体小应变剪切模量在基坑、隧道等地下工程的计算分析中有着重要作用,越来越受到人们的关注。虽然上海地区地下工程项目的建设规模不断扩大,但关于上海典型黏土层的小应变剪切模量的研究相对较少。分别采用现场波速测试和室内弯曲元试验对上海典型黏土层的初始剪切模量进行了研究。试验结果表明：在减小土样扰动、保持土样应力状态与原位土体等效的基础上,弯曲元试验得到的初始剪切模量与现场波速测试相一致;考虑了土体应力状态和孔隙比的经验公式能够合理地描述上海典型黏土层初始剪切模量的变化规律,并给出了各土层的经验参数。试验结果可为上海地区地下工程计算分析中小应变剪切模量的估算提供参考。     

透明砂土与天然砂土动力特性对比

人工合成透明土材料在支撑岩土工程可视化模型试验技术领域得到了良好的应用。然而,关于该新型材料的动力特性研究仍相对缺少,一定程度上影响了其在动力相关模型试验中的推广应用。基于共振柱、动扭剪试验仪器,开展人工合成透明砂土的动变形与动强度特性试验研究,并与天然砂土及福建标准砂的相关动变形与动强度特性进行对比分析;透明砂土由折射率一致的熔融石英砂和混合油配制而成,混合油由15号白矿物油和正12烷按比例混合而成。试验测定并分析了透明砂土的动剪切模量-应变、阻尼比-应变、动剪切模量-阻尼比等关系曲线,以及孔压、动强度特征。试验结果表明,由熔融石英砂与混合油配制而成的透明砂土的动变形和动强度特性与天然砂土相似,可以模拟天然砂土材料开展动力相关模型试验研究。     

剪应变率对湛江强结构性黏土力学性状的影响

以湛江强结构性黏土为对象,系统地开展了剪应变率对其力学性状影响的三轴试验研究,发现强结构性黏土具有独特的剪切速率力学效应,其CU剪切强度随剪应变率的增大而呈现先减小后增大的特征,存在临界速率现象;在低围压条件下,剪应变率对孔隙水压力的影响很小,随着围压的增大,其影响逐渐明显;随剪切速率增大,其黏聚力与内摩擦角整体上分别呈现减小与增大的变化规律,而当剪切速率增大到一定程度均出现转折点,但后者滞后于前者。引起上述现象的原因在于黏土的结构性破损性状与其结构性强弱相关联,为深入认识结构性黏土的工程特性提供了帮助。     

低幅应变条件下粉质黏土泊松比的非线性特征

对哈尔滨原状粉质黏土进行共振柱试验,通过扭转及弯曲试验得出相应的弹性模量E、剪切模量G、泊松比ν,旨在分析低幅应变下粉质黏土泊松比随应变发展的非线性特征。试验结果表明：随着应变的增大,粉质黏土剪切模量与弹性模量均出现衰减,但二者衰减并不同步,剪切模量先于弹性模量发生衰减;泊松比随着应变的增大而增大,并随着围压的升高而降低;在半对数坐标系下,泊松比与归一化剪切模量 近似呈线性关系,基于此提出低幅应变下泊松比预测模型。理论推导证明：低幅应变下ν- 曲线呈线性具有其必然性;随着应变的发展和 值的降低,ν- 曲线由斜率一定的线性段过渡到斜率逐渐降低的非线性段,并最终趋近于一定值。基于理论推导建立了泊松比预测模型参数与Hardin-Drnevich模型参数的关系,由此可依据低幅应变下ν- 曲线形态对较高应变下泊松比进行预测,实例验证表明该方法预测结果较好,具有一定应用价值。