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。     

Bender-based G0 measurements: A coupled numerical–experimental approach

Bender elements are shear wave transducers, widely used for the experimental identification of the small-strain shear moduli of geomaterials. They offer good coupling with the sample and controllable loading signal and frequency, but some of their design and signal interpretation features are still under investigation. The research of these features has been approached mainly on experimental grounds and, in most cases, the conclusions were not consensual. This study aims at laying the foundations for a coupled, numerical–experimental approach to the problem. It uses hybrid-Trefftz finite elements to model the bender element test and the output signal obtained in the laboratory to validate the model.Two main reasons justify the choice of the hybrid-Trefftz finite elements. First, hybrid-Trefftz elements are considerably less wavelength-sensitive than conforming displacement elements. This feature endorses the use of the same (coarse) mesh for modelling waves of very different types and frequencies, thus eliminating the need for time-consuming mesh refinements. Second, hybrid-Trefftz elements use physically meaningful approximation bases. This feature enables the numerical filtration of the spurious compression waves propagating laterally from the emitter and of their reflections from the envelope of the sample. Hybrid-Trefftz finite elements are shown to recover adequately the output signal obtained experimentally, for pulse excitations of various frequencies and two sets of boundary conditions. The decomposition of the output signal into its shear and compression components endorses the clear identification of the shear wave arrival and the amount of compression wave pollution.     

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。     

关于抗震设计场地反应分析客观性的一些探讨

在工程抗震设计领域,以SHAKE为工具的场地反应分析已得到广泛应用。场地反应分析简单、易行,然而要得到准确、可靠的分析成果仍需要长期的经验积累和相当的技巧。其中需特别注意的是：场地反应分析所需要的各土层参数均具有相当大的不确定性。这些不确定因素主要来自于：初始剪切模量G0（或最大剪切模量Gmax）、剪切模量衰减曲线、阻尼曲线以及可能存在的软弱土层。对于大型基建工程,场地反应分析的成果对于整个工程的安全、经济性都有重大影响;因此,针对其不确定性应该进行严谨地论证,并在工程设计中充分考虑。建议对各主要参数进行敏感度分析,并将结果综合起来以形成一套理性、可靠的场地反应分析方法。     

海原-六盘山断裂带现今地震危险性的数值模拟分析

基于正交各向异性理论表征断层的变形行为,将平行断层面的剪切模量和周围介质剪切模量的比值作为反演参数,以海原-六盘山断裂附近现今GPS观测地壳水平运动速度场作为约束,通过构建三维有限元模型,采用遗传算法,反演了海原-六盘山断裂平行断层面的剪切模量分布.结果显示:六盘山断裂中南段平行断层面剪切模量与周围介质接近,且沿断层面...     

橡胶砂弹性动力学参数的弯曲-伸缩元试验研究

橡胶砂作为一种廉价环保的土工材料,应用前景十分广阔,关于其力学特性的研究具有重要意义。采用弯曲–伸缩元法对橡胶砂进行了剪切波和压缩波联合测试,分别采用离散频率扫描法和初达波法确定了剪切波和压缩波的传播时间,进而得到其弹性动力学参数：初始剪切模量、侧限模量和泊松比,分析了橡胶含量和围压对橡胶砂弹性动力学参数的影响。结果表明：在同样围压下,随着橡胶含量的增加,橡胶砂初始剪切模量和侧限模量逐渐减小,初始泊松比逐渐增大;在同样橡胶含量下,随着围压的增大,橡胶砂初始剪切模量和侧限模量逐渐增大,初始泊松比逐渐减小。最后,在此基础上进行了两种因素耦合效应的分析以及相关力学机制的探讨。     

