MICP联合纤维加筋改性钙质砂的动力特性研究

为了提高我国南海钙质砂地基的抗液化性能,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术联合纤维加筋技术对钙质砂进行改性处理。通过开展动三轴试验,对比分析了改性前后钙质砂试样的动应变、动孔压、应力−应变滞回曲线以及动弹性模量的发展规律和演化特征,并结合扫描电镜（SEM）试验探究了MICP和纤维加筋技术对钙质砂的联合改性机制。研究结果表明：（1）MICP技术可以明显改善钙质砂试样的抗变形与抗液化性能,相比于未胶结处理试样,仅MICP处理试样的动应变和动孔压分别降低了95.74% 和 92.46%;（2）纤维的掺入进一步提升了MICP的改性效果,相比于仅MICP处理试样,MICP和纤维加筋联合处理试样的动应变和动孔压分别降低了 74.32%和 74.18%;（3）MICP 和纤维加筋技术通过减轻试样在循环荷载作用下的循环活动强度和能量耗散、提高试样的动弹性模量和减小动弹性模量的衰减速率,从而实现试样抗变形与抗液化性能的显著提高;（4）SEM 试验分析结果表明,MICP 与纤维对钙质砂动力特性的改善具有协同作用。纤维的掺入为细菌提供了更多的附着场所,促进了碳酸钙晶体的生成量,该部分碳酸钙不仅增加了颗粒间的胶结强度,同时也将纤维固定在砂颗粒上增强了纤维网的约束作用。     

冲击荷载引起的颗粒破碎对钙质砂液化特性的影响

钙质砂具有孔隙率高、强度低、易破碎的特点。同时,钙质砂在波浪和地震等振动荷载的作用下,也具有发生液化的可能性。为探究钙质砂颗粒破碎与抗液化强度的关系,对南海永兴岛的钙质砂开展了三轴试验研究工作。首先,利用小型手动冲击装置对钙质砂进行破碎处理,获取了不同相对破碎率(Br)的试样,然后利用多功能动三轴仪分别对原始试样和不同破碎程度的试样进行了液化试验。结果表明：在相同围压和密实度条件下,钙质砂的抗液化强度(CRR)随着Br的增大而降低,但降低速率会随着Br的增大而减小。另一方面,相对密实度的增大会削弱颗粒破碎对钙质砂抗液化能力的影响。最后,为了定量评价颗粒破碎对钙质砂抗液化强度的影响,建立了Br-CRR的数学关系。     

离心机振动台模型试验验证的珊瑚礁砂液化判别方法研究

工程现场珊瑚礁砂场地主要以珊瑚砂、砾组成的宽级配珊瑚礁砂,其砾粒含量分布从20%～90%,其液化特性与普通石英砂有较大区别,如仍采用现行液化判别方法评估珊瑚礁砂场地液化潜势,则容易导致工程场地的抗液化处理设计不经济或无法满足要求。以中国南海岛礁和东帝汶珊瑚礁砂为研究对象开展了原级配大动三轴试验分析,建立了基于抗液化强度(cyclic resistance ratios,简称CRR)与相对密实度Dr关系液化判别方法,并通过离心机振动试验进行对比分析。结果表明,当采取相同地震动工况时,由动三轴试验产生的超孔压比相比模型试验超孔压比大;当持时增加到30周时(对应震级8级),土体液化深度达20m,有效证明了珊瑚礁砂场地遭遇强地震动时具有液化潜在风险。此外,通过液化判别计算,验证了基于CRR-D_r关系的液化判别方法准确率达82.5%,且判别不一致工况的判别结果偏保守,进一步验证了此方法可应用于工程抗液化设计。     

钙质砂动强度试验研究

钙质砂是一种ＣａＣＯ３含量超过５０％以上的特殊岩土介质,具有独特的力学和工程性状。利用动三轴试验,研究钙质砂在循环荷载作用下动应变,动孔压,动强度及液化特性。     

复杂加载条件下珊瑚砂抗液化强度试验研究

循环加载方式与应力路径对砂土的抗液化强度有很大的影响。利用GDS空心圆柱扭剪仪对南海珊瑚砂进行了一系列复杂加载条件下均等固结不排水循环试验,探讨了90°突变应力路径下主应力方向角对珊瑚砂抗液化强度的影响。试验结果发现：以循环应力比（CSR）作为应力水平指标,当不控制中主应力系数b的变化时,主应力方向角 对珊瑚砂的抗液化强度并无显著影响;当控制b始终保持0.5时,珊瑚砂的抗液化强度随着 的增加呈现出先减小后增大的趋势,且在 45°时的抗液化强度最低。基于分析循环荷载引起的土单元大、小循环主应力 、 变化,定义了单元体循环应力比（USR）作为一个新的物理指标,发现不同循环加载方式与应力路径条件下施加于珊瑚砂试样的USR与引起液化所需的循环次数NL存在事实上的唯一性关系。通过引自文献的4种无黏性土原始试验数据的再处理,独立地验证了以USR表征砂类土液化强度的适用性。     

