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。     

南沙珊瑚砂的动剪切模量和阻尼比特性试验研究

珊瑚砂的物理力学性质与陆相沉积物有显著的差异。对南沙岛礁饱和珊瑚砂进行了不排水应变控制分级循环加载动三轴试验,研究了有效围压 和相对密实度Dr对饱和珊瑚砂动剪切模量和阻尼比特性的影响。通过与陆源砂砾土试验结果的对比发现：珊瑚砂与陆源砂砾土在最大动剪切模量Gmax、动剪切模量比G/Gmax曲线及其上下界、参考剪应变 、阻尼比? 曲线及其上下界等均存在显著的差异;珊瑚砂的Gmax比陆源砂的大,采用陆源砂Gmax的经验模型,珊瑚砂的Gmax将被低估约30%;珊瑚砂的非线性稍弱于陆源砂砾土,陆源砂砾土G/Gmax和? 的经验公式不适用于珊瑚砂。给出了珊瑚砂G/Gmax和? 的经验公式及相关参数。     

水泥土搅拌桩软土地基土体动力特性的共振柱试验研究EI北大核心CSCD

开展对水泥土搅拌桩软土地基土体试样的GDS(Global Distribution System)共振柱试验,研究不同剪应变、围压、水泥土置换率对土体动力特性的影响。结果表明,水泥土搅拌桩软土地基土体的动剪切模量G和阻尼比D随剪应变γ变化趋势与软黏土一致,在小应变范围内围压和置换率对土体的动剪切模量G和阻尼比D的影响显著,随着剪应变γ增大,围压和置换率的影响减弱;水泥土搅拌桩软土地基土体的最大动剪切模量G_(max)与围压表现出良好的线性关系,围压越大,提高水泥土的置换率对土体最大动剪切模量G_(max)增强效果越明显。研究结果可为地区水泥土搅拌桩软土地基土体动力参数的取值提供一定的参考。     

冻土动力学研究的现状与进展

冻土动力学主要研究冻土在动荷载条件下的变形和强度特征及土体稳定性, 其研究成果对寒区工程设计有着重要的意义. 文章从以下几个方面介绍冻土动力学的研究现状和进展: 1)各种试验条件(土质、含水量、温度、围压、频率、应变幅值及最大应力)对冻土动力学参数(动弹性模量、动剪切模量和阻尼比)的影响; 2)冻土的动应力应变关系及动强度随频率、应变速率和围压的变化规律; 3)加载频率、最大加载应力、温度和围压对冻土动蠕变参数(破坏时间、破坏应变、最小蠕变速率)的影响及动蠕变模型.     

昆明泥炭质土动剪切模量与阻尼比的试验研究

利用DDS-70型动三轴仪开展了昆明盆地泥炭质土的动力学参数试验研究,分析了不同围压、固结比、振动频率对泥炭质土的最大剪切模量G_(max)、动剪切模量G_d、剪切模量比G_d/G_(max)及阻尼比λ的影响规律。试验结果表明:泥炭质土的G_(max)随围压和固结比呈线性增大。随着剪应变dg的增大,泥炭质土的G_d减小,λ增大,当剪应变较小时,变化幅度较小,剪应变增大到一定程度后,变化速率加快。相同剪应变下,G_d随着围压和固结比的增大而提高。不同围压、固结比及振动频率下的G_d/G_(max)变化较小。围压、振动频率对λ的影响较为明显,而固结比对λ的影响没有明显的倾向性。根据试验结果,建立了考虑围压和固结比影响的G_(max)回归方程,采用Davidenkov模型及依据阻尼比与剪应变的经验关系,得到了泥炭质土的动剪切模量比及阻尼比模型,拟合结果显示,建立的模型能较好地描述泥炭质土的模量阻尼比随剪应变的变化规律。进一步对比分析了不同地区泥炭质土以及不同土类的模量阻尼比特性的差异性。     

EPS块体动变形特性的室内试验研究

通过室内动三轴试验,研究了EPS（expanded polystyrene）块体在不同围压以及应力水平下的动力特性。试验显示,在不同围压下EPS的动应力-应变关系有很大区别,围压较低且当动剪应力比s < 0.5时, 与 呈线性关系,围压稍大时则为双曲线型。EPS的动应变 和割线动剪切模量Gsec的特点与土也有很大不同,在加载的第一周 即增长到较大值,此后,随循环次数N缓慢增长,直至稳定;Gsec则是先下降,而后缓慢增加,直至稳定。分析试验结果认为40 kPa是EPS最合适的使用围压。     

基于反正切函数的西安黄土动本构模型

基于反正切函数曲线,构造了一种新的黄土非线性动力本构模型。选取西安黄土试样进行室内动三轴试验,得到黄土试样的动应力-应变曲线,并以此得到了所提本构模型的理论曲线。理论曲线与试验结果对比表明,较Hardin-Drnevich模型而言,所提西安黄土动本构模型能够更好地描述三轴应力条件下黄土的强度和变形特征。研究结果表明,加载频率与含水率不变时,动剪切模量随围压的增大而增大。加载频率与围压不变时,动剪切模量随含水率的增大而逐渐减小。含水率与围压不变时,动剪切模量随加载频率的增大而增大。     