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。     

K0条件下颗粒形状特征对砂土剪切模量的影响

为了研究颗粒形状特征对砂土剪切模量的影响,选取4种形状不同的砂样（福建标准砂和人工石英砂）作为研究对象,通过扫描电镜获取其颗粒微观图像,使用Image Pro Plus软件和自编Matlab程序提取试样颗粒的形状特征。采用改进的半径角和轮廓指数综合描述颗粒偏离圆或椭圆的程度以及棱角变化程度,并基于这两个参数提出颗粒形状因子来综合表征颗粒的形状特征。之后在K0条件下通过弯曲元试验获得不同竖向荷载对应的4个试样的剪切模量,试验结果表明,砂土颗粒的形状因子与砂土的剪切模量具有良好的相关性。最后基于Hertz-Mindlin接触模型,推导出引入形状因子的砂土剪切模量理论计算公式,该计算公式与实测值吻合良好。     

循环荷载下黏土应变积累积强化模型研究

循环加载历史是影响土的动力特性的一个重要因素。通过对一种原状粉质黏土进行高循环次数单剪试验,研究了黏土体应变随剪应变幅值及循环次数的变化规律,以及由于体应变的累积对黏土动力特性产生的影响。试验结果表明,黏土的体应变随着循环次数的增多和循环剪应变幅值的增大而增大,而土的动力特性则随着体应变的不断累积而出现强化现象,表现为动剪模量增加,阻尼比减小。对累积体应变与动剪模量、阻尼比之间的关系进行了研究,提出了相应的强化关系式。在常用的非线性模型基础上,通过引入动剪模量的强化系数和阻尼比的衰减系数,建立了一种能考虑循环应变历史影响的土动力模型。     

强风化花岗岩动力学参数的试验研究

地震反应分析通常采用等效非线性模型,动剪切模量G和阻尼比λ是该模型的两个重要参数。为研究目前在大型工程建设中遇到越来越多的强风化花岗岩的动力特性,利用固定-自由型共振柱（GDS RCA）对强风化花岗岩的剪切模量和阻尼比进行试验研究。GDS RCA为一种国际上广泛应用的共振柱,具有良好的性能,利用其控制试样的固结围压和孔隙水压力,可以测得试样在不同有效应力状况下的动剪切模量和阻尼比。对比研究不同有效应力下共振频率、动剪切模量和阻尼比随剪应变的变化情况,给出其变化曲线。按照Hadin-Drnevich[1]所提出的双曲线模型,拟合动剪切模量比和阻尼比随剪应变的变化曲线。利用摩擦理论,对试样阻尼的产生机制进行探讨。试验结果表明,随着剪应变的增加,试样系统的共振频率随之减小,试样阻尼比随之增大;试样的动剪切模量和阻尼比皆与试样固结时的有效应力有关,而试样阻尼比也受孔隙水压力的影响。     

Predicting mechanical properties and ultimate shear strength of gypsum,limestone and sandstone rocks using Vipulanandan models

ABSTRACT

In this study, over 1000 data from the literature was used to characterize and compare the density, strengths, modulus, fracture toughness, porosity and the ultimate shear strengths of the gypsum, limestone and sandstone rocks. The compressive modulus and Mode-1 fracture toughness of the gypsum rock, limestone rock and sandstone rocks varied from 0.7 GPa to 70 GPa, and from 0.03 MPa.m^0.5 to 2.6 MPa.m^0.5  respectively. Vipulanandan correlation model was effective in relating the modulus of elasticity, fracture toughness with the relevant strengths of the rocks. A new nonlinear Vipulanandan failure criterion was developed to quantify the tensile strength, pure shear (cohesion) strength and to predict the maximum shear strength limit with applied normal stress on the gypsum, limestone and sandstone rocks. The Vipulanandan failure model predicts the maximum shear strength limit was, as the Mohr-Coulomb failure model does not have a limit on the maximum shear strength. With the Vipulanandan failure model based on the available data, the maximum shear strengths predicted for the gypsum, limestone and sandstone rocks were 64 MPa, 114 MPa and 410 MPa respectively.     

应力松弛作用对未固结砂岩等效弹性性质的影响

未固结碎屑砂岩储层是国内外重要的油气储层类型之一,其物理本质是由离散颗粒组成的软凝聚态物质.在地震勘探中通常使用Hertz-Mindlin等效介质模型来计算未固结砂岩的地震弹性特征,但该模型在使用中通常会得到明显偏高的剪切模量值.基于3D离散元技术,对颗粒介质在单轴压缩与纯剪两种过程中的力学响应进行离散元数值模拟,从微...     

