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。     

不同循环应力路径下饱和珊瑚砂超静孔压增长的改进应力模型EI北大核心

为探究复杂循环加载下不同相对密实度D_(r)的珊瑚砂超静孔压u_(e)增长特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪对饱和珊瑚砂进行了系列循环应力主轴90°跳转的均等固结不排水循环剪切试验。试验表明,循环应力路径、应力水平和D_(r)显著影响饱和珊瑚砂u_(e)增长模式;建立了适用于不同D_(r)和循环加载模式的超静孔压比r_(u)表达式,引入单元体循环应力比USR作为表征复杂循环应力路径的应力指标,给出了模型参数λ_(1)和θ基于USR和D_(r)的表达式。所建立的r_(u)表达式对复杂循环加载模式下不同D_(r)的饱和珊瑚砂r_(u)增长有较好的预测效果。文献中不同类型砂的试验数据独立验证了所建立的r_(u)表达式的适用性。     

循环加载频率对饱和珊瑚砂液化特性的影响

人们对循环加载频率f对饱和石英砂液化特性的影响已进行大量的不排水循环试验研究,但循环加载频率f对饱和珊瑚砂液化特性的影响尚未引起重视。为探究f对饱和珊瑚砂液化特性的影响,针对中密、均等固结的饱和珊瑚砂试样,开展了f=0.01～1.00 Hz、循环主应力路径90°跳转的系列不排水循环剪切试验。试验表明：孔压比ru和广义剪应变γg的增长速率随f增大而降低,到达初始液化所需的液化次数N_L随f增大而增大;不同循环加载方式引起的广义剪应变幅值γ_ga与峰值孔压比r_umax存在事实上的唯一性关系,且γga可表示为以r_umax为自变量的正切函数;f的增大会减弱试样的剪胀性。引入单元体循环应力比USR作为施加于试样的循环应力水平指标,USR-N_L关系曲线随f的增大而移向右上侧,不同f的USR-N_L关系曲线均服从相同形式的负幂函数。这意味着饱和珊瑚砂的抗液化强度随f的增大而增大。     

四向振动空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

主应力轴旋转对土体的动力特性有着显著影响。利用GDS动态空心圆柱扭剪仪（HCA）能够实现内围压、外围压、轴力和扭矩四向动态加载的功能,提出了3种主应力方向变化的应力路径加载方式,分析了3种应力路径在实际工程中的应用,并进行了试验验证。当四向动载根据推导的波形函数加载时,可以实现：① 平均主应力p、中主应力系数b和偏应力q保持恒定,主应力轴循环旋转的应力路径;② 平均应力p和中主应力系数b保持不变,偏应力q循环变化,而主应力方向角? = 90°突变的应力路径;③ 平均主应力p、中主应力系数b保持不变,偏应力q、主应力方向角α连续变化的应力路径。应力路径①为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径②可用于模拟不同方向地震荷载的作用,应力路径③可以模拟波浪荷载作用下桩周土体的应力路径以及交通荷载作用下的应力路径。     

小主应力方向加载条件下的掺砾黏土真三轴试验

对土石坝心墙掺砾黏土开展模拟心墙单元小主应力方向加载的真三轴试验,首先对试样进行不同围压条件下等向固结,然后保持小主应力恒定,通过调整大主应力和中主应力,以模拟土石坝竣工后的初始三向应力状态。试验过程中保持大主应力和中主应力恒定,从小主应力方向单向加载,以模拟土石坝蓄水过程中心墙单元所经历的应力路径。试验结果与常规三轴试验以及复杂应力条件下大主应力方向真三轴加载试验结果都有显著不同。不同初始应力条件下,不同主应力方向的初始切线模量和初始切线泊松比的变化规律非常复杂,应力–应变显现出明显的各向异性。在心墙堆石坝施工过程及蓄水过程中,心墙单元所经历的应力路径明显不同,合理的土体本构模型应该对这种由于加荷路径不同所引起的不同方向模量和泊松比进行合理描述。     

