钙质砂与钢界面循环剪切刚度与阻尼比的试验研究

钙质砂与钢界面的动力响应对岛礁地质条件下结构物基础的安全与稳定具有重要意义。基于界面环剪仪,开展了一系列钙质砂?钢界面循环剪切试验,探究了法向应力、剪切位移幅值和粒径大小对界面剪切刚度和阻尼比的影响,并与石英砂进行了对比。研究结果表明：法向应力和剪切位移幅值对界面剪切刚度和阻尼比起控制作用;法向应力的增大导致界面剪切刚度增大、阻尼比降低;剪切位移幅值的增大,则导致剪切刚度近似呈反比降低,而阻尼比近似呈对数增大;对于均一粒径的钙质砂,存在着分界粒径,使其剪切刚度和阻尼比的变化规律呈现显著区别;石英砂粒径较大时,其界面剪切刚度和阻尼比与钙质砂明显不同,而粒径较小时两类砂表现出类似的剪切刚度和阻尼比特性。     

钙质砂抗剪强度特性的环剪试验

珊瑚礁沉积的钙质砂与石英砂的物理力学性质有较大差别。对取自南海岛礁的钙质砂进行了单次往返环剪试验以分析钙质砂的抗剪强度特性,试验中考虑了相对密实度和竖向应力对结果的影响,并与相同级配和试验条件下的石英砂进行对比分析。结果表明：钙质砂正向剪切时应力-位移曲线为软化型,具有明显的残余强度特性,而反向剪切时则表现为硬化型,正向和反向剪切强度基本一致;石英砂正向剪切和反向剪切均表现为软化型。钙质砂正向剪切和反向剪切残余强度与峰值强度的比值在0.75～0.93之间;石英砂正向剪切和反向剪切残余强度与对应峰值强度的比值在0.89～0.96之间。相同级配和试验条件下,钙质砂残余强度均大于石英砂,且强度比值基本保持在1.05～1.3之间。在100、200 kPa竖向荷载作用下,钙质砂0.5～2.0 mm的颗粒发生了破碎,破碎率分别为4%和6%。     

考虑颗粒破碎的钙质砂修正邓肯-张E-B模型

在常规应力水平下颗粒发生破碎是钙质砂有别于其他砂土的重要性质之一,且由于颗粒破碎的存在,使用传统的本构模型无法很好地模拟钙质砂的力学行为。因此本文以最为普及的本构模型之一--邓肯-张E-B模型为基础,对其进行颗粒破碎方面的修正以得到一个能用于钙质砂的本构模型。具体方法为:首先本文采用Hardin提出的相对破碎Br这一指标来度量颗粒破碎的大小。之后研究分析得出了颗粒破碎对邓肯-张模型参数(内摩擦角φ、割线模量E50及体积模量B)的影响规律。然后通过颗粒破碎与输入能量之间的关系将各状态下无法直接确定的相对破碎Br与可确定的应力-应变状态联系起来。最终得到了一个考虑颗粒破碎的钙质砂修正邓肯-张E-B模型。为验证模型的准确性及适用性,本文还使用该模型对4种不同粒径范围且试验围压不同的钙质砂的三轴排水行为进行了模拟。结果表明拟合效果较好,模型能适用于各种不同粒径范围的钙质砂,并且在颗粒破碎较大的情况下明显优于传统邓肯-张模型。     

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。     

Prediction of flow liquefaction instability of clean and silty sands

Adding a small amount of non-plastic silt to clean sands may lead to dramatic loss of shear strength and a noteworthy tendency toward contraction when the mechanical behavior of the mixture is compared with that of the clean host sand. Thus, simulation of the behavior of silty sands with varying fines content is still a challenging subject in geomechanics. A unified constitutive model for clean and silty sands is presented in this paper. To eliminate the factitious decrease of void ratio associated with inactive silt particles in various silty sand mixtures, the concept of equivalent void ratio is used in the model formulation instead of the global void ratio. In addition, the instantaneous soil state is expressed in terms of intergranular state parameter taking into account the combined influence of intergranular void ratio, mean principal effective stress and fines content. Then, dilatancy and plastic hardening modulus are directly linked to the intergranular state parameter. To improve the model capacity in simulation of cyclic tests, new features are added to the plastic hardening modulus. It is shown that the proposed model can reasonably reproduce the mechanical behavior as well as the onset of flow liquefaction instability of clean and silty sands using a unique set of parameters.     

