钙质砂动力液化特性的试验研究

我国南海分布有大量的钙质砂,在波浪或地震等动荷载作用下会发生液化。利用土工动力三轴仪进行了南海钙质砂的动力液化特性试验。试验表明,在等压固结条件下,不同围压下饱和钙质砂试样的变形模式基本相同,加载初期试样抵抗变形的能力较强,试样的应变幅值较小,孔隙水压力几乎呈单调上升,该阶段孔压仅有很小的波动,且动应变幅值几乎不发生变化。随后孔压发展进入加速阶段,试样软化明显。在循环加载过程中,剪缩与剪胀交替出现,孔隙水压力产生较大的波动,试样软化会使得剪应变持续增加,同时试样的剪胀反应又使每一循环中试样的液化趋势减弱,变形发展受到抑制。     

细粒含量对饱和砂土流动性影响的试验研究

开展了不同细粒含量饱和砂土的不排水循环三轴试验,基于已有饱和砂土流动性的概念,详细分析了不同细粒含量饱和砂土应力—应变率曲线、流动性曲线以及平均流动系数—孔压比关系曲线特征。讨论了细粒含量对饱和砂土流动性影响的主要规律。结果表明:不同细粒含量饱和砂土在循环荷载下具有相似的流动性演变规律和过程;循环荷载下饱和砂土的流动性与土体的颗粒级配密切相关;试样细粒含量在0%~20%时,其流动性与细粒含量关系近似呈上凸抛物线形;当细粒含量为10%时,饱和砂土对应初始流体状态的孔压比最小,"初始液化"前后的流动性水平最为显著。     

交通荷载作用下饱和软粘土孔压-应变分析模型

针对交通荷载的作用特点设计了循环三轴试验,进而对交通荷载作用下饱和软粘土的动力特件进行厂研究.结果表明:循环荷载作用下,饱和软粘土存在临界循环应力比,采用孔压曲线所得到的临界循环应力比要小于采用应变曲线所得到的临界循环应力比.当土样不存在初始剪应力时,随着循环次数的增加,土样的应力-应变关系曲线近似原点对称,但随着初始剪应力的增大,应力-应变关系曲线逐渐表现为一系列平行曲线,峰值孔压与循环孔压幅值均逐渐减少;同时,轴应变的发展加快,但循环应变幅值逐渐减小.当循环应力比小于临界循环应力比时,对于同一初始剪应力,不同循环应力比下的孔压比-动应变曲线近似集中在同一条曲线上.通过对试验数据进行回归分析,得到了交通荷载作用下饱和软粘土残余孔压-累积塑性应变关系模型.     

循环荷载作用下三明治形加筋土挡墙的模型试验与数值模拟∗

为研究循环荷载作用下三明治形加筋土挡墙的受力特性,进行了一系列砂土加筋土挡墙和三明治形加筋土挡墙的动加载室内模型试验.针对不同的加载特征,分析加筋土挡墙的变形和应力响应.采用FLAC3D建立三明治形加筋土挡墙的数值计算模型,通过与模型试验的对比,验证了计算模型的可靠性,分析了循环荷载下挡墙的变形、加速度和潜在破裂面.研究结果表明:三明治形加筋土挡墙变形与竖向土压力随荷载幅值、荷载频率和激振器个数的增加而增大;荷载对土压力的影响随距振源距离的增大而减小;相同加载条件下,三明治形挡墙的顶部沉降更大;随着挡墙高度的增加,土压力的振动幅值逐渐增大,土压力峰值减小;挡墙沉降并非成层均匀沉降,内部分层沉降出现双峰值;随墙高减小加速度衰减,加速度峰值在挡墙上部的平均衰减率最大;三明治形加筋土挡墙与砂土加筋土挡墙破裂面位置相近.地面交通荷载引起的振动对挡墙结构产生不利影响是加筋挡墙的研究重点.     

