横向扩展液化土中单桩-土系统的非线性分析

将地震液化场地分为地表的上覆未液化土层、底部的未液化基层以及夹在两者之间的液化土层,基于桩-土相互作用的非线性Winkler模型,考虑桩弯曲的非线性弯矩-曲率本构关系和桩的几何非线性变形,建立了液化土层横向扩展下桩非线性大挠度变形的基本控制方程,并利用打靶法进行了数值求解。同时,给出了桩线弹性小变形情形下的解析解。通过与非线性有限元解和线弹性小变形解析解的比较,验证了文中打靶法的有效性和可靠性。用数值方法分析了液化土层横向扩展对桩力学性能的影响,结果表明：非线性桩-土相互作用和桩材料非线性效应强于桩的几何非线性效应,随着液化土层横向扩展位移的增加,几何非线性效应逐渐增大,此时,应采用完全非线性模型进行桩力学行为的分析。     

含细粒砂土反常剪切行为的数值模拟研究

针对含细颗粒砂土的反常剪切行为,开展了双轴剪切试验的数值模拟,从宏细观角度分析了其反常剪切行为发生的内在机制。数值模拟结果表明,增加围压能提高含细颗粒砂土的抗剪切液化能力,该反常行为的根本原因在于围压上升使得粗细颗粒更有效地参与了力链传递,增加了颗粒间的接触,增强了土体的密实度。细颗粒在土骨架中的移动对砂土的液化起着至关重要的作用,而粗颗粒仅起次要作用。研究表明,细颗粒在剪切过程中会持续从有效土骨架中移出成为无效颗粒,而部分粗颗粒也因失去细颗粒的支撑作用会脱离土骨架,直至试样最终液化。细颗粒一般参与土骨架中的弱力链,而粗颗粒则一般参与强力链,导致细颗粒较粗颗粒更容易在土骨架中移动。     

砂土液化流动变形的简化方法

已有的液化砂土流动特性试验结果表明,砂土在液化流动状态下是剪切稀化非牛顿流体,可以用幂函数表示其剪应力-剪应变率的关系,从而建立了砂土液化流动的本构方程。基于FLAC3D程序的二次开发平台,将液化流动本构方程开发到FLAC3D中,建立了液化流动变形的简化分析方法。通过倾斜场地的液化流动变形分析,发现倾斜场地的液化变形曲线可以用正弦函数曲线描述,这与Towhata的理论分析成果一致,验证了本方法的合理性。分析了液化层坡度、稠度系数、流动指数以及弹性参数等变量对液化变形的影响。计算结果表明,液化变形随液化层坡度的增大而逐渐增大,液化砂土的稠度系数和流动指数对液化流动变形有重要的影响,而弹性参数对变形基本无影响,因此,在实际工程分析中,需要对流动模型参数进行深入研究。     

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。     

饱和砂土液化后大变形机制的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。离散元细观数值模拟再现了室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机制。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好的相关性。     

饱和土动力方程全显式有限元法在OpenSees中的实现与应用

饱和土的动力响应一直是土动力学重点关注的问题,尤其是在循环荷载作用下饱和砂土容易发生孔压升高、强度降低的液化现象。同时,采用有限元法求解尺寸较大的实际饱和土场地,巨大的自由度数往往造成整体系统的计算效率极低,制约着饱和土数值方法的发展。因此,基于已提出的u-p(u为固相土骨架位移,p为孔压)饱和两相多孔介质动力方程的全显式有限元法,将其嵌入Open Sees开放性平台中,并利用软件自带的饱和多孔介质单元和本构模型,实现了高效、显式计算饱和土的动力响应。通过计算二维弹性饱和土动力响应,与Newmark法的计算结果对比,两者结果吻合较好,验证了嵌入算法的正确性。将提出方法计算非线性自由场海床土的地震响应问题,有效模拟了海床土的液化过程和失效模式以及发生的侧向变形,同时说明了提出方法在计算效率方面具有的显著优势。     