中主应力对饱和松砂不排水单调剪切特性的影响

利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30 %的福建标准砂,在不排水条件下控制主应力方向、中主应力系数、平均主应力保持不变,进行了单调剪切试验。以此着重探讨了中主应力系数对相变有效内摩擦角、峰值有效内摩擦角及有效应力路径的影响。研究表明,中主应力系数对在不排水单调剪切条件下饱和松砂的强度参数具有显著的影响,而对有效应力路径及应力-应变关系发展模式影响较小。基于广义双剪强度准则,从理论上探讨了土的强度参数对于中主应力的依赖性,并与试验结果进行了对比。     

含细粒珊瑚土抗液化特性试验研究

珊瑚土作为新兴的热带地区岛礁与港口工程的首选土工材料,宽级配是其结构组成的主要特征。由于相关工程面临较高的地震风险,珊瑚土的抗液化能力正逐渐引起重视。为探究含细粒珊瑚土的抗液化能力,以东太平洋某热带港口工程的实际珊瑚土场地为背景,通过大粒径循环三轴液化试验测试了设计相对密实度为0.4～0.8的3组代表性级配试样及剔除细粒的两组试样的饱和不排水动强度。试验结果表明：幂函数可以模拟含细粒珊瑚土的循环应力比与液化所需振次关系;细粒的存在与相对密实度的提高不会显著提高珊瑚土抗液化能力;珊瑚土液化过程的超静孔压发展模式与砂土相近,两参数或三参数的反正弦模型可以较好地模拟含细粒珊瑚土的液化超孔压发展过程。研究表明,含细粒珊瑚土仍然属于可液化土类。以背景工程为例,同类型工程在设计施工及使用阶段都需要考虑对地震液化灾害的设防,该研究为珊瑚土液化防治工作提供了技术支持。     

填土应力路径下珊瑚砂幂律应力-应变模型的适用性研究

岛礁工程建设常用珊瑚砂吹填地基或作为土工构筑物的填料。珊瑚砂在填筑期的应力路径具有静止土压力系数K0固结和等应力比路径的特点,为了准确预估填筑期的填土变形量,需要建立能够反映填土应力路径影响的变形计算模型。根据广义虎克定律,建立了幂律形式的非线性弹性模型来描述土体的应力-应变关系,提出了变形参数的表达式。对珊瑚砂开展了K0固结试验和等应力比路径下的排水三轴压缩试验,分析了珊瑚砂的应力-应变曲线和颗粒破碎状况,研究了幂律应力-应变模型的适用性,并将模型计算结果与试验曲线进行了对比。结果表明：填土路径下的应力-应变曲线具有幂函数曲线形式,可以用幂律非线性弹性模型来描述。模型的切线模量和切线泊松比均可以表示为轴向有效应力的函数,并通过与主应力比或系数K0相关的参数得到表达。等应力比路径下的切线泊松比和切线模量随着轴向有效应力的增加而增大。在相同的轴向有效应力条件下,主应力比越大,切线模量越大,切线泊松比越小。随着轴向有效应力的增加,K0固结珊瑚砂的静止土压力系数和切线泊松比减小,切线模量增大。在试验应力范围内,填土路径下珊瑚砂的颗粒破碎量都很小,对应力-应变特性的影响不大。幂律模型合理地预测...     

不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性试验研究

钙质砂是海洋钙质生物死亡后形成的一种具有丰富内部孔隙、低强度、不规则形状和易破碎的岩土材料。通过对钙质砂分别开展的等向压缩、常规三轴压缩、平均主应力为常数的三轴压缩、减压的三轴压缩和等应力比加载5种试验,探讨了不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性。试验结果表明应力路径对钙质砂的抗剪强度和变形特征具有重要影响。钙质砂在等向压缩条件下具有明显的各向异性特征;常规三轴压缩试验条件下,密实钙质砂呈现低压剪胀、高压剪缩的变形特征,且峰值强度与初始固结压力之间呈幂函数关系;平均主应力为常数的三轴压缩试验中,增加偏应力会引起试样的体变;与常规三轴压缩试验不同,在减压的三轴压缩试验中,应力-应变关系曲线均表现为应变软化;而等应力比加载试验中,试样基本处于弹性状态下,且轴向应力与轴向应变之间呈幂函数关系。试验结果还发现钙质砂的切线泊松比不仅要考虑钙质砂的变形和应力状态等的影响,还要考虑应力路径的影响。不同应力路径试验条件下峰值应力比大小顺序与最大体变大小顺序不受初始固结压力的影响。钙质砂的峰值内摩擦角均随着初始固结压力的增大而减小,大致与初始固结压力的对数呈线性函数关系。     