分层液化土中桩基侧向动力反应机理的试验研究

饱和砂土中的桩基侧向动力响应研究一直是岩土工程界与地震工程领域关注的热点,尤其是群桩侧向动力响应机制是需要重点研究的课题之一。基于振动台试验,通过输入2种不同的波形,采用FBG光栅传感系统对饱和砂土中的单桩与群桩侧向动力响应特性和典型测试点的桩土动力p—y滞洄曲线进行研究。研究结果表明:振动初期,单桩和群桩试验孔压增长不大,随后单桩孔压迅速上升,振动后期逐渐下降至0.5,而群桩孔压则上升缓慢;单桩试验土表加速度在振动初期逐步升高后又迅速降低,且加速度放大值略大于台面加速度值,群桩试验土表加速度在振动初期逐渐升高时就达到了最大,且随着孔压比的升高,加速度没有继续放大,而是逐渐减小,直到后期与单桩试验土表加速度重合;饱和砂土液化对单桩承台加速度和位移的影响较大,群桩承台侧向动力响应对液化的敏感程度略低于单桩承台;在振动输入和承台输入相同的条件下,液化后的群桩基础比单桩基础能更好地抵抗侧向力的作用。     

饱和砂土场地2×2高承台直斜群桩动力响应规律研究∗

为研究饱和砂土场地地震液化情况下直斜群桩水平动力响应规律,使用浙江大学ZJU400土工离心试验设备进行了饱和砂土场地2×2高承台直斜群桩的离心机振动台模型试验,通过两组试验分别对于不同土层处的加速度时程以及孔压比进行分析。同时,结合饱和砂土的液化情况,分别针对2×2高承台直斜群桩在振动过程中承台水平动力响应以及桩身弯矩峰值的变化进行了对比分析。试验结果表明:随着振动强度的增大,饱和砂土层液化深度逐渐增加,尤其在近桩位置土层孔压比变化更为明显;直群桩承台水平加速度峰值在一定范围内出现了放大的现象,而斜群桩承台则基本未发生此显现;随振动强度的增加桩身弯矩峰值分布发生较大变化,其变化情况与饱和砂土液化有着较为密切的关系,在0.05g和0.1g工况下斜群桩桩身弯矩峰值明显小于直群桩,而0.3g工况时斜群桩桩身弯矩峰值出现了显著增加的现象并超过了同工况下直群桩情况。     

变频规则波输入下直斜群桩动力响应对比试验研究

通过对2×2直斜群桩结构进行振动台模型相似比设计,围绕不同频率正弦波输入下的非液化砂土与饱和砂土中群桩-承台-上部结构体系开展横向动力响应特性试验研究。结果表明:①在输入相同频率正弦波情况下,无论是直桩群还是斜桩群,其位于饱和砂土中的动力响应放大倍数均大于相应非液化砂土工况下的放大系数,且直群桩的横向动力响应比斜群桩动力响应更显著;②随着输入波频率的增加,各试验工况的承台结构动力反应系数均有所增长,直桩群和斜桩群在饱和砂土工况中的加速度和位移的放大倍数增长较非液化砂土工况明显,直群桩比斜群桩增长显著。     

循环荷载下南京片状细砂的动应力—应变关系

以片状颗粒成分为主的片状结构砂与常用的圆形颗粒标准石英砂相比,在物理力学特性上有显著的差异。循环荷载作用下,饱和砂土振动孔压上升会导致土体刚度发生软化,当振动孔压累积达到一定水平时,会产生液化现象,从而引起土体结构发生破坏。采用英国WFI动三轴仪,研究了南京片状细砂在循环荷载作用下,静偏应力水平、循环应力比水平和循环次数对其动应力—应变关系的影响,考虑每一次循环过程中动应力—应变关系滞回曲线的卸载及再加载割线动剪切模量G_(sec)和最大割线模量G_(max)的变化特性,建立了动剪模量软化的经验公式;静偏应力水平对动剪模量软化有显著影响,随着循环次数的增加,动应力—应变滞回圈逐渐向应变累积方向滑移和向应变轴方向倾斜,且彼此分离;考虑循环软化特性,采用修正的Masing准则,描述了循环荷载下南京片状细砂的动应力—应变关系。     

