基于电阻的冻结砂砾土孔隙冰压融效应研究

为验证冻结砂砾土压缩过程中是否存在压融效应,对不同含水(冰)状态与不同冻结温度的砂砾土进行无侧限压缩试验和电阻测试,通过核磁共振测定饱和砂砾土的未冻水含量。结果表明:(1)砂砾土压缩过程电阻均先快速降低后趋缓,仅有干燥样品在应力峰值点后出现电阻增大的现象;(2)电阻快速降低阶段干燥样品的电阻降低率小于饱和冻结样品,−4℃饱和样品该值为26.8%,其值为相同温度下干燥样品的4倍;(3)随温度降低,电阻快速降低阶段的降低率先增加后减小;(4)随温度降低,自由水与毛细水的相对含量快速减小,吸附水的相对含量先小幅增加后缓慢降低。分析认为:冻结砂砾土压缩过程中存在压融效应,这导致样品在受荷过程中高应力区未冻水含量增大,而融水会沿未冻水膜向低应力区的孔隙迁移、复冰进而改变孔隙结构;冻结温度在−2~−4℃区间附近,压融效应更容易发生。

砂砾土振动体变评价方法与离心机模型试验验证

2008汶川地震出现了砂砾土大范围液化致灾现象,现场震害调查表明砂砾土场地存在砾石效应影响,现有砂土场地的震后沉降评价方法不适用于砂砾土场地。对此,在“张-社本”振动体变评价方法的基础上进一步发展了考虑砾石含量的砂砾土振动体变评价方法,然后开展动三轴试验确定评价方法中的相关参数,最后开展3组典型砾石含量的砂砾土地基离心机振动台模型试验对评价方法的可靠性进行验证。试验结果表明,砾石含量越高,振动引起的场地沉降变形越小;砂砾土振动体变评价方法可以较为准确地预测新近沉积砂砾土场地的震后沉降,但对存在地震历史影响的砂砾土场地,本文提出的评价方法较为保守,建议进一步发展考虑地震历史效应的砂砾土振动体变评价方法。

考虑组构演化的砂砾土弹塑性本构模型

考虑组构演化效应对于真实、准确地描述无黏性土在循环加载过程中的宏观力学行为具有重要意义。在砂砾土单调加载条件下构建的非线性剪胀方程的基础上,引入反映其循环荷载条件下剪胀阶段组构演化的剪胀内变量,基于广义塑性理论框架建立了反映砂砾土静力及液化全过程力学特性的弹塑性本构模型。对比考虑组构演化效应前后砂砾土液化变形、应力路径和超孔隙水压力发展规律,说明了组构演化效应对于模拟砂砾土液化响应的重要影响。通过开展一系列砂砾土静、动力大型三轴试验并结合相关文献试验结果对模型性能进行了验证。结果表明该模型总体上能够合理反映砂砾土在静力排水条件下应力-应变-体变特性以及在液化过程中超孔隙水压力的累积与消散、应力路径演化和液化变形发展情况,可为砂砾土工程数值模拟提供有力的本构工具。

砂砾土渗流侵蚀中细粒迁移-沉积-滤通的物理水力临界条件

细粒迁移机制是理解砂砾土渗流侵蚀过程的基础与关键,对研究砂砾土斜坡雨水侵蚀过程的细观致灾机制具有重要意义。目前其运移模式及运移状态发生转变的临界条件并不清晰,不同物理水力条件下的细粒运动类型有所不同。为掌握砂砾土侵蚀过程中细粒的整体运动类型及其发生改变的临界条件,采用可视圆柱入渗试验和离散元数值模拟,分析了细粒迁移的影响因素和内部机理。结果表明:(1)细粒迁移受级配和水力梯度影响显著,而受初始孔隙率影响不显著,且级配的影响大于水力梯度;(2)水力作用下细粒整体运动状态可分为沉积和滤通2种模式,内部结构不稳定的砂砾土细粒运动处于滤通状态,内部结构稳定和稳定性过渡型砂砾土随水力梯度升高细粒的运动状态从整体沉积转变为整体滤通;i=3.4-(3)细粒运动状态在粒径比和水力梯度共同作用下存在明显界限,最终得到细粒沉积-滤通转变的临界条件为0.12e(D15/d85)/1.5。研究可为砂砾土斜坡渗蚀失稳防护提供理论指导。

