黄河三角洲饱和粉质土液化性能试验研究

在黏粒含量和干密度恒定的情况下,进行了一系列重塑黄河三角洲饱和粉质土不排水动三轴试验,试样直径为50 mm、高为100 mm,重点研究了有效围压、动荷载和粉粒含量等因素对饱和粉质土液化特性的影响。试验结果表明:（1）在粉粒含量不小于50%的情况下,粉粒含量的增加降低了黄河三角洲饱和粉质土的液化势;（2）重塑黄河三角洲饱和粉质土的动强度随有效围压的增大而增大,与初次液化振动次数的对数近似呈线性关系;（3）与砂土相比,粉质土的动孔压很难达到有效围压,并且随有效围压的增大,相同条件下动孔压达到有效围压的比率降低;随粉粒含量的增加,其对动孔压的影响有减小的趋势;粉粒含量的增大减缓了动孔压的增长;（4）根据本次试验结果,给出了重塑黄河三角洲饱和粉质土的动孔压计算模型及相关参数取值。     

利用旁压试验的砂土初始状态反演分析

讨论了砂土旁压试验的反分析问题。建议利用旁压试验实测数据反演确定土体的初始状态而非材料参数,材料参数可以通过实验室常规试验确定。主要利用了新型的亚塑性本构模型参数不受土体状态影响的特点。主要内容包括：建立有限元数值模型,利用文献中的试验数据确定了特定砂土的材料参数;通过模拟砂土的实验室旁压试验,验证了数值模型;通过改变土体初始应力状态和相对密实度进行数值计算,并利用数值计算成果,建立了可适用于砂土初始状态反演分析的实测旁压荷载和土体中应力与相对密度的数学关系。     

水平液化场地土表位移简化理论解答

水平液化场地地表往返位移的求解是基础和地下工程抗震设计的迫切需求。利用双层模型模拟实际水平场地,提出了可考虑液化层存在下的土表位移简化计算方法并给出频域理论解答,同时采用逐循环累计方法给出水平场地任意荷载下土表位移时域解答。采用适于水平场地孔压增量模型,并逐循环修正土层模量,模拟液化引起的土层的非线性过程。振动台试验结果和提出棋型的计算结果吻合,验证了所提方法能够反映土体液化对土表位移影响的基本过程。提出的方法和解答物理意义明确,可代表土体液化对土表位移影响的基本形态,并可用于频域及时域的无量纲分析。     

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用简化分析方法

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用分析属于桩基桥梁抗震设计中的一个关键科学问题,而目前尚缺乏合理的简化分析方法。鉴于此,直接针对振动台试验,基于Penzien模型,建立了液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用的数值分析模型与相应的简化分析方法。通过振动台试验验证了数值建模途径与简化计算分析方法的正确性,可用于液化场地桩基桥梁结构地震反应的分析,并且特别考虑砂层中孔压升高引起的砂土承载力衰减效应,推荐了计算参数的合理选取方法;据此进行了桩径、桩土初始模量比、砂土内摩擦角、上部桥梁结构质量等重要参数对液化场地桩-土地震相互作用影响的敏感性分析。研究表明：在液化场地条件下,随桩径和桩土初始模量比的增大,桩的峰值加速度、峰值位移减小,而桩的峰值弯矩则增大;随砂土内摩擦角增大,桩的峰值加速度、峰值弯矩、峰值应力均增大,而桩的峰值位移则减小;随上部结构配重增大,桩的峰值位移、峰值弯矩均增大。     

纤维加筋砂土抗液化试验与数值模拟

砂土液化是导致重大地震灾害的主要原因之一。本研究探讨了天然纤维加筋砂土在循环荷载作用下的抗液化性能。在不排水条件下,对具有不同纤维含量的加筋砂土试样进行了一系列循环三轴试验,研究了饱和砂土的液化特性以及循环剪应变幅值、纤维含量对饱和砂土抗液化性能的影响。此外,通过模拟已完成的循环三轴试验,建立了二维有限元数值模型,并对具有不同纤维含量的加筋砂土进行了参数标定。研究结果表明:(1)增加循环剪应变幅值将促进超孔压累积,使得滞回曲线斜率和平均有效应力减小速度加快;(2)纤维的存在能够减缓超孔压的累积,随着纤维含量增加,加筋砂土抗液化能力得到明显提高;(3)标定后的本构模型参数能可靠地用于模拟纤维加筋砂土的液化响应。研究结果为饱和砂土抗液化问题与纤维加筋砂土的数值模拟提供了有价值的参考。     