饱和砂土液化后大变形机理的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。结果表明,试样初始状态并不会影响液化后的极限状态,仅对初始液化所需循环次数有影响。数值模拟可再现室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机理。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好相关性。     

饱和砂土液化后大变形机理的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。结果表明,试样初始状态并不会影响液化后的极限状态,仅对初始液化所需循环次数有影响。数值模拟可再现室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机理。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好相关性。     

泸定大渡河桥冰碛土的结构及现场剪切试验研究

泸定大渡河桥康定岸分布巨厚层冰碛土,为研究土的抗剪强度特性,在不同位置和深度进行了6组现场剪切试验,基于地质勘察和试验结果分析土的结构特征、剪切强度和变形特性及其与土的结构的关系。研究表明:冰碛土的颗粒以粗粒、巨粒粒组为主,骨架颗粒呈悬浮状,混杂、无序堆积,骨架间充填杂基,形成骨架悬浮密实结构。根据颗粒组成和骨架风化程度,划分为骨架悬浮密实结构、软化骨架悬浮密实结构、砂砾土富集结构、大块石包绕结构等4种细观结构类型。冰碛土剪切破坏主要有剪切破碎带、包绕块石边界、锯齿状剪切和切穿软化骨架等4种模式,剪切荷载作用下线弹性变形阶段明显,剪切刚度大,初始屈服历时短。颗粒骨架和杂基形成的悬浮密实结构,是冰碛土强度与变形特性的内在控制因素,剪切荷载作用下骨架颗粒与具有一定胶结的基质间相互作用,剪切破坏时表现为基质的压碎与骨架的变位。骨架颗粒强度、大骨架颗粒分布、基质胶结程度的不同,对冰碛土强度和变形特性都构成一定的影响。土的抗剪强度、剪切刚度和剪胀性随骨架强度和基质胶结程度的提高而增大,而延性随之变差。     

土石坝变形计算中的应力路径问题

通过试验资料,说明了应力路径对砂土的应力-应变关系的影响;从实测资料及有限元法计算的结果,分析了土石坝中应力路径的特点;然后介绍了部分现有在土石坝变形计算中考虑应力路径影响的方法;最后,通过砂土的等应力比及变应力比路径试验资料的分析,揭示了二者之间具有良好的相关关系,推导了变应力比路径下非线性弹性模型参数的计算方法,提出了在土石坝变形计算中考虑应力路径影响的分析方法。     

Liquefaction and cyclic mobility model for saturated granular media

A new constitutive law for the behaviour of undrained sand subjected to dynamic loading is presented. The proposed model works for small and large strain ranges and incorporates contractive and dilative properties of the sand into the unified numerical scheme. These features allow to correctly predict liquefaction and cyclic mobility phenomena for different initial relative densities of the soil. The model has been calibrated as an element test, by using cyclic simple shear data reported in the literature. For the contractive sand behaviour a well‐known endochronic densification model has been used, whereas a plastic model with a new non‐associative flow rule is applied when the sand tends to dilate. Both dilatancy and flow rule are based on a new state parameter, associated to the stiffness degradation of the material as the shaking goes on. Also, the function that represents the rearrangement memory of the soil takes a zero value when the material dilates, in order to easily model the change in the internal structure. Proceeding along this kind of approach, liquefaction and cyclic mobility are modelled with the same constitutive law, within the framework of a bi‐dimensional FEM coupled algorithm developed in the paper. For calibration purposes, the behaviour of the soil in a cyclic simple shear test has been simulated, in order to estimate the influence of permeability, frequency of loading, and homogeneity of the shear stress field on the laboratory data. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