饱和橡胶砂动力特性动三轴试验研究

橡胶质轻、耐磨、渗透性好、减振性能优良,橡胶颗粒与砂土混合作为土工填料可被用于边坡、路基和垃圾填埋场中。通过室内动三轴试验研究了不同橡胶含量混合土的动强度特性及动孔压发展特性。结果表明：橡胶质量含量越高,混合土的抗液化强度越高,且混合土的液化强度曲线符合乘幂函数关系;考虑橡胶质量含量的影响,得到了归一化混合土液化强度曲线;初始应力比和橡胶含量对混合土动孔压比发展具有明显影响,建立了不同试验条件下动孔压比发展模型。试验发现,当初始动应力比超过0.4时,10%橡胶含量的混合土出现明显橡胶颗粒向上迁移现象。基于颗粒细观接触和颗粒运动状态,揭示了橡胶颗粒迁移机制。     

南京砂强度特征与静态液化现象分析

在松散、中密和密实状态下,以南京粉细砂三轴固结不排水试验结果为基础,进行了强度、变形与静态液化特征的分析。松散南京砂强度特性表现出典型的应变软化,当轴向变形小于1 %时强度达到最大值,而后急剧降低;在50,100 kPa围压时发生了静态液化。但随着固结压力的增大,静态液化消失。与南京砂具有相同土骨架的松散纯净砂却在低围压下未出现静态液化,其形成机制是：粉粒的存在未使土体孔隙比发生较大变化,却引起更大的体缩性;中密和密实南京粉细砂表现出加工硬化的强度特征,临界应力状态线倾角高达55°,具有较高的抗静态液化能力。     

复杂加载条件下珊瑚砂抗液化强度试验研究

循环加载方式与应力路径对砂土的抗液化强度有很大的影响。利用GDS空心圆柱扭剪仪,针对南海珊瑚砂进行了一系列复杂加载条件下均等固结不排水循环试验,探讨了90°突变应力路径下主应力方向角对珊瑚砂抗液化强度的影响,试验结果发现:以循环应力比(CSR)作为应力水平指标,当不控制中主应力系数b的变化时,主应力方向角α_d对珊瑚砂的抗液化强度并无显著影响;当控制b始终保持0.5时,珊瑚砂的抗液化强度随着α_d的增加呈现出先减小后增大的趋势,且在α_d=45°时的抗液化强度最低。基于分析循环荷载引起的土单元大、小循环主应力σ_(1d)、σ_(3d)变化,定义了单元体循环应力比(USR)作为一个新的物理指标,发现不同循环加载方式与应力路径条件下施加于珊瑚砂试样的USR与引起液化所需的循环次数N_L存在事实上的唯一性关系。通过引自文献的4种无粘性土原始试验数据的再处理,独立地验证了以USR表征砂类土液化强度的适用性。     

钙质砂与硅质砂液化特性对比试验研究

钙质砂颗粒具有形状不规则、多孔隙、强度低、易破碎等特点,较硅质砂表现出更为复杂的液化变形特性.本文对相同级配的钙质砂和硅质砂进行了物性试验、不排水循环三轴试验、轻型动力触探试验,研究两种砂在物理性质、抗液化能力和贯入阻力三方面的差异,分析实验结果得到结论如下:(1)钙质砂比硅质砂具有更大的孔隙比和内摩擦角,这与钙质砂颗...     

减饱和松砂静态液化的水-气两相流耦合分析

减饱和法是一种通过减小饱和砂土地基中的饱和度,提高地基抗液化强度的新方法。基于水-气两相流反应与土体骨架变形的耦合模拟方法,建立了单调加载条件下减饱和砂土静态液化的数值分析模型。开展了减饱和松砂的三轴不排水试验数值模拟研究,与室内试验结果对比,发现两相流模型能够准确描述减饱和砂土加载过程中的应力-应变关系、应力路径及孔隙水压力增长规律,验证了两相流模拟方法的正确性。数值分析结果还表明,加载过程中减饱和松砂中的饱和度会增加,直至达到一个稳定值,当围压一定时,减饱和松砂加载结束时的饱和度与初始饱和度呈线性关系;且砂土中气体会在荷载作用下被压缩,使得减饱和砂土在不排水条件下发生剪缩。计算发现,当砂土饱和度从100%减小到94.5%时,孔隙水压力系数B值会减小约80%,最大孔隙压力值会降低40%~50%,不排水剪切强度提高2.0~2.5倍,残余强度会提升10倍以上,由此可知,此为减饱和法抗液化的主要机制,而基质吸力不是减饱和法提高砂土抗剪强度的主要原因。     