液化砂土流动效应的振动台试验研究

采用振动台激励使饱和砂土发生液化,并侧向拖拽埋入砂土中的铝管,模拟液化土体与管体相对运动以分析液化砂土流动的力学效应。引入流体力学理论与方法,推导出以拉力反算表观黏度的表达式以及液化土体作为流体对管壁作用的黏滞剪切力。分析和比较了振时拖动、振后拖动下土体的流体性质及其流动效应的率相关性和孔压相关性,探讨了砂土密实度对土体流动效应的影响。结果表明,土体初始密实度与液化后土体的表观黏度正相关;液化土体的表观黏度以及因流动产生的黏滞剪切力与孔压反相关;液化砂土流动产生的黏滞剪切力具有强烈的率相关性。针对可液化场地中的结构抗震分析,应考虑土-结构率相关相互作用。     

剪切-体积应变耦合的孔压增量模型试验

以南京细砂为对象,通过共振柱试验及应变控制的排水/不排水分级和单级加载循环三轴试验的系统性研究,建立了能够描述饱和砂土孔压增长规律的新模型。该模型遵循Martin和Byrne提出的基本理论框架,孔压的增长是由循环剪切作用下体积改变所引起的。提出的孔压模型属于应变控制的孔压增量模型。基于排水循环单级加载试验,通过引入体积门槛剪应变γ_(tv)的概念,以具有代表性的15周体应变(ξ_(vd))15为基准点,归准化体应变发展与循环剪应变之间的关系,建立了三参数的体应变增量模型及其参数标定方法。基于排水和不排水循环单级加载试验结果,揭示了体应变与孔压比之间的内在联系,进而导出回弹模量表达式。通过耦合新的体应变增量模型及回弹模量公式,建立了新的剪应变-体应变耦合的孔压增量模型。验证性试验表明,新的孔压增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高。     

穿越不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道地震响应三维数值分析

地震液化对隧道结构有重大威胁,且位于不同抗液化能力地层交界处的盾构隧道段更易发生严重的地震破坏。采用三维数值方法研究穿越不同密实度状态饱和砂土地层的盾构隧道的地震响应规律。饱和砂土用一种描述不同密实度砂土液化行为的边界面模型进行模拟,首先通过隧道液化上浮的振动台试验结果验证该本构模型的合理性。其次,应用多自由度连接弹簧表征管片环间相互作用,采用文献中的拼装管片的逐级加载试验结果验证该方法的可行性。最后,建立穿越两种不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道三维数值模型,研究相对密实度、输入加速度峰值和交界面倾角对砂土地层-盾构隧道系统动力响应的影响。结果表明,可液化地层中隧道结构位移模式是水平地震激励下产生的水平位移与由于液化上浮效应产生的竖向位移的耦合作用,加之隧道在不同土层中变形存在差异,从而导致隧道呈现扭转的变形形态。在靠近交界面处,隧道整体上浮量急剧变化且该处结构上浮量随着交界面倾角增大而增大,同时管片结构弯矩出现突变,接头螺栓的环间剪切和拉伸位移也显著增加。分析结果进一步印证地震作用下盾构隧道在不同性质饱和砂土地层交界面处更易破坏,在设计阶段应予以重点关注。     

冲击荷载下含夹层饱和砂土孔压变化规律分析

砂土中夹层的性状会影响饱和砂土孔压发展,从而影响砂土层变形。为研究夹层位置、厚度和种类等不同夹层状态下砂土液化过程中的孔压变化规律,设计了冲击荷载作用下层状砂液化试验,建立了含夹层饱和砂土理论模型,并将试验结果与理论分析进行对比。结果表明：含夹层饱和砂土的孔压发展呈现3个阶段,即快速上升、快速消散、缓慢消散阶段。高渗透性夹层高度越高,其下方土层孔压快速消散时长越短,越快趋于稳定值,但消散总时长无明显影响;低渗透性夹层高度或厚度的增大,均会使夹层上方孔压快速消散阶段速率加快,孔压消散稳定阶段延长,孔压消散总时长随之线性增长;同时,孔隙水会在低渗透性夹层下方形成水膜,夹层高度或厚度的增加均会使水膜持续时间增长,但水膜形态主要受夹层厚度影响。试验结果与理论分析较为一致,说明了试验的可靠性。     

液化自由场地震响应大型振动台模型试验分析

开展了含上部黏土层、饱和砂土层、密实砂土层的可液化自由场地在水平地震动激励下的大型振动台模型试验研究,分析了地震动激励时饱和砂土液化后场地加速度、位移、孔压比时空响应等动力响应。试验结果表明：在小震激励时,场地动力反应较小,加速度反应自下而上不断放大,各深度处孔压比均较小,模型地基整体处于弹性反应阶段;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,孔压积累迅速,可液化土体最上部土层孔压比达到1,饱和土体液化,模型地基表现出明显的非线性反应特征,加速度反应在饱和砂土层中未有明显放大,土体卓越周期对应的反应加速度自下而上有不断增大趋势。该研究是土-群桩-上部结构体系大型振动台系列试验中可液化自由场动力反应部分,可供今后做对比分析和验证数值模拟参考。     