饱和珊瑚砂最大动剪切模量的循环加载衰退特性及预测模型

对南沙饱和珊瑚砂进行应变控制的不排水循环加载动三轴试验,分析了珊瑚砂的初始最大动剪切模量G_0特性,以及加载过程中的最大动剪切模量G_(0,N)的衰退规律。珊瑚砂的G_0比普通陆源砂的高;相比于陆源砂,平均有效围压σ'_0对珊瑚砂G_0的影响更大。珊瑚砂G_0与陆源砂G_0的差异主要由珊瑚砂颗粒形状不规则,存在内孔隙的特性引起。根据滞回圈加卸载应力反转处的斜率计算第N次循环加载的G_(0,N)。加载过程中最大动剪切模量的衰退主要由孔压的增长和结构损伤引起。相比于陆源砂,珊瑚砂的G_(0,N)随超静残余孔压比r_u增长而衰退的速率更快。现有陆源砂G_(0,N)/G_0-r_u模型无法反映珊瑚砂的G_(0,N)衰退规律。基于弹性应变能理论,提出了可以描述土体损伤状态的损伤参数P_d,探究了不同加载模式下珊瑚砂G_(0,N)/G_0随P_d的发展规律,并建立了预测珊瑚砂G_(0,N)的损伤模型。     

波浪荷载下饱和粉土不排水动力特性试验研究

确保海床场地的动力稳定性是近海工程安全运行的前提。目前针对复杂应力路径对海域环境饱和粉土动力学行为特性的影响研究尚属少见。利用GDS空心圆柱扭剪仪,开展了轴向-扭转耦合循环加载的重塑饱和粉土不排水试验,模拟波浪的波幅大小和海床深度变化,以广义剪应变γg=5%为液化标准,研究了均等固结条件下循环应力路径(循环应力比CSR和循环加载幅值比δ)对饱和粉土不排水动力特性的影响。结果表明:CSR与δ值的大小对饱和粉土的超静孔压与变形发展特性影响显著,圆形应力路径(δ=1)循环加载时饱和粉土最易液化;当CSR≤0.050时,饱和粉土不会发生液化;当CSR≥0.065且δ=1时,饱和粉土会发生液化;CSR> 0.150时,粉土易发生液化。γg与孔压比ru的相关性受CSR与δ值大小的影响较小,且γg可表示以r_u为变量的正切函数。以等效循环应力比ESR作为表征复杂应力路径下动应力大小的指标,饱和粉土达到γg=5%所需的液化振次NL与施加的ESR值具有事实上的唯一性关系,ESR随NL的增大而减小。     

干湿循环作用下污泥固化土三维力学特性研究

采用自主研发的新型固化剂对天津城市污泥进行固化处理,通过GCTS真三轴仪对污泥固化土进行不固结不排水试验,探讨其在干湿循环作用下的应力-应变特征和强度指标变化规律。试验结果表明:污泥固化土应力-应变曲线在初始阶段近似表现为线性关系,同等条件下,破坏应力随中主应力比b的增大而增大;相同b值下,破坏应力随干湿循环次数的增大而逐渐减小。经过干湿循环1,3,5,7,10次之后,不同围压下污泥固化土的破坏应力值均呈现下降趋势。当循环次数超过5次后,其降低幅度趋于平缓。在b值较小、循环次数小于3时,应力-应变曲线产生应变软化现象,随着围压和b值的增大表现为硬化型。污泥固化土c、φ值随干湿循环次数的增大呈现出降低趋势,并最终趋于稳定。在此基础上,对不同中主应力比条件下的c、φ值变化规律进行分析,分别建立其与干湿循环次数和中主应力比之间的关系式,并构建出能够考虑不同围压及中主应力比影响的初始弹性模量E_i和主应力差渐近值（σ₁?σ₃）_ulti预测公式。     