考虑颗粒形态及阻塞效应的不良级配砂砾土潜蚀过程模拟

在复杂水土荷载服役环境下,水工岩土结构极易发生潜蚀灾变,诱发建筑物失效灾变。采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,简称CFD-DEM),针对土石坝、边坡等工程中广泛存在的不良级配土,考虑3种细颗粒含量和3种颗粒形态研究了不良级配砂潜蚀过程;通过分析颗粒迁移轨迹、位移和接触数等,从细观角度阐明了潜蚀过程中细颗粒运动特征,并将颗粒的迁移效应划分为阻塞、脱空、迂回和冲脱4种;通过统计分析整个过程迁移效应的演变发现,潜蚀启动初期细颗粒多数处于脱空状态,随后在渗流作用下颗粒逐渐相互接触,脱空效应占比急剧下降,造成颗粒的迂回和冲脱组成的其他非稳态逐渐上升,随后运动的颗粒逐渐被其他颗粒约束,颗粒的阻塞率上升,最终绝大部分颗粒处于阻塞状态,试样最终达到稳态。

循环荷载作用下饱和砂砾土的破坏机理与动强度

不同研究者对砂砾土动强度影响因素的认识存在相互冲突之处。针对含砾量、相对密度、初始有效固结应力和固结比4个主要因素,对10组不同含砾量的饱和砂砾土开展了系列循环三轴试验,提出了砂砾土破坏评价准则;引入二元聚集模型,研究了饱和砂砾土的不排水动力特性及其动强度的量化方法。研究结果表明:不同试验条件下砂砾土存在两类破坏机理,即均等固结条件下表现为达到零有效应力状态的循环液化,非均等固结条件下表现为过大累积轴向变形的循环失效;引入砂砾土骨架结构孔隙比概念,砂砾土动强度CRR随砂砾土骨架结构孔隙比的增大而降低,且其降低趋势呈良好的指数函数关系。

砂砾土各级颗粒的管涌临界坡降研究

基于渗透力概念在管涌问题研究中的具体应用,按照渗透力与土颗粒浮重间的极限平衡推导出能计算管涌土的砂砾土料各级大小土颗粒的管涌临界坡降公式,并经过国内外大量管涌试验资料的验证是合理可信的。

砂砾土抗液化强度的小型土箱振动台试验研究

近来数次大地震中出现大量的砂砾土液化震害,饱和砂砾土的地震液化问题越来越引起重视。针对砂砾土的抗液化强度问题,开展了4种砾含量、3种相对密度情况下,饱和砂砾土的小型土箱振动台试验研究。为获得较为合理的抗液化强度结果修正了由加速度计倾斜产生的加速度时程漂移,并描述了土体中加速度和动孔压发展特性。饱和砂砾土的抗液化强度结果显示:含砾量和相对密度对饱和砂砾土的抗液化强度均有明显影响。饱和砂砾土的抗液化强度随着含砾量和相对密度的增加明显增大,增大的趋势越来越明显,且明显高于相近相对密度的饱和砂土的抗液化强度。

汶川地震砂砾土液化分布及土性特征初步研究

通过汶川8.0级地震液化震害调查以及对工程地质条件和土层剖面的分析,给出此次地震砂砾土液化的分布和规模,并通过典型液化场地现场测试和室内试验,获取了地表喷出物与实际液化土类的关系以及液化砂砾土土性特征。分析结果表明,此次地震砂砾土液化真实存在且占主导地位,为此次地震全部液化点的80%～85%。成都地区和德阳地区的液化土层基本上均为砂砾土,分布在5个条形区域,约占此次地震液化总数的75%。绵阳地区地层不均匀性较强,液化土类为砂土、砂砾土混合型,其中砂砾土液化占到该地区液化点的1/3～2/3,约占此次地震液化总数的5%～10%。此次地震中粉砂、细砂占地表喷出物半数以上的现象只是一种表象,地表喷出物与地下实际液化土层的成分差异显著。典型液化场地勘察测试表明,液化场地地层总体较为简单,层序结构基本一致。液化土层中颗粒级配曲线总体平缓,光滑程度差,不均匀系数较大,曲率系数较小,粒径跨度大且存在粒组缺失现象,各场地级配形态差别显著。现有标准贯入试验在砂砾场地上不可行,建议采用超重型动力触探试验,同时现有基于砂土的剪切波速液化判别方法对砂砾土不适用,需另行考虑。

基于流动性的饱和砂砾土液化机理

砂砾土的地震液化至今仍存较大的争议,相应的液化机理解释主要沿用传统的砂土液化分析思路和方法。利用动态圆柱扭剪仪开展了100 mm直径、3组典型级配(含砾量分别为37%,45%和60%)的饱和砂砾土试样循环动三轴实验。基于实验得到的应力–应变率关系曲线,定义了反应饱和砂砾土流动性的平均流动系数和流动性水平。实验发现,初始动应力比对不同含砾量下的平均流动系数–孔压比关系曲线无影响;相对密度越大、含砾量越大,饱和砂砾土的流动性水平越低;有效固结压力对饱和砂砾土平均流动系数–孔压比关系曲线的影响与含砾量相关。推测饱和砂砾土在循环荷载下的流动性由其粗粒接触状态和数量决定;粗粒间的接触在高孔压状态下不能顺利解除是饱和砂砾土与饱和细粒土抗液化性能的本质区别。提出的基于流动性的饱和砂砾土液化机理较好地解释了以上现象。