基于SCPTU的软土最大剪切模量测试分析研究

最大剪切模量是土的基本力学特性参数,对土动力特性分析和岩土工程抗震设计有着重要的意义。目前最大剪切模量的确定主要依赖于室内试验,土样的采取和室内试验既耗时又不能保证精度。以江苏北部里下河古泻湖相软土地区高速公路建设为工程背景,采用地震波孔压静力触探（SCPTU）和下孔法（DHT）进行了土层剪切波速的测试,基于SCPTU和DHT剪切波速测试资料建立了最大剪切模量Gmax与SCPTU测试参数之间的相关关系。结果表明：采用SCPTU测试的锥尖阻力和孔压参数能够用于对软土的最大剪切模量的初步评价。     

Energy dissipation in engineered sand of large damping ratio

Many geotechnical problems such as seismic resistant designs and machine vibrations require the installation of dampers or isolators to control the amplitude of vibrations. Engineered fills designed with increased capability of dissipating energy can provide a more economical approach to control excessive vibrations. This study presents a novel technique to increase the damping ratio of sand without affecting its stiffness and shear strength. The increase in damping ratio is evaluated by performing resonant column tests on the engineered sand. The damping ratio of the sand is increased by adding a controlled amount of viscoelastic material to the voids. The resonant column tests indicate that the damping ratio of the sand can be increased manifold without affecting the shear modulus. The micromechanical evaluation of the results shows a good correlation between the particle surface area in contact with the pore-mixture and the damping ratio of the sand. The suitability of engineered sand as foundation material is also evaluated by performing direct shear tests. The direct shear tests on mixtures indicate similar or better shear strength parameters compared to pure sand.     

砂岩油藏地应力及岩石力学参数与套管损坏相关性

XMAC测井仪能够在井下进行连续测量, 不仅能测得储层各沉积单元的最大和最小水平主应力以及最大水平主应力方位, 而且可以取得密度、破裂压力、泊松比、杨氏模量、剪切模量等岩性及力学参数, 从而有助于研究储层纵横向岩石力学特征, 进而为确立地应力与套管损坏之间以及岩石力学参数与套管损坏之间的相关性提供技术支持。研究结果显示, 与非套损区对比, 标准层成片套损区的主应力及破裂压力很高, 泊松比很大, 剪切模量很小, 这种力学特征可用来确立标准层成片套损区的形成或存在; 与正常井区相比, 油层部位套损集中区的主应力及破裂压力偏高, 泊松比比较大, 剪切模量比较小, 主应力方位发生偏转, 可利用这种力学特征判断油层部位套损集中区的形成或存在; 破裂压力变高、泊松比变大、剪切模量变小、差异应力较大是导致标准层部位发生套损的内在原因, 而区域之间的平面应力差异是导致标准层部位发生套损的外在推动力; 泊松比大、剪切模量小、破裂压力高等岩石本身力学特征是油层部位发生套损的内因, 而地应力场和地层压力场的改变是油层部位发生套损的外因, 油层部位套管损坏是内因、外因共同作用的结果。      

岩土体物理力学参数对岩质滑坡稳定性的影响

采用有限元-极限平衡法研究了含软弱滑动带的岩质滑坡滑动体、滑动带和滑床的密度、弹性模量和泊松比及滑动带的抗剪强度对滑坡稳定性的影响。结果表明:滑床密度、滑体及滑动带的弹性模量、滑动带及滑床的泊松比和滑动的抗剪强度指标与滑坡稳定性系数呈正相关关系,而滑体及滑动带土体密度、滑床的弹性模量和滑体的泊松比与滑坡稳定性系数呈负相关关系;软弱滑动带的抗剪强度对滑坡稳定性的影响最显著,其次为软弱滑动带的泊松比和滑床的弹性模量,其他参数的影响相对较小。      