循环荷载下考虑主应力旋转的软土力学响应研究

目前用于轨道路堤分析计算的参数多是通过三轴试验获得,而列车荷载经过时土单元应力路径与循环三轴试验加载路径的显著差异可能导致预测失真而引发工程问题。针对某城市轨道进行了三维计算,并分析了移动列车荷载下土单元应力幅值、循环周数、主应力轴旋转的分布规律。在该基础上,采用空心圆柱循环扭剪试验对该复杂应力路径进行了模拟,研究了饱和软黏土的孔压及变形累积特性。结果表明,列车荷载经过时地基土单元大主应力将在(－90°, 90°)内发生旋转;该主应力轴旋转将显著促进软黏土孔压和应变的累积,竖向应力幅值为15 kPa时,循环扭剪试验产生的孔压值比循环三轴试验高77%,累积应变增大了近50%;随着循环应力水平提高,二者累积孔压及累积应变的差值还会进一步增大,甚至出现循环三轴下仅产生较小应变而循环扭剪下已破坏的本质性差异。     

饱和珊瑚砂最大动剪切模量的循环加载衰退特性及预测模型

对南沙饱和珊瑚砂进行应变控制的不排水循环加载动三轴试验,分析了珊瑚砂的初始最大动剪切模量G_0特性,和加载过程中的最大动剪切模量G_(0,N)的衰退规律。珊瑚砂的G_0比普通陆源砂的高;相比于陆源砂,平均有效围压σ'_0对珊瑚砂G_0的影响更强。珊瑚砂G_0与陆源砂G_0的差异主要由珊瑚砂颗粒形状不规则,存在内空隙的特性引起。根据滞回圈加卸载应力反转处的斜率计算第N次循环加载的G_(0,N)。加载过程中最大动剪切模量的衰退主要由孔压的增长和结构损伤引起。相比于陆源砂,珊瑚砂的G_(0,N)随超静残余孔压比r_u增长而衰退的速率更快。现有陆源砂G_(0,N)/G_0–r_u模型无法反映珊瑚砂的G_(0,N)衰退规律。基于弹性应变能理论,提出了可以描述土体损伤状态的损伤参数P_d(damage parameter),探究了不同加载模式下珊瑚砂G_(0,N)/G_0随P_d的发展规律,并建立了预测珊瑚砂G_(0,N)的损伤模型。     

复杂应力路径下杭州原状软黏土破坏标准研究

采用空心圆柱扭剪仪对主应力轴方向固定不变定向不排水剪切应力路径下杭州原状软黏土破坏标准进行试验研究,重点探讨了中主应力参数b、大主应力方向角?及孔压积累对剪切过程中黏土抗剪强度的影响,并提出原状软黏土剪切破坏的标准。试验结果表明,中主应力参数的变化没有对应力应变变化模式和试验应力路径产生影响,随着中主应力参数的增大,黏土抗剪强度的变化并没有呈现出一定的规律性;大主应力方向角对原状软黏土强度的影响反映出原生各向异性对黏土抗剪强度的控制作用;黏土样在剪切后期会产生显著的孔压积累,影响了黏土强度的发挥。考虑中主应力参数等影响因素,通过分析广义剪应力-应变曲线的变化情况,取广义剪应力qJ的峰值作为原状软黏土的剪切破坏标准。     

岩石材料的一种非线性三参数强度准则及应用

为了更好地描述岩石材料在多种复杂应力作用下的强度状态,在已提出的双T~2强度理论基础上,建立了一种新的非线性三参数强度准则。通过与Westerly花岗岩等5种岩石材料试验数据的比较,对准则在σ_1=σ_2σ_3,σ_1σ_2=σ_3,σ_3=0、σ_10、σ_20,σ_30和σ-τ 5种复杂应力状态下的合理性和适用性进行了讨论。研究表明:待定系数A、B、C可通过简单的试验确定且具有明确的物理意义;不同岩石材料的极限应力比α和β对应不同的强度理论;非线性三参数强度准则的π平面迹线介于单剪强度理论和Mises准则、双剪强度理论之间,符合各向同性材料屈服面三轴对称和外凸的公设;理论预测曲线可反映岩石材料中主应力效应的区间性与静水压力效应,并与多种岩石材料在复杂应力状态下的强度变化趋势基本吻合。     