东帝汶帝力市珊瑚砂地基的工程性质

珊瑚砂属珊瑚礁碎屑土,是一种特殊的地质体,具有典型的疏松多孔、硬度低、易碎的特点,由于珊瑚礁仅分布在热带海域,往往位于远离大陆的礁岛,当前对珊瑚礁岩土的勘察研究较少,相关规范也尚未涉及。以实际工程为对象,对东帝汶某珊瑚砂场地的工程性质进行了一些探讨,从标准贯人试验和钻孔剪切波速试验等原位试验结果进行分析,借鉴了目前石英砂工程性质的评价方法作为对珊瑚砂工程性质判断的参考,对珊瑚砂的强度特性和地震液化特性进行了讨论。相对石英砂的一般性质而言,珊瑚砂的标贯击数较低而相应的剪切波速相对较大,珊瑚砂在地震作用下液化的可能性较大。     

中国南海吹填岛礁钙质砂动力特性试验研究

南海对我国经济发展、资源开发与运输、维护国土完整具有战略性意义。目前我国已在南海海域以吹填方式建设了一系列的岛礁,并在其上修建了一系列的结构物（房屋、防波堤、机场等）。作为这些重要结构物的地基材料,珊瑚钙质砂在极端波浪、海底地震等环境荷载作用下的动态响应特性对评价其上结构物的安全稳定性具有重要的意义。以我国南海珊瑚岛礁吹填工程为背景,对取自岛礁吹填体现场的钙质砂样品,以吹填现场实测的颗粒级配和干密度为依据,开展动态三轴循环试验,研究我国南海珊瑚岛礁吹填体钙质砂地基土的动力特性。试验结果表明：岛礁钙质砂受动态循环荷载作用,在排水不通畅的条件下可以达到部分液化状态,在排水通畅的条件下不发生液化;在不排水条件下,岛礁钙质砂归一化的累积孔压u/ 与振次比N/Nf符合Seed提出的反正弦孔压发展模式;在不排水条件下,所有岛礁钙质砂样品的动态变形模量Ed /E0与归一化应变?m /?r之间全部重合在一条双曲线上,表明不排水条件下岛礁钙质砂的Ed /E0与?m /?r之间的关系不受干密度和颗粒级配的影响,具有很好的统一性。     

上海软土动剪切模量衰减规律的试验研究

为了获得上海软土在循环动力荷载作用下的动力特性,特别是动剪切模量的衰减规律,采用原状第④层上海软土进行等向固结不排水动三轴试验,分析了加载频率和动应力比 对动剪切模量的影响。试验结果表明,对于上海第④层软土,动应力比达到0.2时,土样才发生破坏;土样的剪切模量-累积轴应变曲线不受加载频率和动应力比的影响;剪切模量的衰减下降主要发生在轴应变0～1%区间。最后提出了一个描述剪切模量衰减规律的数学模型。     

波浪荷载作用下饱和钙质砂孔压特性及累积损失能量试验研究

钙质砂是一种海洋生物成因土,为我国南海岛礁吹填的主要材料。研究其动力特性对开发南海资源意义重大。实际工程中,钙质砂主要受到幅值和主应力方向均变化的波浪荷载作用,其作用效果与一般定轴剪切试验有较大不同。因此,利用空心圆柱扭剪仪模拟波浪荷载,开展一系列饱和钙质砂的不排水试验,重点研究循环应力比CSR和相对密实度Dr对钙质砂孔压特性的影响,并与石英砂对比分析,发现颗粒形态差异导致了两类砂土不同的孔压发展模式。同时,引入能量法,初步探究钙质砂累积损失能量变化规律。在此基础上,建立了考虑不同相对密实度的钙质砂孔压-累积损失能量模式。     

颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度影响研究

钙质砂是海洋沉积物中的一种,富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质。由于其颗粒质脆,受力后易产生破碎,表现出与常规陆源砂不同的力学性质。通过对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行三轴剪切试验,分析了钙质砂颗粒破碎与剪胀对其抗剪强度的影响。试验结果表明,颗粒破碎与剪胀对钙质砂强度有着重要影响,低围压下剪胀对其强度的影响远大于颗粒破碎,随着围压的增加,钙质砂颗粒破碎加剧,剪胀影响越来越小,而颗粒破碎的影响则越来越显著;颗粒破碎对强度的影响随着围压的增大而增大,当破碎达到一定程度后颗粒破碎渐趋减弱,其影响也渐趋于稳定。     