珠江口地区岩土层工程地质特征及物理力学性质研究

基于港珠澳大桥、深中通道、虎门大桥等工程的精细化勘察成果,分析了珠江口地区岩土层地质特性,区内岩土层可划分为淤泥质软土层、黏土粉质黏土层、中粗砂层、残积土层、不同程度风化基岩共5大层,结合区内水动力环境、沉积物类型、钻孔对比及地质剖面,将研究区划分为河口砂质沉积区、潮流型泥质沉积区、泥砂混合沉积区、浅海泥砂混合沉积区等4类。珠江口地区岩土层的物性参数特征研究表明,随着深度增大,岩土层含水率降低,快剪黏聚力增大,压缩系数减小,压缩模量增大;原状土十字板抗剪强度C_u与软土含水率w呈幂函数相关,与压缩模量E_s、快剪黏聚力c呈线性正相关;孔压静力触探试验比贯入阻力p_s与含水率w呈对数相关,与压缩系数a_1?2呈幂函数相关,与黏性土、砂类土的快剪黏聚力c呈线性正相关,得到的经验公式可为珠江口地区类似场地工程建设提供参考。     

偶应力对层状岩体结构面边界层效应的影响

在压剪载荷作用下,层状岩体结构面附近的剪切变形梯度非常显著。基于偶应力理论,研究层状岩体结构面边界层效应。利用有限单元方法进行数值计算,并将偶应力理论的计算结果与经典弹性理论的结果进行比较。采用Serendipity单元（S单元）,导出S单元内的插值函数及位移插值公式。利用ANSYS进行前处理,并基于Matlab编制经典理论和偶应力理论相应的计算和后处理程序。结果表明：偶应力对层状岩体结构面剪应变有显著影响,尺度效应明显。相对于经典弹性理论,在偶应力理论中,应变量减小,并在边界层附近出现过渡区;剪应变突变现象得以改善,但剪应力不再连续。特征长度影响过渡区域的大小,但第二剪切模量、泊松比、弹性模量不改变过渡区域的大小。     

分散性土动剪切模量影响因素的试验研究

分散性土耐冲蚀性低、抗渗性能差,在纯水中具有很高的分散性,严重威胁水利工程的安全。在分散性土的鉴别和改性方面已有很多成果,但分散性土动力特性的研究见诸报端的还很少。利用日本诚研社生产的DTC-199型电液伺服加荷往复扭剪三轴仪,对取自宁夏某碾压均质土坝的分散性土的动剪切模量进行了探索。通过改变试样的含水率、干密度和围压等初始条件,研究分散性土在不同试验条件下的动力特性及剪切模量的变化规律,并进行对比分析。得出：分散性土的动剪应力-应变关系符合Hardin-Drnevich双曲线模型;控制初始条件,当其他条件相同时,含水率越低,动剪切模量越大;干密度越大,试样动剪切模量越大;围压越高,其动剪切模量越大;初始剪切模量及最大动剪应力的变化规律与之相似。动剪切模量随动剪切应变的增大普遍呈衰减趋势。     

CAS-1模拟月壤动剪切模量与阻尼比的试验研究

针对中国科学院地球化学研究所与国家天文台合作研制成功的CAS-1模拟月壤（国家标准试样）,利用GDS共振柱试验仪对模拟月壤开展动力学参数的试验研究,分析了不同孔隙比、不同围压对动剪切模量G及剪应变 的影响规律。试验结果表明,在应力水平很低、孔隙比较大的真实月面环境条件下,动剪切模量G较小,阻尼比 较大,且随着动剪应变 的增大,动剪切模量快速减小,阻尼比急剧增大。采用Hardin-Drnevich模型,得到了不同孔隙比、不同围压下归一化动剪模量G/Gmax与归一化阻尼比 / 随 变化的平均拟合曲线,探讨了最大动剪切模量Gmax、最大阻尼比 和参考剪应变 等动参数与应力水平 的相关关系式,并据此给出了月壤钻取采样深度（0～3 m）内Gmax、 和 的值域区间以及各剪应变对应的G/Gmax和 的推荐值。