液化型路堤边坡动力数值模拟分析

液化型路堤边坡动力稳定性问题涉及岩土工程与工程地震两个学科领域,是边坡工程与砂土液化的交叉课题。采用天然地震记录为输入条件,应用Finn本构关系模型,运用有限差分法,对填土+砂土+卵砾土地层组合的路堤边坡进行了全时程动力分析,探讨了地震作用下路堤边坡的液化初步规律和稳定性。数值模拟结果表明:地震作用引起了路基饱和砂土有效应力急剧减小,并导致路基砂土液化,引起路堤变形破坏。孔隙水压力的积累与消散不仅与地震记录序列存在对应关系,也与砂土所处的位置和深度有密切关系。地表变形破坏主要表现为路堤顶面发生震陷和拉裂破坏,坡底面产生挤压隆起变形。地面以下的变形破坏主要包括土体剪切破坏和深部砂土液化引起的侧向流动破坏。     

饱和砂土液化判别与放大效应数值模拟研究

为研究地震作用下饱和砂土液化判别及地震放大效应的影响因素,采用边界面塑性模型框架内开发的砂土本构模型,基于开源有限元平台OpenSees建立了一维剪切梁土柱模型。以循环应力比CSR和循环抗力比CRR为控制指标,对比了不同液化判别方法的差异,分析了地震荷载类型和砂土相对密度对液化判别和放大效应的影响。研究表明：与数值模拟结果相比,Seed简化法计算的CSR更大,判断饱和砂土场地发生液化的可能性更高;冲击型地震波较振动型地震波更容易使饱和砂土场地发生液化,砂土相对密度越小场地越容易发生液化;放大系数随埋深的减小而增大,振动型地震波引起的放大效应整体大于冲击型,埋深较大时放大系数随砂土相对密度的增大而减小。     

路桥过渡段的三维数值模拟分析

根据秦沈客运专线DK266+521路桥过渡段结构形式及过渡段的路基面纵向、横向的动应力测试结果,采用三维有限差分数值计算,模拟了动荷载作用下过渡段的沉降变形分别在线路纵向、横向及路基深度方向的变化规律及过渡段设置形式、材料刚度、过渡段的尺寸对沉降变形的影响。结果表明,正梯形过渡段的性能优于倒梯形过渡段;过渡段碎石刚度必须满足一定的要求;过渡段梯形上下底宽的变化对过渡段沉降的影响不明显。     

掺有橡胶粉末砂土液化特性的动三轴试验研究

由于重度小、渗透性强,橡胶粉末常作为边坡、路基和挡土墙的填料,以代替部分砂土,从而提高挡土墙的安全性,并减少砂子的用量。在地震或交通荷载作用下,掺有橡胶粉末的砂土动力学特性,包括应力-应变关系曲线、孔隙水压力累积规律、动剪切模量和抗液化能力方面的研究亟需开展。借助CKC循环动三轴仪,开展饱和不排水条件下掺有橡胶粉末的砂土试样的动力学特性研究,重点评估掺入的橡胶粉末对试样的抗液化性能的影响。研究结果发现,掺有不同粒径橡胶粉末的砂土对应力-应变关系、孔隙水压力的影响非常显著,同时发现,粒径较大的橡胶粉末可以极大地提高试样的抗液化能力。另外,发现掺入量越大,对抗液化能力的提高越明显,且随着掺入量的提高,表现出与常规砂土液化不同的破坏模式。研究结果进一步明确了掺有橡胶粉末的砂土动力特性行为,为橡胶粉末在工程实践中的应用提供了技术依据。最后,对橡胶砂土混合的微观机制进行了解释。     

郑西客运专线黄土路基震陷研究

以郑（州）西（安）高速铁路为例,选择潼关段为研究区,采集大量原状黄土样品,将合成的人工地震动输入到动三轴,进行了固结不排水的动三轴实验,估算了黄土路基的震陷量。建立了高速铁路黄土路基动力学数值模型,研究了50年10%和2%的超越概率水平的地震作用下黄土路基的永久变形,以及地基处理后黄土地基的永久变形。结果显示, 沉降主要发生在Q3黄土中,强夯、DDC桩等地基处理措施可以有效的减少地基黄土的沉降变形,但是当处理深度不够时,在强地震作用下仍然可以产生较大沉降。研究成果为地基抗震处理提供了依据。     