饱和砂土地震液化后地面大位移特性研究

地震引起的地基液化常会造成地基大的侧向变形而导致灾难性的破坏,饱水砂土液化后的变形特性是地震液化大位移研究的基础。通过全自动多功能三轴仪的空心样动加载液化后的静扭剪试验,对饱水砂土液化后大变形特性进行了试验研究。结果表明,与常规静加载特性不同,饱水砂土液化后静加载时表现出单调剪胀的特性,加载初始阶段孔压基本不变,应变达到一定幅度后孔压一直减小,液化后变形曲线可分为低强度段和强度恢复段。低强度段模量近乎为零,强度恢复段试样强度不断增长。低强度段是液化后大变形发生的主要阶段。     

基于可液化场地地震反应数值模拟的影响因素分析

饱和砂土地基在强震作用下会产生液化,导致其强度降低,并产生沉降、侧移和喷砂冒水等现象。基于YANG Zhao-hui提出的砂土液化本构模型,采用OpenSees对饱和砂土场地的地震反应进行了非线性动力有限元分析,阐述了液化机理以及对地基的作用;通过改变土性、地震动幅值、持时、频率等因素后数值模拟的对比,分析了各因素对可液化场地地震反应的影响。结果表明,饱和松砂场地更易产生液化;大震下场地更易产生液化;长持时的地震动更易造成液化;高频和低频的地震动均不易造成液化,而存在一个最易造成液化的中间频率值。     

振动频率对饱和砂土液化强度的影响

采用"土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪"对饱和砂土进行了一系列动三轴实验,探讨了振动频率对液化强度数值的影响程度。在1.0、1.5固结比和0.05、0.10、1.00 Hz振动频率条件下,针对相对密实度分别为70%、28%的密砂和松砂进行了100、200、300 kPa围压和100 kPa围压条件下的液化强度实验。实验结果表明,饱和密砂和松砂在各种固结条件下,液化强度随着振动频率的增大而增大,相同破坏振次时,各种实验条件下的液化强度与振动频率的关系在双对数坐标上均符合线性关系;振动频率由0.05 Hz变化到1.00 Hz时,液化强度相差达25%以上;动强度指标φd值随振动频率的增大而增大,最大相差12.2%;随着振动频率的增大,砂土达到液化破坏所需的时间明显缩短;振动频率对松砂液化强度的影响比对密砂的影响更为显著。     

非塑性细粒粒径与含量对饱和砂类土强度的影响∗

松散状态下的饱和砂类土受剪切后出现静态液化现象,且受到细粒含量、颗粒级配、固结围压等因素的影响。而目前对于中密状态下砂类土的相关研究鲜有报道,特别对于细粒粒径的影响研究尚少。采用福建标准砂与三种不同粒径的石英粉进行混合,开展了一系列三轴不排水压缩试验。试验中保持所有土样的相对密度相同,相对密度控制为 50%,同时还考虑了细粒含量(FC = 10%,20%,30%)、围压(50,100,200 kPa)等因素的影响。试验结果表明:相同细粒含量下随着标准砂平均粒径与石英粉平均粒径比 R_d的增大(Rd = 10~65.76),最大孔隙比和最小孔隙比均有增大趋势;在细粒含量较低时(FC = 10% 和 20%),峰值偏应力随着 R_d的增大呈现近似线性递减关系,而在细粒含量较高时(FC =30%),峰值偏应力在 R_d达到某个临界值迅速下降,而后基本保持不变或者缓慢下降;中等密实状态的砂类土在高细粒含量的情况下可发生静态液化,且平均粒径比 R_d越大静态液化越容易发生,因此,评估饱和砂类土的强度需要考虑非塑性细粒粒径的不利影响。     

饱和南京细砂孔压增量模型的普适性研究

循环荷载作用下饱和砂土的孔压增长规律是土动力学的核心内容之一。基于笔者在给定相对密度、均等固结条件下饱和南京细砂的不排水等幅循环三轴试验结果建立的孔压增量模型,进一步进行了不同相对密度、不同固结比务件下饱和南京细砂的不排水等幅循环三轴试验,将上述均等固结的孔压增量模型拓展为适用于不同相对密度、均等和非均等固结条件的孔压增量模型。采用拓展后的孔压增量模型对试验结果进行分析的结果表明:通过该孔压增量模型预测验证试验的孔压与验证试验测试的孔压具有较好的一致性,说明该孔压增量模型具有普适性。     