Studies on the determination of shear wave velocity in sands

Laboratory investigations such as resonant column, cyclic triaxial, and torsional shear tests are usually conducted on undisturbed and reconstituted sand samples in order to determine their shear modulus, which can be used to compute shear wave velocity. However, these methods are extremely cumbersome and indirect, they employ cost-intensive instrumentation, and they require trained manpower. These problems can be overcome by using bender elements, which yield the shear wave velocity of sands directly, easily, and quite rapidly. In this context, efforts made by earlier researchers in developing empirical relationships (based on bender elements and resonant column techniques) which can be employed to compute shear wave velocity in sands are worth consideration. Although these relationships take into account parameters like effective stress and void ratio, they do not directly incorporate fundamental characteristics of sands such as their state (i.e. dry or saturated) and the particle size. Thus a generalized relationship, which can be used to compute shear wave velocity in sands in either the dry or saturated state, has been developed. Experiments were conducted on samples of sand and glass beads of different sizes and the results were used to demonstrate the utility and efficiency of the relationship. Details of the methodology developed for this purpose are also presented in this paper.     

剪切作用下钙质砂颗粒破碎试验研究

钙质砂是一种海洋沉积物,与陆源砂比起来,钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压、不同应变下的三轴剪切试验,对试验前后的试样进行了颗粒大小分析试验。试验结果表明,钙质砂在三轴剪切作用下颗粒破碎十分严重,同时用Hardin模型对其破碎进行了度量,并就围压、剪切应变与破碎之间的关系进行了分析。     

基于三维数字图像相关技术钙质砂颗粒运动行为试验研究

桩基附近土颗粒的运动行为与宏观力学表现密切相关,对揭示界面剪切机制具有重要意义。利用自主研制的大型直剪仪,结合三维数字图像相关技术（3D-DIC）全场位移测量分析系统,开展了钢−钙质砂界面循环剪切试验,研究了界面附近砂颗粒的运动行为演化规律。结果表明：界面峰值剪切应力和发挥的界面摩擦角随循环次数的增大而增加,体变特性以剪缩为主;钙质砂颗粒左右移动的幅度与距界面的垂直距离成反比,钙质砂颗粒的位置随循环次数的增大逐渐向正剪切方向移动,试验结束时上剪切盒左侧区域的钙质砂颗粒向正剪切方向移动的距离最大;钙质砂颗粒在单个循环内出现有规律的上下移动,向下移动的幅值更大,位于上层的钙质砂颗粒向下移动的位移值大于下层;钙质砂颗粒的运动速度在沿单方向剪切时,呈现出慢−快−慢的变化规律,位于上剪切盒右侧区域的钙质砂的体变特性较左侧区域更显著;网格位移值和缺失数量随循环次数的增大而增加,在试验后期趋于稳定,试验结束时的破碎带厚度为 6.21 mm。     

固结比对砂土动剪切模量及地表反应谱的影响

采用共振柱试验方法,研究了固结比对砂土最大动剪切模量以及对动剪切模量比与剪应变非线性关系的影响。通过土层地震反应计算,初步给出了这种影响对地表反应谱作用的估计。对福建标准砂和哈尔滨砂进行了系统试验,提出了计算不同固结比砂土最大动剪切模量的建议公式,公式显示固结比kc>1、最大动剪切模量较kc=1时的增长程度明显比Hardin公式要大。同时,给出了固结比对动剪切模量比与剪应变非线性关系及其对地表反应谱的影响。结果表明,固结比对砂土动剪切模量比与剪应变非线性关系有一定影响。随着固结比增加,模量比非线性关系曲线有一定提高,在强地震动作用下的土层反应分析中应考虑实际固结比的影响。     

法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响研究

法向应力对土与结构接触面循环单剪力学特性的影响研究具有重要意义。运用80 t大型三维接触面试验机,进行了不同法向应力下粗粒土与结构接触面单剪试验,分析了法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响规律。试验结果表明,法向应力对接触面变形位移、滑动位移、切向应力、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变以及抗剪强度等接触面性能参量的数值有显著影响,但对参量间关系形式影响较小。法向应力越大,接触面变形位移在初始几个循环内越大,随循环剪切的进行,其减小速率越快,最终稳定值越小;切向刚度越大,切向应力稳定值也越大,初始几个循环内切向刚度系数越小;不可逆性剪切体变越大,可逆性剪切体变峰值和稳定值越小,相变位移和相变应力比越小;抗剪强度越大,其异向程度则先增大后减小。不同法向应力下,接触面循环抗剪强度与法向应力符合摩尔-库仑准则;切向应力比-切向位移关系、不可逆性剪切体变和剪切功密度关系均具有良好一致性,基本不受法向应力影响,可用双曲线模型描述,这将大大简化接触面本构描述。     