地震荷载下煤矸石路基变形室内试验与数值模拟分析

通过对重塑煤矸石试件进行动三轴试验,研究了随机地震荷载作用下的煤矸石路基填料震陷特性。依据正弦循环荷载作用下的试验结果,获得了不同轴向固结压力下的煤矸石震陷变形特性经验公式;并运用FLAC3D对辽宁阜新某煤矸石路基进行了地震荷载作用下的响应分析。试验表明：煤矸石轴向累积应变随动荷载幅值增加而增大,呈指数关系;震陷试验中,煤矸石试件变形规律经历了振动压密、振动剪切和振动破坏三阶段,与普通路基填料类同,表明煤矸石作路基填料是可行的。数值模拟表明：地震荷载超越概率10％时,路面残余变形不大,路基整体处于稳定状态;地震荷载超越概率2％时,路基边坡将出现滑动带,处于危险状态,且震后残余变形较大。以上研究成果为煤矸石路基抗震设计提供了一定的试验依据,具有较为重要的工程应用价值。     

变形监测在耒宜高速公路路基工程中的应用

根据耒宜高速公路路基的地质特殊性，研究了适合路基沉降的监测方法，对煤层采空区路基、岩溶路基、软土路基在路堤荷载作用下沉降变形进行了监测，分析了这些特殊地基条件路基的变形规律，对其他类似山区公路建设具有参考价值。     

地震历史对砂土抗液化性能影响的试验研究

为探讨地震历史对饱和砂土抗液化性能的影响,通过离心机动力模型试验,观测了遭受过不同强度地震的饱和砂土水平场地在再次地震荷载作用下的响应,包括超静孔隙水压力的发展和土体的变形。研究表明,小地震有利于增强砂土颗粒之间的咬合及结构的稳定性,极大地提高了其抗液化能力,而遭受强地震并且发生液化的砂土,由于在沉积过程中形成的不稳定结构,则可能在将来强度相对较小的地震中再次液化。试验结果说明了地震历史对砂土液化性能有重大影响及进一步开展砂土细观结构研究的重要性。     

高速铁路沉降控制复合桩基的性状试验研究

基于沉降控制设计理念,无砟轨道京沪高速铁路地基处理采用筏板+垫层+疏桩的方法,形成复合桩基以实现有效减少工后沉降和充分利用地基承载力的优化加固方案。为探索该新方法沉降控制机制,选用CFG桩开展了复合桩基现场试验研究,对复合桩基在高速铁路路基填筑、静置、预压卸载过程中的地基沉降变形、桩和桩间土土压力、筏板顶与底部压力进行了长期观测,分析了路基沉降变形、桩-土应力比和荷载分担比以及筏板的受力随填筑高度和固结时间的变化规律。研究表明：筏板＋垫层＋疏桩联合加固地基方案在初期充分发挥了桩间土承载作用,导致桩与桩间土产生差异沉降;随着垫层的调节作用,筏板可集中发挥桩体的承载能力及显著提高桩顶应力集中程度,地基土沉降主要发生在加固区范围内,从而揭示了复合桩基在路基荷载下的承载机制和变形特性。现场试验结果可为指导高速铁路CFG桩复合桩基设计参数的进一步优化提供试验依据。     

爆炸液化场地中浅埋钢筋混凝土结构动力响应的现场试验研究

饱和砂土地基在爆炸荷载作用下会发生液化,地基上的结构物将受到爆炸荷载及地基液化的双重作用,从而产生不均匀沉降和破坏性变形。基于大型现场爆炸液化试验,对场地上钢筋混凝土(RC)结构的动力响应和地基液化后RC结构的变形进行了分析研究。结果表明:液化场地中浅埋RC结构产生了明显的不均匀沉降,且最大沉降量达到结构高度的10%,结构差异沉降达到最大沉降量的1/5,结构沉降变形在液化后15 h时基本稳定;RC结构表面未产生明显的裂缝,动态拉、压应变均在400??以内,不会对结构造成显著破坏;结构动力响应表现为柱侧加速度峰值明显大于梁侧,但柱侧动力稳定所需时间较梁侧短,即柱承受了更大的瞬时冲击力且其抵抗瞬时冲击力的能力更强。研究结果可以为在可液化地基中的浅埋RC结构稳定设计等工程情况提供参考。     

