饱和软黏土动力学特性循环扭剪试验研究

以饱和软黏土的循环扭剪试验研究为基础,阐明不固结不排水条件下饱和软黏土的动力学特性。在循环扭剪和循环三轴两种不同试验应力状态下,通过研究不同围压和不同静、动应力组合下饱和软黏土的应力等效破坏关系和应变等效破坏关系,提出在循环荷载作用下饱和软黏土的循环破坏同样遵循Mises屈服准则,且在Mises屈服准则下,饱和软黏土的循环强度趋于不变量。循环破坏的过程可以等效为一种拟静力弹塑性循环蠕变,建立了饱和软黏土循环累积变形随静荷载、循环荷载以及循环破坏振次之间的关系式。上述结论分别从应力和变形两个方面阐述饱和软黏土的动力学特性,与试验应力状态和围压无关,可以推广到一般应力状态下。

循环扭剪试验中饱和砂土的某些动力特性

本文用国内研制的首台循环扭剪二轴仪研究了饱和砂（Ｄｒ＞５０％）的动强度和液化的特性，围绕着模拟现场地震时土体的应力条件，系统地进行了等压无预剪固结，等压有预剪固结和偏压无预剪团结的不排水循环扭剪试验，并将扭剪试验与一些相应动三轴试验结果作了比较，根据循环扭剪的试验结果。

应力和应变控制下饱和砂土循环扭剪试验分析

针对某些动荷加载为应变控制的工程问题,如大型工业振动机械的工作平台基础,为研究其动力学性质,利用空心圆柱扭剪仪,分别采用应力和应变控制两种加荷方式,对处于复杂初始应力状态,即不同中主应力系数下的饱和福建标准砂进行小应变循环扭剪试验研究。结果表明,不同加荷方式对土的骨干曲线和剪切模量没有影响;同剪应变幅值时,应变控制下土的阻尼比较应力控制略大;两种控制方式下,试样振动过程中的轴向变形均随着中主应力系数的增大而减小。可见,加荷方式对土的动力特性影响甚微,针对动应变控制的工程问题,在设备有限时可采用应力控制试验模拟代替。

排水循环剪切条件下砂土体变特性试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对饱和福建标准砂,在各向均等与三向非均等固结条件下,进行了排水循环扭剪试验.通过试验讨论了初始主应力方向、相对密度和剪应变幅度对排水条件下饱和砂土体积变化特性的影响.研究表明:循环剪应变幅度和相对密度显著地影响饱和砂土体积变化规律,循环剪应变幅度越高,相对密度越大,越易于发生剪胀.在三向非均等固结情况下,饱和砂土在排水循环剪切条件下的体变特性密切地依赖于砂土的初始主应力方向.不同初始主应力方向时应力-应变关系表现出不同的变化模式,体积变化累积规律的具体模式取决于正应力水平与垂直平面上所存在的初始剪应力.

软土循环扭剪应力应变响应的弹塑性分析

为了分析笔者提出的增量弹塑性模型对描述一般应力状态土单元循环应力应变响应的适用性,进行了软土不排水循环三轴压缩试验与无初始轴向偏应力的循环扭剪试验,得到了两种应力状态土单元的循环应力应变响应。进而依据循环三轴压缩试验结果确定模型参数,再利用模型预测软黏土循环扭剪试验土单元的应力应变响应,并与试验结果进行对比分析。结果表明,预测出的无轴向静偏应力作用的循环扭剪土单元环向剪应力应变滞回曲线与试验结果相比偏小,但是总变化趋势与试验结果较为一致;预测出的循环扭剪土单元环向累积剪应变随循环次数的变化与试验结果基本一致。研究工作表明,该增量弹塑性模型能够较好描述不同应力状态土单元的不排水循环应力应变响应,特别是循环累积应变响应。

复杂应力条件下长江口原状饱和软黏土门槛循环应力比试验研究

针对取自于长江口的海洋原状饱和软黏土,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在控制不同初始固结参数的三向非均等固结状态和不排水条件下,分别进行了轴向和扭转双向耦合循环剪切以及循环扭剪等多种复杂循环剪切试验。分别研究了初始大主应力方向角、初始偏应力比、初始中主应力系数以及循环剪切应力模式等因素对门槛循环应力比的影响。试验结果表明,在三向非均等固结条件下,初始大主应力方向角、初始偏应力比对门槛循环应力比影响显著,门槛循环应力比随着初始大主应力方向角与初始偏应力比的增大而明显减小;而初始中主应力系数对门槛循环应力比基本没有影响。循环剪切应力模式对门槛循环应力比具有显著影响,在相同的初始固结应力条件下,循环耦合剪切试验确定的门槛循环应力比明显小于循环扭剪试验所确定的门槛循环应力比。