橡胶颗粒土动剪模量与阻尼比的共振柱试验研究

废旧轮胎橡胶颗粒与砂土组成的橡胶颗粒土相比于纯砂而言,具有密度轻、弹性变形能力强、耗能大、剪切模量低等特点,可广泛应用于边坡、挡土墙和路基回填、桥台跳车治理以及建筑隔震减振等工程领域。通过共振柱试验,重点对比研究了橡胶含量、粒径及围压对混合土动剪切模量和等效阻尼比的影响规律。结果表明,小应变范围内,在围压和粒径相同时,随橡胶含量的增加,橡胶土动剪切模量减小,阻尼比增大,动剪模量比衰退变缓;含量和粒径相同时,围压增大,动剪模量增大,动剪模量比衰退变缓,阻尼比减小。在大应变幅值下,橡胶含量较低时,随着围压增大,动剪模量比衰退明显加快;而当橡胶含量较高时,围压对其影响与小应变范围相同;而围压与橡胶含量相同时,不同橡胶粒径的模量与阻尼比曲线非常接近。橡胶土的动剪模量与阻尼比主要受橡胶含量与固结围压影响,而粒径影响可忽略不计。     

饱和粉土粉粒含量影响的动孔压发展规律试验研究

采用多功能静动液压剪切三轴仪,进行大量不同粉粒含量的饱和粉土试验。通过试验研究了不同粉粒含量对饱和粉土振动孔压发展的影响。试验在达到液化标准后继续施加动荷载,使试验结果能够模拟液化破坏严重情况下的孔压发展的完整过程。研究结果表明,不同粉粒含量的粉土其孔压发展可以用同一个改进指数函数表达式来表示,该表达式包含2个参数a,b。粉粒含量的影响主要体现在系数b上,系数b随着粉粒含量的增加而单调增加;而系数a则基本不受粉粒含量变化的影响。结果表明由该模式得到的理论值与试验值拟合得较好。     

冲击荷载下层状饱和无粘性土动孔压发展模式研究∗

为揭示饱和无黏性土层在冲击荷载作用下动孔压发展模式及其受土层条件的影响,基于自主研制的冲击荷载加载台装置,开展了不同土层条件层状饱和土冲击试验,对动孔压发展特征及土体沉降等进行了分析。结果表明：冲击荷载作用下,无粘性饱和土体动孔压发展呈明显两阶段,即瞬态响应和稳态响应阶段,其中稳态响应阶段动孔压发展又经历缓慢下降及快速下降两过程。单层土情形下,饱和砂土在冲击荷载后动孔压发生骤增,随着粒径的增大,动孔压峰值越大,但其消散用时则随粒径的增大而减小;双层土情形下,动孔压稳态响应阶段因上下土层渗透系数变化,在其下层土动孔压下降过程产生明显变化;当含有相对弱透水夹层时,受弱透水层影响,各测点动孔压下降段几乎在同一时刻均出现明显转折平台,使其下降的速率明显变小,且该现象弱透水层以上土体较其下部土体更为显著;含夹层时,试验过程出现明显非均匀分布的“水膜”,最大厚度可达2 cm 左右。同时,每次冲击荷载下均伴随明显的土体沉降,随着冲击次数增加,土层沉降变化量逐渐减小。     

统一模型下粘性土和砂性土液化特性数值研究

考虑到土体介质材料经历弹性卸载后即进入超固结状态,而其反过来又能影响土体的力学与抗液化特性,通过考虑超固结因素的影响,在统一下负荷面剑桥模型下对砂性土与粘性土的力学与抗液化特性进行了数值试验对比研究。结果表明,与粘性土相比,砂性土在加载过程中表现出更高的非线性特征与可压缩性,且在非排水加载下更容易引发屈服和液化。通过考虑土体超固结因素的影响以及不同土体条件下超固结比演化规律的差异,下负荷面剑桥模型在统一理论框架下很好的模拟出了砂性土与粘性土间力学与抗液化能力的差异。同时考虑到土体超固结状态与密实度间的关系,模型也从超固结状态的角度很好的解释了土体抗液化能力与相对密度的关系,且与液化试验实测结果取得了较高的一致性。