随机地震荷载作用下饱和粉土的液化特性

为了考虑随机地震荷载作用下饱和粉土的液化特性，研究了如何通过合理的地震响应分析确定饱和粉土层受到的随机地震荷载，进一步探讨了随机地震荷载作用下的动三轴试验技术，以及利用此种试验分析饱和粉土液化特性的方法。研究结果为形成判别饱和粉土层地震液化可能性的新方法提供了依据。     

列车振动荷载作用下南京细砂振动累积变形特性试验研究

列车振动荷载作用下松散砂土振密造成的早期路基沉降将对列车的正常运行产生很大的影响。本文以南京地区新近沉积片状细砂为研究对象,采用英国GDS空心圆柱扭剪仪模拟列车振动荷载的实际应力路径,并考虑排水条件、试样围压和加载幅值等因素,初步研究了2000列次(14000振次)列车振动荷载作用下南京新近沉积片状细砂的振动排水特性和竖向累积变形特性。实验结果表明,试样围压对南京片状细砂的竖向累积变形的影响较为明显,同时,当试验围压较小时,加载幅值对试样的竖向累积变形的影响更大。其次,排水条件主要对列车运营前期的路基累积变形产生明显的影响,对后期的累积变形的影响基本可以忽略。最后,根据试验结果,本文也初步给出了排水条件和不排水条件下南京片状细砂的竖向累积应变增长曲线的新预测公式及其参数取值。研究结论对列车振动荷载作用下新近沉积砂性土的动力学特性及其累积变形的计算方法等问题的研究具有很好的参考价值。     

脉冲地震动中竖向加速度对场地液化的影响

为研究近断层脉冲地震动中竖向加速度对砂土场地液化的影响,基于有限元平台OpenSees开发的边界面塑性本构模型,建立了动单剪单元试验模型和饱和砂土三维有限元模型。选取台湾Chi-Chi地震中10条具有速度脉冲特性的地震波,对比分析了水平双向脉冲波与三向脉冲波作用下土柱竖向位移、循环应力比、孔压比及等效循环周数的差异性,继而明确了脉冲地震动中竖向加速度对砂土液化的影响规律。研究表明,三向脉冲地震波中竖向加速度分量对场地永久位移值影响较小,但使永久位移的发展持时明显增大;土柱循环应力比受竖向地震动影响较小,因此分析脉冲地震动对场地剪切特性的影响时,可将三向脉冲地震动简化为水平双向地震动;考虑竖向地震动的三向脉冲地震波引起的孔压比变化幅度较大,孔压消散时间较长;三向脉冲地震波对应的等效循环周数较大,地震动发展持时长,可认为竖向加速度对场地液化有促进作用。     

考虑场地动应力条件的饱和海洋粉细砂液化特性

确保地震荷载作用下海床场地的动力稳定性是海洋工程全寿命周期安全运行的重要保证,然而对复杂海域环境下饱和粉细砂的液化特性研究尚属少见。基于海域场地动应力计算方法,确定各试验工况的场地循环应力比CSR,并对试样施加与之对应的不排水循环荷载。试验结果表明：可液化的海洋粉细砂在考虑其场地动应力条件的循环荷载作用下出现不同的液化可能性;粉细砂呈循环破坏模式,将双幅轴向应变>5%作为循环破坏标准;海洋粉细砂的液化可能性与土体的埋深及动应力均不呈单一相关性,而是随着干密度的增大,液化振次逐渐增大,当干密度＞1.72 g/cm3时土体不再液化。该结果可为杭州湾区抗震区划及海洋工程结构抗震设计提供参考。     