Shaking table tests to investigate the influence of various factors on the liquefaction resistance of sands

This paper presents the shaking table studies to investigate the factors that influence the liquefaction resistance of sand. A uniaxial shaking table with a perspex model container was used for the model tests, and saturated sand beds were prepared using wet pluviation method. The models were subjected to horizontal base shaking, and the variation of pore water pressure was measured. Three series of tests varying the acceleration and frequency of base shaking and density of the soil were carried out on sand beds simulating free field condition. Liquefaction was visualized in some model tests, which was also established through pore water pressure ratios. Effective stress was calculated at the point of pore water pressure measurement, and the number of cycles required to liquefy the sand bed were estimated and matched with visual observations. It was observed that there was a gradual variation in pore water pressure with change in base acceleration at a given frequency of shaking. The variation in pore water pressure is not significant for the range of frequency used in the tests. The frequency of base shaking at which the sand starts to liquefy when the sand bed is subjected to any specific base acceleration depends on the density of sand, and it was observed that the sand does not liquefy at any other frequency less than this. A substantial improvement in liquefaction resistance of the sand was observed with the increase in soil density, inferring that soil densification is a simple technique that can be applied to increase the liquefaction resistance.     

杭州钱塘江防洪堤抗震分析

通过动力试验研究了杭州钱塘江防洪堤基的动力特性,并用原位和室内分析法判别了堤基液化的可能性,在有限元分析时,改进了工程上常用的排水有效应力动反应分析方法,在地震期间采用Biot动力固结方程进行动力分析,可以同时考虑地震期间孔压的上升及固结消散对防洪堤的抗震液化和稳定性进行分析。采用非线性成层地基反演技术,反演分析基岩地震加速度曲线,对堤坝地震反应进行分析。地震响应的各种结果对于了解今后防洪堤在地震期间的运行状态具有一定指导意义。     

大厚度饱和砂土液化治理试验研究

饱和砂土液化地基治理是工程建设中面临的一大难题。某拟建电厂工程针对大厚度的饱和砂土液化地基,通过采用大直径振冲碎石桩复合地基的处理方法,开展了大厚度饱和砂土液化地基治理的现场试验研究。试桩施工结束后,通过采用载荷试验、超重型动力触探试验等原位测试方法,对桩间土、桩体及复合地基的承载性能、变形参数及液化处理效果进行了评价和分析,取得了大量可靠的试验数据,对类似工程具有一定的参考价值     

飞机荷载作用下粉砂土路基动力响应研究

随着公路跑道建设的快速发展和粉砂土路基的广泛应用,飞机荷载作用下粉砂土路基稳定性还有待进一步研究。采用拉格朗日差分方法,利用Byrne模型描述饱和粉砂土孔压变化,分析了飞机荷载作用下粉砂土路基孔隙水压力、位移以及瞬时屈服区的变化规律,并通过室内模型试验验证了结果的合理性。研究结果表明：在飞机荷载作用下,粉砂土路基超孔隙水压力、位移分布以及应力状态受加载频率、加载时间及荷载峰值影响较大,其中加载频率5 Hz是一个关键控制指标,在设计中应给予重点考虑。     

基于单相流的减饱和砂土流固耦合改进算法

减饱和法是一种通过减小饱和砂土地基中水的饱和度来处置可液化砂土地基的方法。基于单相流-固耦合理论,将减饱和砂中水-气两相流体等效为单相流体,提出一种可以考虑加载过程中孔隙流体体积模量变化的减饱和砂土静态液化的单相流改进算法,用其进行单调荷载作用下三轴不排水压缩试验数值模拟研究,分析了不同饱和度条件下的减饱和砂土的不排水反应并与饱和砂土三轴不排水试验结果进行对比。研究结果表明,单相流改进算法能够很好地反映减饱和法的抗液化特性。此外,对比不同数值分析方法模拟结果,得出以下结论：采用单相流简化算法分析减饱和砂土的不排水反应时,因为不考虑加载过程中的孔隙流体体积模量变化,所以初始的流体体积模量取值会影响减饱和砂土的强度,初始围压为100 kPa、饱和度为96%的减饱和砂土在单调荷载作用下,气体体积模量取值从100 kPa增加至200 kPa时,减饱和砂试样的峰值偏应力会减小约30%,孔隙压力会增加约40%;通过对比同等条件下的单相流改进算法和两相流算法的应力-应变关系曲线以及饱和度和体积应变变化曲线,两者结果相近,误差在5%以内。综上所述,单相流改进算法是一种较为合理而简洁地模拟减饱和砂土静态液化的计算方法。     

An experimental database for the development,calibration and verification of constitutive models for sand with focus to cyclic loading: part I—tests with monotonic loading and stress cycles