不同地震动强度下珊瑚礁砂地基中桩-土-结构地震响应试验研究

珊瑚礁砂在地震作用下的场地响应受其特殊的工程性质影响。为揭示珊瑚砂场地桩基-地基-上部结构在地震作用下的动力响应特性,开展了不同地震动强度下珊瑚砂地基上三层框架结构群桩基础的振动台模型试验,对地基土和结构物的动力响应进行测试与分析,同时与可液化福建砂场地进行对比研究。结果表明,0.1 g正弦波激励下,两种砂模型地基内各处超孔压比均远小于1,模型地基未发生液化。0.2 g正弦波激励下,两种砂模型地基发生液化,珊瑚砂场地液化程度小于福建砂场地,液化后的珊瑚砂场地模型地基相比福建砂场地仍具有一定的剪切传递能力和刚度。0.1 g和0.2 g振动强度下珊瑚砂场地建筑物沉降、水平位移和立柱动弯矩相比福建砂场地较小。不同振动强度下桩基础出现动弯矩峰值的位置不同。     

不同地震动强度下珊瑚礁砂地基中桩-土-结构地震响应试验研究

珊瑚礁砂在地震作用下的场地响应受其特殊的工程性质影响。为揭示珊瑚砂场地桩基-地基-上部结构在地震作用下的动力响应特性,开展了不同地震动强度下珊瑚砂地基上3层框架结构群桩基础的振动台模型试验,对地基土和结构物的动力响应进行测试与分析,同时与可液化福建砂场地进行对比研究。结果表明:0.1g正弦波激励下,两种砂模型地基内各处超孔压比均远小于1,模型地基未发生液化;0.2g正弦波激励下,两种砂模型地基发生液化,珊瑚砂场地液化程度小于福建砂场地,液化后的珊瑚砂场地模型地基相比福建砂场地仍具有一定的剪切传递能力和刚度。0.1g和0.2g振动强度下珊瑚砂场地建筑物沉降、水平位移和立柱动弯矩相比福建砂场地较小。不同振动强度下桩基础出现动弯矩峰值的位置不同。     

昆明长水国际机场砂页岩残积红土动力特性研究

昆明长水国际机场残积红土既是区域内重要的土地资源,更是各类工程建设的建筑地基,由于裂化特性,在现代气候条件下,红土出现了严重的开裂变形,其工程性质不断恶化。文章针对昆明长水国际机场砂页岩残积红土开展了一系列固结不排水动三轴试验分析研究。变形试验结果表明:砂页岩残积红土在某一次循环动应力中存在屈服应变;在相同的应变水平下,动弹性模量随着固结围压的增大而增大;同时砂页岩残积红土的阻尼比在动应变小幅度的增加时会发生骤降,并随着动应变的增加逐渐趋平。同时通过动强度试验得出砂页岩残积红土破坏动强度随着固结围压的增大而增大,并得到砂页岩残积红土在固结比K_c=1时的动抗剪强度指标,即c_d=25.182 kPa,φ_d=12.985°,将其与固结不排水的静三轴试验下得出的抗剪强度指标进行了对比与分析。红土在动力作用下的剪切破坏实质是其土体中的弱结合水大量丧失,导致其颗粒之间的粘结力降低,从而内部单元体产生了相对位移。该研究成果对红土系统深入研究及工程实践应用具有重大的指导意义。      

非饱和粉土的液化特性研究

使用非饱和土动三轴试验仪,对非饱和粉土进行动力强度试验,探讨了饱和度、动应力比及固结围压对非饱和粉土动力强度特性、液化特性及孔压特性的影响。试验结果表明：（1）非饱和粉土的动强度随饱和度的增加而下降,在相同动剪应力比下饱和度与液化振次在半对数坐标上成线性关系;（2）非饱和粉土的液化与不液化的临界曲线近似成S型,非饱和粉土的抗液化能力随饱和度增大而降低,当饱和度小于60%时,土样不会液化;（3）非饱和粉土的动孔压随振次增大而增长,孔压的增长呈现出三段式的模式。     