斜椭圆应力路径下饱和松砂动力特性试验研究

利用空心圆柱扭剪仪模拟斜入射地震波作用形成的斜椭圆应力路径,对比研究了等向固结条件下饱和福建标准松砂在循环斜椭圆、圆形、扭剪、三轴路径下的动力特性。试验研究表明：土体循环孔压发展存在陡升型和陡降型两种模式;圆形路径下累积孔压增长速率最快,循环扭剪最小;归一化孔压与斜椭圆的倾角无关,但受斜椭圆长短轴比及动应力比影响。砂土的不排水动强度与动应力路径密切相关,循环扭剪和循环三轴最大,循环斜椭圆次之,圆形路径最小。地震波从特定角度入射时,形成近似圆形路径,若只将地震波视为垂直入射的S波,将高估地基土体抗液化强度。     

分级循环荷载下土工格室加筋路堤模型试验研究

目前对土工格室加筋路堤研究主要集中在静载条件下,动载条件下研究的比较少。为研究分级循环荷载下土工格室加筋路堤的力学性能,采用USTX-2000的动力加载装置进行加载,对土工格室加筋路堤在不同加筋层数、格室高度、格室焊距等工况下进行一系列模型试验。对分级循环荷载下路堤的竖向变形和坡面法向变形进行研究,并与固定振幅循环荷载及静载作用下的路堤进行对比分析,研究不同加载方案路堤力学性能的差异性。试验结果表明,土工格室加筋能显著提高路堤承受分级循环荷载的能力和减小竖向累积沉降量,在加筋间距一定的情况下,两层及以上加筋效果比单层加筋效果更显著,格室高度增大和格室焊距减小均可不同程度提高路堤承受分级循环荷载能力并减小竖向累积沉降量;加筋可减小路堤分级循环荷载下的坡面法向变形,格室高度增大和格室焊距减小在分级循环荷载幅值相同时均能减小坡顶和坡中处的法向累积变形;分级循环荷载作用下,当振次≥8 000或幅值≥80 kPa时,路堤竖向累积沉降量超过固定振幅循环荷载,当振次≥9 000或振幅≥90 kPa时,路堤坡顶法向累积变形超过固定振幅循环荷载;分级循环荷载作用下,路堤竖向和坡面法向累积变形均大于静载,加筋可有效减小分级循环荷载和静载作用下坡面法向累积变形差。     

循环加载下X形桩竖向承载特性模型试验研究

实际工程中桩基经常受到各种动荷载作用,如高铁路基中的加固桩长期承受列车行车时产生的循环动荷载作用,桩基在循环荷载作用下的承载特性研究对动荷载下的工程设计至关重要。X形桩是一种在传统圆形截面桩基础上发展而来的新型异性桩技术,其承载机制不同于传统圆形截面桩。为了深入研究X形桩在循环荷载作用下的动力特性和荷载与沉降规律,开展了砂土中X形桩竖向循环加载大比尺模型试验。试验结果表明,随着循环加载的进行,X形桩顶产生累计沉降,且循环荷载比越大,加载频率越高,桩顶沉降越快;循环加载初期,X形桩顶动刚度降低,桩身轴力响应增大,桩侧摩阻力发生弱化,之后逐渐趋于稳定,且桩身下半段侧摩阻力较大;在同等加载条件下X形桩与等截面圆形桩相比,承受动荷载能力较强,桩侧摩阻力较大,长期循环加载作用下产生的累计位移较小。研究结果可为X形桩在动荷载作用下的工程设计提供参考依据。     

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。     

Investigation of monotonic and cyclic behavior of sand using a bounding surface plasticity model

Developing the pore water pressures in loose to medium sands below the water table may lead to liquefaction during earthquakes. The simulation of liquefaction (cyclic mobility and flow liquefaction) in sandy soils is one of the major challenges in constitutive modeling of soils. This paper presents the simulation of sand behavior using a critical state bounding surface plasticity model (Dafalias and Manzari’s model, 2004) during monotonic and cyclic loading. The drained, undrained, and cyclic triaxial tests were simulated using Dafalias and Manzari’s model. The simulation results showed that the model predicts behavior of sand, reasonably well. Also, for CSR?<?0.2, number of cycles for liquefaction is significantly increased. The residual strength of Babolsar sand is produced when it is deformed to an axial strain of 20 to 25%.