主应力方向循环变化对饱和松砂不排水动力特性的影响

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了主应力轴循环变化的多种模式竖向和扭转双向耦合循环剪切及普通循环扭剪试验。针对福建标准砂, 在均等固结条件下着重研究了振动过程中主应力方向的不同变化模式对饱和松砂不排水循环特性的影响。试验研究结果表明: 振动过程中主应力方向的变化方式对饱和砂土不排水动强度具有显著的影响, 在所采用的五种类型循环剪切应力路径中, 主应力方向连续旋转条件下的动强度最低。进一步的研究发现: 对于初始均等固结条件,分别采用初始平均有效固结压力和循环破坏次数归一化的循环孔隙水压力比与循环次数比之间的关系与振动过程中主应力方向变化方式无关, 这种归一化循环孔隙水压力比随广义剪应变的变化规律及累积广义剪应变与循环次数比之间关系均与振动过程中主应力方向变化方式无关。

初始应力条件对松砂动力变形特性影响的试验研究

实际建筑物地基或土坡中土体在地震或波浪等复杂动力荷载作用前往往处于复杂的初始应力状态,而常规的土工动力试验通常无法再现这种复杂固结应力条件下土的动力特性。利用最新研制开发的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对福建标准砂(Dr=30%),进行了循环扭剪试验,探讨了初始主应力方向角α0和初始偏应力比η0等初始固结条件对松砂动剪切模量G和阻尼比ξ等动力变形特性的影响。

复杂应力条件下饱和松砂孔隙水压力增长特性的试验研究

针对福建标准砂Dr=30%,在三向非均等固结条件下,利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪针对多种不同初始主应力变化方式进行了循环扭剪试验,讨论了初始主应力方向变化等初始固结条件对饱和松砂不排水条件下孔隙水压力变化规律的影响,对循环扭剪过程中主应力方向与中主应力系数的变化进行了分析,给出了孔隙水压力随循环次数的变化规律。结果表明:分别以最大孔隙水压力和液化破坏时循环次数归一化后的孔隙水压力比和循环次数比之间的关系依赖于循环剪应力幅值和初始主应力方向。而归一化后的孔隙水压力比与广义剪应变之间的关系和循环剪应力幅值、初始主应力方向无关,可以统一地采用双曲线模式表达,其中的两个待定参数依赖于初始主应力方向。

初始中主应力系数对中密粉煤灰动模量阻尼比影响的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,开展了在三向非均等固结状态下的饱和中密粉煤灰循环扭剪试验。着重探讨了初始中主应力系数对饱和中密粉煤灰的动模量和阻尼比特性的影响。试验结果表明:初始中主应力系数对粉煤灰动剪切模量有一定的影响,对阻尼比没有影响。根据仪器量测系统的特点,采用了大小位移计联合测量角位移的方法,不仅能够提高测试精度,而且能够获得完整的动模量和阻尼比随动剪应变幅值的变化过程。

原状海洋土动泊松比的试验研究

利用空心圆柱扭剪(HCA)仪,针对原状海洋粉质黏土,通过循环三轴及循环扭剪试验,得出相应的杨氏模量、剪切模量和动泊松比,探讨了有效固结围压、固结应力比对动泊松比的影响。试验结果表明:土体的动泊松比随着广义剪应变的增大而增大;有效固结围压、固结应力比均对动泊松比有显著的影响,动泊松比随着有效固结围压、固结应力的增大而逐渐减少;且随着广义剪应变的增大,两者对动泊松比的影响减小,当广义剪应变增大到1.8×10-2左右,试验终止,此时土体动泊松比约为0.48。试验中未出现动泊松比大于0.5的现象,说明土体未出现剪胀现象,试验所采用的粉质黏土在循环荷载作用下具有较好的稳定性。

循环应力作用下饱和软黏土的不固结不排水强度与破坏准则

通过循环三轴与循环扭剪试验,研究了饱和软黏土不固结不排水循环强度的变化。结果表明:当循环破坏次数给定后,饱和软黏土的不固结不排水循环强度取决于土单元受到的静剪(偏)应力,与其受到的围压无关;当作用在土单元上的静剪(偏)应力比从0.3变化至0.6时,饱和软黏土循环强度也逐渐增大。进一步,通过分析循环扭剪试验确定的循环剪切强度与循环三轴试验确定的循环压缩强度之间的关系,阐明了循环应力作用下饱和软黏土不固结不排水强度满足Mises破坏准则。依据本文研究结论,可以通过特定试验建立描述一般应力状态饱和软黏土单元不固结不排水循环强度的变化关系。

主应力轴旋转下K_0固结饱和粉质黏土孔压及变形特性试验研究

主应力旋转将加速孔压和塑性应变的累积,影响土体的力学特性。为研究主应力轴循环旋转对K_0固结饱和粉质黏土孔压和变形的影响,利用GDS-HCA试验系统开展了不同应力路径的K_0固结饱和粉质黏土不排水循环三轴试验和循环扭剪试验,研究了主应力轴循环旋转对K_0固结饱和粉质黏土累积塑性应变、孔压等动力特性的影响。结果表明:动剪应力幅值、心形应力路径所包围的面积、循环偏应力幅值等均随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。试样未发生破坏时,K_0固结饱和粉质黏土的孔压比随着振动荷载作用次数的增加而增大;当试样发生破坏时,孔隙压力迅速消散,孔压比急剧下降。循环扭剪试验时试件产生的轴向累积塑性应变始终大于循环三轴试验产生的累积塑性应变,说明主应力轴循环旋转会加速试件轴向应变的累积。试件的累积塑性应变随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。循环动应力比越大时,主应力轴旋转造成的轴向累积塑性应变差异越显著。在Monismith幂次函数模型的基础上,建立了主应力轴循环旋转条件时K_0固结饱和粉质黏土累积塑性应变方程,并对模型的可靠性进行了分析和验证。