砾钢渣抗液化特性试验研究

陈化的钢渣作为土工回填材料是废弃钢渣循环利用的主要途径之一。按土的工程分类方法,将废弃钢渣划分为砾钢渣、粗钢渣和细钢渣。针对砾钢渣,考虑固结应力比、振动频率、围压和含砾量等影响因素开展动三轴试验研究。分析了砾钢渣的应力、应变和动孔隙水压力的特性,分析了砾钢渣试样的动强度与振动次数、动应变与振动次数、孔隙水压力与振动次数和动应力与动应变关系。采用Seed和Finn提出的饱和砂土动孔压计算模型分析砾钢渣的动孔压曲线类型,并与传统砂砾土的抗液化强度进行比较。得出砾钢渣的抗液化特性较好,工程中可以用砾钢渣替代传统的砂土、砂砾土、砂砾料和砂卵石作为回填料,解决砂砾资源日渐短缺的问题。     

线性加载下含砂垫层地基固结分析

针对含水平排水砂垫层地基的固结问题,建立了线性加载下夹砂垫层地基的二维固结模型,并通过边界转换法、积分变换法给出了相应的半解析解。在通过对解答的退化以及数值法验证半解析解正确性的基础上,分析了砂垫层与地基土的几何及物理参数对地基固结的影响。研究表明:对于地基土,地基固结速率随土体水平渗透系数增大而提高,随地基宽度的增大而降低;对于砂垫层,固结速率随砂垫层厚度、水平渗透系数的增大而提高;对于外荷载,加荷速率越快,孔压达到峰值所需时间也越短,地基固结速率亦随之提高。此外,以地基顶面砂垫层为例,综合考虑砂垫层的渗透系数与厚度对砂垫层透水性的影响,当组合参数h_Tk_(Th)/lk_v≥200时(h_T、k_(Th)、l、k_v分别为砂垫层厚度、水平渗透系数以及土体宽度和竖向渗透系数),砂垫层近似为完全排水边界。     

线性加载下含砂垫层地基固结分析

针对含水平排水砂垫层地基的固结问题,建立了线性加载下夹砂垫层地基的二维固结模型,并通过边界转换法、积分变换法给出了相应的半解析解。在通过对解答的退化以及数值法验证半解析解正确性的基础上,分析了砂垫层与地基土的几何及物理参数对地基固结的影响。研究表明：对于地基土,地基固结速率随土体水平渗透系数增大而提高,随地基宽度的增大而降低;对于砂垫层,固结速率随砂垫层厚度、水平渗透系数的增大而提高;对于外荷载,加荷速率越快,孔压达到峰值所需时间也越短,地基固结速率亦随之提高。此外,以地基顶面砂垫层为例,综合考虑砂垫层的渗透系数与厚度对砂垫层透水性的影响,当组合参数 时（ 、 、 、 分别为砂垫层厚度、水平渗透系数、土体宽度和竖向渗透系数）,砂垫层近似为完全排水边界。     

初始孔压非均布下一维地基砂垫层优化研究

针对吹填土地基水平排水砂垫层铺设深度优化问题,建立了初始孔压非均布下含砂垫层地基的一维固结模型,利用有限Fourier正弦变换法得出了超静孔压和地基整体平均固结度的解答并通过退化验证了解答的正确性。采用二分法分析了砂垫层的最优铺设深度随时间的演化规律,给出了砂垫层最优铺设深度与时间的关系图。研究表明：在固结初期,砂垫层宜放置在土中初始超静孔压较大的位置;在固结后期,砂垫层的最优设置深度为土体厚度的2/3（单面排水）或者1/2（双面排水）的位置。以预压地基平均固结度达到90%所需时间最短为例,当初始孔压倒三角形、正三角形与梯形分布时,单面排水条件下,应分别在0.52、0.72、0.62倍地基土深度处设置砂垫层;双面排水条件下,应分别在0.42、0.58、0.46倍地基土深度处设置砂垫层。最后通过算例分析了当地基土中砂垫层采用最优铺设深度时,与在中间位置铺设砂垫层、不设砂垫层的情况分别进行对比,当时间因子取0.09时,地基土平均固结度分别提高6%和54%。     

内孔隙与各向异性对钙质砂液化特性的影响

针对循环荷载作用下钙质砂的力学特性，分析了各向异性与内孔隙对钙质砂液化特性的影响。提出围压增大时，内孔隙释放率增加，次生各向异性变小，二者均使钙质砂抗液化能力增强；固结应力比增加时，初始各向异性愈明显，钙质砂抗液化能力减弱。最后，分析了钙质砂的循环活动性机理。     

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。