地震荷载作用下南海非饱和钙质砂动力特性研究

以往对钙质砂动力特性的研究多关注饱和状态的钙质砂,且试验过程中多施加正弦波以代替地震荷载。为克服这一缺陷,提出一种地震荷载加速度时程转化为应力时程的动三轴地震荷载输入方法,选取南海地区钙质砂进行动三轴试验,研究非饱和状态下钙质砂在单个地震荷载持续时间内和多个地震荷载持续时间内的动力特性。试验表明：在地震荷载作用下,钙质砂应变和孔压发展呈现阶梯状,破坏应变既有正值也有负值,即破坏类型既有拉伸破坏也有压缩破坏,这有别于正弦荷载下的动孔压和动应变发展规律;随着基质吸力增大,试样破坏时最大动孔压呈现递减趋势,钙质砂试样破坏时的最大孔压均未达到有效围压。     

上海软土动剪切模量衰减规律的试验研究

为了获得上海软土在循环动力荷载作用下的动力特性,特别是动剪切模量的衰减规律,采用原状第④层上海软土进行等向固结不排水动三轴试验,分析了加载频率和动应力比 对动剪切模量的影响。试验结果表明,对于上海第④层软土,动应力比达到0.2时,土样才发生破坏;土样的剪切模量-累积轴应变曲线不受加载频率和动应力比的影响;剪切模量的衰减下降主要发生在轴应变0～1%区间。最后提出了一个描述剪切模量衰减规律的数学模型。     

南京饱和细砂液化后大变形条件下动剪切模量衰减特征研究

针对南京饱和细砂液化后特大变形条件下(双幅剪应变接近100%)应力-应变关系特征,分析了有效围压和初始静剪应力比等因素对南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线的影响规律,即在液化后多次循环加载条件下零有效应力阶段、剪胀阶段和反向卸载阶段的剪切模量随单向流动累积变形的衰减特征。结果表明:有效围压、初始静剪应力和循环加载幅值对南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线在零有效应力阶段和剪胀阶段的剪切模量大小及其衰减特征的影响不明显,而对反向卸载阶段的剪切模量大小和衰减特征的影响相对较大。随着有效围压和加载幅值分别增大,南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线反向卸载阶段剪切模量都有明显增大的趋势,同时其剪切模量随后续循环加载次数的衰减速度也变快。但随着初始剪应力的增大,该阶段剪切模量随后续循环加载次数的衰减速度有减慢的趋势。同时,基于试验结果,给出了南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线在不同阶段的剪切模量与单向流动累积变形有关的衰减函数及其拟合参数确定方法。     

珊瑚颗粒力学特性应变率效应试验研究

珊瑚单颗粒破碎特性与珊瑚砂高压缩性、剪缩性及良好蠕变性等宏观力学行为密切相关。珊瑚颗粒的应变率效应对于不同形式荷载作用下珊瑚砂强度与变形特性研究具有重要意义。对约300颗珊瑚颗粒进行0.1～50 mm/min位移速率下的单颗粒破碎试验,探讨加载应变速率对颗粒破碎强度、破碎模式、破碎能量及破碎分形的影响。结果表明,珊瑚颗粒破碎强度服从Weibull分布规律,且特征破碎强度随应变率的提高非线性增大;随着加载速率的增大,颗粒主劈裂破坏往往先于棱角的局部碎裂和表面研磨,相应的荷载?位移曲线呈现出由峰前“多峰”向峰后“多峰”现象转变;珊瑚颗粒破碎能量密度和破碎分形维数同样具有明显的应变率效应,且均与对数应变率呈线性正相关关系,表征能量耗散和破碎程度均随加载应变率的增大而增大。     

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。     

岛礁吹填珊瑚砂力学行为与颗粒破碎特性试验研究

珊瑚砂是岛礁陆域吹填唯一的材料,因其特殊的海洋生物成因和孔隙结构特征,珊瑚砂颗粒在常规工程应力水平下就会发生破碎。通过对取自南海某吹填岛礁的珊瑚砂开展室内三轴固结排水剪切试验,研究珊瑚砂强度、变形参数和颗粒破碎程度随相对密实度、围压的演变规律,并与其他研究成果中的南海珊瑚砂强度参数进行对比分析。研究结果表明：珊瑚砂应变软化及剪胀特征随有效围压的增大、密实度的减小而逐渐减弱;在常规应力范围内,得到珊瑚砂峰值摩擦角和临界状态摩擦角的取值范围分别为33o～58o和28o～47o,且均随有效围压的增大而减小;建立了珊瑚砂割线模量E50与相对密实度、有效围压间的关系式;珊瑚砂峰值摩擦角与修正相对破碎指数Br*间的关系可用指数为负数的幂函数关系式拟合,且当颗粒破碎程度较高时,峰值摩擦角随修正相对破碎指数的增大而减小的趋势变缓;珊瑚砂修正相对破碎指数随塑性功的增大近似以双曲线的形式增长,密实度对两者间的关系影响不大。该研究成果可为南海岛礁基础设施的安全设计提供参考。     