复杂应力路径下钙质砂颗粒破碎及抗剪强度特性

对中国南海钙质砂开展了一系列复杂应力路径下的排水三轴剪切试验,系统研究了应力路径对钙质砂颗粒破碎和抗剪强度的影响机制。研究表明：钙质砂的各项力学特性均随着剪切加载方向的偏转呈现规律性变化,当应力路径处于加荷区,随着应力路径顺时针偏转,钙质砂的软化程度和抗剪强度逐渐增大、剪胀性降低、颗粒破碎程度增大、峰值内摩擦角减小。而应力路径处于卸荷区时,钙质砂破坏具有突然性,颗粒破碎程度也较大。存在“0初始应力影响”应力路径分界线,使得初始平均有效应力对其两侧应力路径区域内体变的影响完全相反。基于分形理论建立了不同初始平均有效应力、固结方式和剪切路径下预测相对颗粒破碎指标B_r值的经验公式,并揭示了应力路径和颗粒破碎耦合作用对钙质砂剪切行为的复杂影响机制。根据试验结果,应用广义加性模型(generalized additive model,简称GAM)推导了考虑颗粒破碎和应力路径影响的强度包线,可作为预测钙质砂在不同应力路径下峰值强度的依据。     

颗粒破碎对钙质土力学特性的影响

南中国海广泛分布着生物碎屑成因的钙质土.本文以相对破碎Br为颗粒破碎的评价指标,分析了在三轴试验条件下,颗粒破碎对钙质土最大有效主应力比((σ′1/σ′3)max )、最大有效八面体应力比(( q/p＇)max)、八面体剪应变(εs)和抗剪强度指标(φˊ)的影响.     

杭州软黏土非共轴特性的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土进行了一系列不排水试验,包括对原状软黏土在不同主应力方向上的定向剪切试验和主应力轴旋转试验以及对重塑软黏土的主应力轴旋转试验,主要研究不同应力路径下软黏土非共轴角的发展特性以及中主应力系数b、初始剪应力水平和次生各向异性对其非共轴特性的影响。试验结果表明,软黏土的非共轴特性虽与砂土存在相似之处,但又不尽相同。原状软黏土在定向剪切条件下的非共轴角均较小,并且与加载方向有关,然而受剪应变发展的影响,试样接近破坏时的非共轴角并不为0°;主应力轴旋转条件下,无论原状还是重塑黏土其非共轴角均随主应力方向角? 增加而循环波动变化,且周期约为90°;非共轴角基本随中主应力系数b的增加而减小,但这种影响并不十分显著;剪应力水平对非共轴角的大小和发展趋势均存在一定的影响。对于重塑土的试验表明,软黏土的非共轴特性并不完全由土体的初始各向异性所决定,次生各向异性的影响也很大。     

主应力方向和初始成样含水率对饱和重塑粉土单调剪切特性的影响

利用“土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪”,针对初始成样含水率分别为0、5%、10%,夯击法制备的饱和重塑粉土试样,在初始主应力方向角分别为0o、30o、45o的条件下进行非均等固结,然后保持平均主应力100 kPa、中主应力系数0.5、各主应力方向角以及加载速率恒定进行了应力控制式不排水单调剪切试验。着重探讨了主应力方向和初始成样含水率对饱和重塑粉土应力-应变关系、孔隙水压力变化及有效应力路径等的影响。试验结果表明：主应力方向和初始成样含水率对饱和重塑粉土的变形及强度特性具有显著影响。初始成样含水率影响应力-应变关系,对剪切强度影响不太显著,但破坏标准的选择对试验结果影响明显,干装样的孔压值低于湿装样;各种初始成样含水率的归一化剪切强度均随着主应力方向的增加而逐渐降低,而归一化孔压最大值则呈现增大的趋势