细颗粒组分含量对钙质砂抗剪强度的影响

由于吹填过程的水力分选作用钙质砂土地基颗粒分布不均匀,容易形成分布不均、形态各异的以不同细粒含量的粉细砂层为主的细粒汇集层,引起钙质砂土地基承载力和不均匀沉降问题。开展不同细粒含量的粉细砂三轴固结排水剪切试验,分析细粒含量对钙质砂土力学特性的影响。研究结果表明,（1）当细粒含量增加时相同围压下土样剪胀性逐渐减弱,且峰值偏应力也逐渐减小;（2）各组试样干密度为1.40 g/cm3状态下各含量粉细砂均表现出应变软化特征,当细粒含量为10%时粉细砂土体强度稳定性最差,之后稳定性随细粒含量增加而逐渐增大;（3）钙质细砂由于颗粒咬合作用,具有表观黏聚力,当细粒含量小于40%时,随着细粒含量增加,颗粒之间的咬合作用显著降低,表观黏聚力线性减小。研究成果可为粉细砂层的地基处理及边坡稳定分析提供参考。     

考虑组构变化效应的饱和密砂循环本构模型

为了真实地描述饱和密砂在循环加载过程中的变形行为,需要引入考虑剪胀阶段组构变化的宏观参量。在已有的基于状态参量的本构模型基础上,引入反映组构变化的剪胀内变量,简称组构-剪胀内变量z。以相变线PTL作为参考线,采用基于相变的状态参量判断砂土在初始时刻和任意时刻体积变形的变化趋势,并通过z对剪胀比d的影响,考虑反向加载过程中塑性变形的累积,建立了一个针对饱和密砂的循环加载的弹塑性本构模型。该模型根据试验现象将已有模型中的塑性剪切模量区分为首次加载模量与再加载模量,能较好地模拟排水情况下砂土循环加载的胀-缩变化过程。最后,针对密砂的三轴排水情况,利用文中模型进行预测,并把预测结果与试验结果进行比较,结果表明该模型能够总体反映砂土循环加载的变形行为。     

不排水条件下钙质砂声发射试验研究

通过对钙质砂进行不排水条件下声发射试验,探讨了不同围压、剪切速率、初始孔隙比和级配下钙质砂声发射规律。试验结果表明:低围压（围压低于400 kPa）时,钙质砂声发射活动频率随着围压的升高而增加;围压增至800 kPa时,声发射活动频率有所下降。低剪切速率下,钙质砂剪切试验明显分为颗粒破碎阶段和颗粒滑移阶段,随着剪切速率增大,二者之间较模糊,不能明显区分;松散和密实状态下,钙质砂声发射活动规律相似,钙质砂声发射活动频率均高于中密状态钙质砂;级配较好的钙质砂,声发射率峰值出现在试样发生剪切破坏前;级配稍差,试样声发射率相对均匀,声发射率峰值出现在邻近试验结束时。      

粒组含量对钙质砂压缩变形特性影响的宏细观研究

钙质砂是一种海洋生物成因的特殊岩土介质,其颗粒形态与基本性质较一般陆源砂有很大的不同。一方面通过钙质砂及石英砂的显微镜三维成像试验,对比研究了钙质砂的三维颗粒形态特征。发现相比石英砂,钙质砂颗粒棱角更显著,轮廓趋于扁平。另一方面,对两砂进行一维压缩试验,分析了各粒组含量对钙质砂压缩特性的影响规律,并利用三维形态分析从细观上解释了钙质砂的压缩宏观特性。发现相同级配、密实度下,钙质砂的压缩性比石英砂高约60%～160%（以av1-2表征）,且粗粒组（5～1 mm）含量对钙质砂的压缩性影响最为显著;当粗粒组含量<25%,中、细粒组质量比值M一定时,存在最劣粗粒含量使钙质砂压缩性最大,且该值随着M的增大而减小,并提出了一个经验公式。