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。     

砂类土最大动剪切模量的新预测模型

根据不同级配的南沙和西沙群岛珊瑚砂最大动剪切模量G0的共振柱试验结果,发现相同有效围压 下不同级配、不同海洋珊瑚砂的G0分布范围存在上、下界限。最大孔隙比emax和最小孔隙比emin是可以综合反映砂类土级配和颗粒形状特性的状态参量,G0界限值与极限孔隙比（emax和emin）状态下的G0外推结果相吻合。相同的 下,珊瑚砂的G0下限值G0min随emax的增大而减小,G0上限值G0max随emin的增大而减小。根据不同 下G0min与emax及G0max与emin关系建立了预测珊瑚砂G0界限值的经验公式,不同孔隙比e状态下的G0可以根据界限值G0min、G0max按相对密实度Dr非线性插值获得。新的G0预测模型对同一类别、不同级配的砂土具有较好的普适性。对于不同类别的砂土,引入与矿物组分有关的系数a对模型进行修正,采用文献中大量的G0试验结果对模型进行了验证,新的G0预测模型的普适性明显优于传统Hardin模型。     

厦门砂土的动力特性研究

为了探讨厦门砂土的动力特性,对厦门金秋豪园场地的中粗砂和细粉砂做了一系列振动三轴试验,并对同一场地的含泥中砂做了4个共振柱试验。根据试验结果,确定了中粗砂与细粉砂的液化曲线和动本构关系,提出了相应的动孔压模型,得到了含泥中砂在小应变条件下动剪切模量和阻尼比的变化规律。     

水平-竖向加筋饱和砂土动弹性模量试验研究

利用美国GCTS公司研制的USTX-2000全自动非饱和土/饱和土动三轴仪,在不同围压下对以有机玻璃作加筋材料的H-V加筋饱和砂土进行了一系列循环荷载下动三轴试验,研究了H-V加筋饱和砂动弹性模量及阻尼比随围压、动应变、竖筋高度的变化规律,从而得到最大动弹性模量与围压的关系。试验表明,纯砂和加筋砂的动弹性模量都随动弹性应变幅的增大而减小,随围压的增大而增大,且H-V加筋砂较纯砂和水平加筋砂有效地增大了动弹性模量,并随着竖筋高度增加而增大;纯砂和加筋砂的最大动弹性模量随着围压的增大而增大,且H-V加筋随竖筋高度增加而增大;纯砂和加筋砂的阻尼比随动弹性应变幅的增大而增大,纯砂和H-V加筋砂的阻尼比随围压的变化不够显著,但有减小的趋势,H-V加筋砂阻尼比随竖筋高度的变化不明显,但加筋砂比纯砂有效地减小了阻尼比。     

分级循环荷载作用下冻土动应变幅值的试验研究

通过低温动三轴试验,采用分级加载方式逐级施加动荷载,对不同加载频率、围压和负温条件下青藏冻结黏土和兰州黄土的动应变幅值变化特征进行了试验研究。结果表明,同一级荷载作用下,动应变幅值随振次的增加基本不变,可以采用平均值来反映各级加载下的动应变幅值;不同加载频率、围压和温度条件下,动应变幅值随动应力幅值的变化规律相同,即随着动应力幅值的增加,动应变幅值逐渐增大;动应变幅值随加载频率的增加而减小,但减小的速率逐渐降低,动应变幅值最终趋于一稳定值,对于青藏黏土和兰州黄土,该稳定值均随加载级数的增加而增加;随着围压的增加,青藏黏土的动应变幅值变化不大,而兰州黄土的动应变幅值呈逐渐减小的趋势;动应变幅值随温度的降低而减小。动应力幅值对动应变幅值的影响最大,动荷载振动频率的影响次之,温度的影响第三,围压的影响最小。     

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。     

间歇循环荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性研究

长期列车荷载作用会引起砂土地基和填料的强度衰减、累积沉降过大甚至沉陷等病害问题,严重者危及行车安全。揭示病害机制需探明间歇荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性。对此开展了不同围压、动力幅值下连续加载与间歇加载的动三轴试验,试验结果表明：（1）饱和砂土累积塑性变形-振次曲线呈现锯齿状发展。间歇效应导致卸荷回弹,并显著降低了后加载阶段砂土累积塑性变形,可使连续加载条件下的破坏型“转换”为稳定型。（2）对于塑性安定和塑性蠕变型,孔压-振次关系曲线呈台阶状,第1加载阶段的孔压随振次迅速累积增长,而间歇阶段排水,孔压消散接近或降至0,土体趋密实;在后续加载阶段,孔压累积幅值大幅降低。对于增量破坏型,孔压在第1加载阶段快速增大,试样破坏。（3）建立了表征间歇加载下砂土累积塑性应变两阶段发展特征的预测模型,预测效果良好。（4）间歇效应提高了砂土抵抗塑性变形的能力,连续加载会高估砂土累积塑性应变和低估其动强度。该研究结果对深刻认识间歇循环荷载下饱和砂土的累积变形特性和机制具有重要参考价值。