胶新铁路砂土液化区路基沉降规律研究

地震液化常给人们带来巨大损失,而剪切振动和循环荷载作用下的动力学效应常被认为是地震液化的主要原因,人们对剪切荷载作用下饱和砂土的液化问题进行了较多的研究,而对循环荷载作用下砂土液化的动力学效应研究较少。胶新铁路在DK39+000开始为高地震烈度区,DK283+550~DK283+770分布有地震可液化层,工程修建后列车动荷载的影响将会有诱发砂土液化的可能性。为了研究通车前自然沉降特征和通车后循环荷载作用下的路基沉降变形规律,本文在具体分析了砂土液化的概念和准则判别的基础上,重点分析了砂土液化区路基沉降特征,包括测试断面竖向分层沉降变形特征分析和路基水平位移特征分析。最后在试验的基础上,从理论上给出了循环荷载下砂土的本构关系。     

Triaxial tests on the fluidic behavior of post-liquefaction sand

Liquefaction-induced ground deformation is a major cause of structural damage during earthquakes. However, a better understanding of seismic liquefaction is needed to improve earthquake hazard analyses and mitigate structural damage. In this paper, a dynamic triaxial test apparatus was employed to investigate the fluidic characteristics of post-liquefaction sand. The specimens were vibrated to the point of liquefaction by dynamic loading, and then the liquefied sand was further sheared by triaxial compression in an undrained manner. It was found that a non-Newtonian fluid model can accurately describe the shear stress and the shear strain rate of post-liquefaction sand during undrained triaxial compression. The apparent viscosity, a major parameter in a constitutive model of a non-Newtonian fluid, decreases with an increase in the shear strain rate.     

砂性地基中防波堤地震残余变形机制分析与液化度预测法

海港工程中防波堤地震残余变形的预测以及震损机制的分析是较复杂的问题。采用定义在应变空间中考虑土体动主应力轴方向偏转影响的多重剪切机构塑性模型,分别从砂性土的黏粒含量和标贯击数2个主要影响因素对防波堤地震变形的变化机制进行了有效应力分析,得出防波堤较大的残余变形是由于地震作用下土体中孔隙水压力的升高致使土体软化而产生的。然后,采用液化度单一指标从物理本质上来间接表征防波堤的残余变形,得到防波堤残余变形与液化度之间的函数预测关系,预测值与震害调查值以及数值分析值基本相符,表明所得液化度预测公式具有一定的可靠性。残余变形的液化度预测法可为类似防波堤地震灾害设计与评价提供参考依据。     

加筋砂土挡墙面板刚度效果的数值分析

为了对加筋砂土挡墙面板的刚度效果有一个合理、定量的把握,利用非线性硬化-软化弹塑性有限元方法对相关的一系列室内模型试验结果进行了系统全面的数值分析。有限元解析中所采用的砂土本构模型是以修正塑性功为基本状态量的弹塑性硬软化模型,该模型可以较为精确地模拟砂土的应力路径效应。结果表明,利用这种较高精度的有限元方法对加筋砂土挡墙的变形破坏进行解析,不仅能较好地模拟加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,同时也能较好地再现由于面板刚度变化对加筋砂土挡墙基础的承载力以及渐进性变形破坏的影响。随着面板刚度的增加,面板对剪切带的抑制作用将随之增加,具体表现在砂土围压σ3增大所带来的砂土强度σ1的提高,进而使得加筋砂土挡墙的峰值承载力也随之增大。     

某砂土液化大变形本构模型参数的敏感性分析

基于Yang和Ahmed[1－5]等提出的砂土液化大变形本构模型,对该模型的硬化规则和弹塑性模量确定方法作了改进,把该本构模型扩展应用到三维液化大变形的数值分析中,实现了基于ABAQUS大型商用软件计算平台上砂土液化大变形的计算子程序开发。基于该计算平台,对该模型的主要参数在描述砂土液化动孔隙水压力增长和动应力-应变关系曲线等方面的可靠性和敏感性进行了研究。给出了模型全过程参数、剪胀过程参数、剪缩与剪胀状态转换点流动变形量控制参数对试样的应力-应变关系曲线的影响程度及其规律,并对模型的主要参数的敏感性进行了分析,所得结论为通过动三轴试验获得相关模型参数提供了有效的指导和帮助,同时也发展了砂土液化大变形新的数值计算方法。