For numerical studies of geotechnical structures under earthquake loading, aiming to examine a possible failure due to liquefaction, using a sophisticated constitutive model for the soil is indispensable. Such a model must adequately describe the material response to a cyclic loading under constant volume (undrained) conditions, amongst others the relaxation of effective stress (pore pressure accumulation) or the effective stress loops repeatedly passed through after a sufficiently large number of cycles (cyclic mobility, stress attractors). The soil behaviour under undrained cyclic loading is manifold, depending on the initial conditions (e.g. density, fabric, effective mean pressure, stress ratio) and the load characteristics (e.g. amplitude of the cycles, application of stress or strain cycles). In order to develop, calibrate and verify a constitutive model with focus to undrained cyclic loading, the data from high-quality laboratory tests comprising a variety of initial conditions and load characteristics are necessary. The purpose of these two companion papers was to provide such database collected for a fine sand. The database consists of numerous undrained cyclic triaxial tests with stress or strain cycles applied to samples consolidated isotropically or anisotropically. Monotonic triaxial tests with drained or undrained conditions have also been performed. Furthermore, drained triaxial, oedometric or isotropic compression tests with several un- and reloading cycles are presented. Part I concentrates on the triaxial tests with monotonic loading or stress cycles. All test data presented herein will be available from the homepage of the first author. As an example of the examination of an existing constitutive model, the experimental data are compared to element test simulations using hypoplasticity with intergranular strain.     

An experimental database for the development,calibration and verification of constitutive models for sand with focus to cyclic loading: part II—tests with strain cycles and combined loading

For numerical studies of geotechnical structures under earthquake loading, aiming to examine a possible failure due to liquefaction, using a sophisticated constitutive model for the soil is indispensable. Such model must adequately describe the material response to a cyclic loading under constant volume (undrained) conditions, amongst others the relaxation of effective stress (pore pressure accumulation) or the effective stress loops repeatedly passed through after a sufficiently large number of cycles (cyclic mobility, stress attractors). The soil behaviour under undrained cyclic loading is manifold, depending on the initial conditions (e.g. density, fabric, effective mean pressure, stress ratio) and the load characteristics (e.g. amplitude of the cycles, application of stress or strain cycles). In order to develop, calibrate and verify a constitutive model with focus to undrained cyclic loading, the data from high-quality laboratory tests comprising a variety of initial conditions and load characteristics are necessary. It is the purpose of these two companion papers to provide such database collected for a fine sand. Part II concentrates on the undrained triaxial tests with strain cycles, where a large range of strain amplitudes has been studied. Furthermore, oedometric and isotropic compression tests as well as drained triaxial tests with un- and reloading cycles are discussed. A combined monotonic and cyclic loading has been also studied in undrained triaxial tests. All test data presented herein will be available from the homepage of the first author. As an example of the examination of an existing constitutive model, the experimental data are compared to element test simulations using hypoplasticity with intergranular strain.     

夯扩挤密碎石桩加固液化砂土地基的动力数值分析

砂土液化问题一直是土动力学与岩土地震工程研究领域的重要课题之一。基于南水北调中线某工程,通过现场和室内试验获取土体的物理力学参数,利用岩土数值分析软件FLAC3D对夯扩挤密碎石桩加固干渠液化砂土地基进行了动力数值分析。结果表明,由于夯扩挤密碎石桩的排水作用,干渠底部饱和砂土地基中的超静孔隙水压力和孔压比与加固前相比明显减小;干渠渠道底部饱和砂土中的监测曲线表明,随着地震荷载持续时间的增加,饱和砂土地基中超静孔隙水压力和孔压比峰值较加固前大幅值降低,且时程曲线达到峰值之后也由加固前的基本保持不变改为迅速消减降低;由于夯扩挤密碎石桩的排水和挤密作用,有效消除了干渠渠道底部以及渠堤坡面外侧平台至坡脚底部砂土层的液化现象,加固后干渠底部饱和砂土地基中没有液化现象产生。     

波浪荷载作用下饱和粉土反正弦孔压拟合参数影响因素分析

为探寻波浪荷载作用下饱和粉土振动孔隙水压力发展规律,试验选用近海地区广泛分布的粉土为研究对象,在不同的相对密实度、偏应力比及振动频率下,利用空心圆柱仪进行了一系列模拟波浪荷载的循环三轴-扭剪耦合试验,探讨饱和粉土在不排水条件下的孔压增长规律。试验结果表明,归一化后的振动孔隙水压力比与振次比之间的关系可以用反正弦三角函数来拟合。通过对不同相对密实度、偏应力比及振动频率下归一化孔压发展曲线的分析可知,随着偏应力比的增大,拟合参数θ呈线性趋势减小,随着相对密实度的增大,θ呈线性趋势增加,振动频率的变化对拟合参数θ影响不大。