饱和南京细砂初始液化后特大流动变形特性试验研究

针对地震中倾斜场地砂土液化流动大变形特征与机理,以具有明显片状颗粒结构特征的南京细砂为研究对象,采用了英国GDS公司的动态空心圆柱扭剪仪,开展了饱和南京细砂液化后特大流动变形特性的循环扭剪试验研究,主要分析了橡皮膜效应、有效围压、循环加载幅值和初始静剪应力等因素对南京细砂液化流动大变形特性的影响规律及其机理。试验结果表明:在其它条件不变时,随着有效围压增加,饱和南京细砂抗液化强度和抗单向液化流动累积变形强度都有所增加。当保持围压不变时,饱和南京细砂抗单向液化流动累积变形的强度有增加的趋势。随着初始静剪应力比的变大,南京细砂的抗液化和抗单向累积变形强度特征可以分为三个不同阶段。在无初始静剪应力条件下饱和南京细砂液化后仍以循环液化流动变形为主和单向流动累积变形为辅。但是,随着初始静剪应力比的增大,饱和南京细砂抗液化强度和抗单向液化流动累积变形强度明显降低,即主要发生单向液化流动累积变形破坏。当初始静剪应力比接近或超过循环动剪应力比时,饱和南京细砂的抗液化和抗单向流动累积变形的强度又明显增大,但仍以液化单向流动累积破坏为主。当初始静剪应力比继续增大到一定程度时,饱和南京细砂已经很难液化,其抵抗单向累积变形的强度也明显降低,主要原因应为此时试样发生的是塑性累积大变形破坏。同时,试验结果表明饱和南京细砂的液化后流动大变形特性也明显区别于含圆形颗粒为主的日本丰浦砂。

不同应力路径下饱和粉土动强度特性试验研究

试验选用近海地区分布广泛的粉土为研究对象,利用空心圆柱仪进行了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动强度特性,并对液化循环周数与无因次剪切应力比之间关系进行了曲线拟合。试验结果表明,在相同的剪切应力比下,循环三轴-扭剪耦合试验的破坏振次最少,循环纯扭剪最多,循环三轴介于二者之间。通过对加载效率的计算对不同应力路径下强度的差异进行了合理解释。

复杂应力条件下饱和松砂振动孔隙水压力增长的能量模式

利用新研制的土工静力–动力液压三轴–扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30%的饱和福建标准砂,进行了均等固结条件下的不排水循环单向剪切以及轴向和扭转双向耦合循环剪切等多种复杂循环剪切试验,并在控制不同的初始固结参数的三向非均等固结状态下,进行了循环扭剪试验。分别研究了循环剪切应力路径、初始主应力方向、初始偏应力比、初始中主应力系数等因素对孔压与累积耗散能关系的影响。初步建立了复杂应力条件下饱和松砂的孔隙水压力增长的能量模式。

波浪荷载作用下非均等固结饱和粉土孔压特性研究

选用近海地区分布广泛的粉土作为研究对象,利用空心圆柱仪进行了模拟波浪荷载作用下的循环三轴-扭剪耦合试验,探寻非均等固结条件下饱和粉土孔隙水压力的发展特性。试验结果表明:非均等固结条件下,饱和粉土孔压比与广义剪应变之间的关系符合双曲线发展形式,孔压比与振次比之间的关系可以用幂函数来较好地拟合。根据极限状态的摩尔—库仑定律,推导了少粘性粉土孔隙水压力极限值计算方法,并将计算值与试验值进行了比较。孔压比和固结比的计算值与试验值之间均符合直线型关系,且固结比越小,计算值与试验值之间的差异越小。

主应力轴循环旋转下饱和黏土累积孔压显式模型

交通荷载下饱和黏土累积孔压消散是导致交通荷载下路基沉降的重要因素。在详细介绍黏土空心圆柱试样制作过程的基础上,在各向等压条件下,分别对黏土试件在100,150,200 kPa压力下固结,而后进行主应力轴旋转角连续变化范围分别为[-15°,15°]、[-30°,30°]、[-45°,45°]和[-60°,60°]的不排水循环加载试验,循环次数为10 000次。得到了循环累积孔压的变化受静偏应力、初始固结压力及空心圆柱试样主应力轴连续旋转角影响的规律。运用修正动偏应力水平来考虑初始静偏应力和动偏应力对不排水累积孔压的影响,建立了常剪应力循环主应力轴偏转角循环加载下累积孔压模型。通过非各向等压固结循环扭剪试验累积孔压值对所建立的累积孔压模型的正确性进行验证。