含砾量对饱和砂砾土液化特性的影响

利用GDS循环三轴仪进行一系列饱和砂砾土不排水动三轴液化试验,研究其在循环荷载作用下的液化特性,分析含砾量对饱和砂砾土动强度和动孔压的影响规律。研究表明:含砾量对砂砾土液化性能影响较大,随着含砾量的增加砂砾土抗液化强度呈单调增加趋势;随循环周次的增加孔隙水压力不断升高,增长速率与所施加的循环应力幅值有关,同一固结压力下,振次比相同时循环动应力幅值越大动孔压比越大;破坏振次对动孔压增长模式存在影响,破坏振次较小时砂砾土动孔压增长模式呈双曲线型发展,破坏振次较大时砂砾土的动孔压增长模式可用反正弦函数来表示,且含砾量越大循环荷载引起的孔隙水压力越高;含砾量对砂砾土液化特性的影响可从砂砾土的微细观结构特征得到阐释,并借助其粒间状态参量进行分析。

砂砾土液化的剪切波速判别方法

剪切波速也正逐步成为土层液化判别的基本指标之一,但采用现场波速资料得到的砂砾土液化判别方法尚较少见。针对2008年汶川8.0级地震显著的砂砾土液化现象,获取45个场地剪切波速结构,以此提出基于剪切波速的砂砾土液化判别方法;构建相应模型和计算公式,并分析现有2种典型砂土液化剪切波速判别方法对砂砾土的适用性。提出的砂砾土液化剪切波速判别方法由初判和复判组成,初判包括地质年代、埋藏条件和含砾量3个条件;复判模型则由地震烈度、剪切波速基准值、地下水位、砂砾土埋深和和含砾量等5个参数构成,并分别采用归一化方法和优化方法推导出剪切波速基准值以及地下水位和砂砾土埋深的影响系数。砂砾土与砂土属不同土类,相同波速值下二者密实程度不同,现有砂土液化剪切波速判别方法对砂砾土不适用,给出的判别结果明显偏于危险。获取的砂砾土液化资料扩充现有液化数据库内容,提出的砂砾土液化剪切波速判别方法简单明了,回判成功率高,可为工程应用及规范修订提供参考。

砂砾土动力特性的室内试验研究进展

简要回顾了国内外有关砂砾土动剪切模量和阻尼比的试验研究进展,总结了围压、固结比、颗粒形状、含砾量、颗粒破碎等因素对砂砾土动剪切模量、阻尼比及归一化动剪切模量比与阻尼比曲线特征的影响规律,发现砂砾土归一化动剪切模量比和阻尼比的曲线形状主要受围压大小的影响,其他因素的影响不明显;总结了砂砾土抗液化强度、振动孔压发展特征、液化判别方法方面的研究进展,含砾量、试样扰动、膜贯效应是影响砂砾土抗液化强度的主要因素;指出了砂砾土动力特性研究中存在的问题及今后应予以更深入关注的研究方向。

砂砾土液化判别的基本方法及计算公式

2008年汶川8.0级大地震中液化现象显著且砂砾土液化占很大比重,而我国一些地区砂砾土分布广泛,发展相应液化预测和判别方法十分必要。我国规范液化判别方法来源于砂层(细粒土)液化资料,且按规范规定标准贯入试验不适于砂砾场地,故现有规范中基于标贯的液化判别方法对砂砾土不可行。以汶川大地震液化震害调查和现场测试为基础,提出了基于超重型动力触探试验(动探试验)的砂砾土液化判别方法并建立了计算模型和公式。结果表明:砂砾土液化判别由初判和复判两部分组成,初判以排除不可能液化及可不考虑液化影响情况为目标,复判则可采用动探击数N120为基本指标的计算模型。初判包括地质年代、埋藏条件和含砾量3个条件,复判模型则由动探击数基准值、含砾量、砂砾土埋深、地下水深度和地震烈度等5个参数组成。根据此次地震液化砂砾土埋深及地下水位变化范围较大的特点,采用归一化方法导出动探击数基准值,利用优化方法推导出砂砾土深度及地下水位的影响系数。提出的砂砾土液化判别方法,较全面地考虑了砂砾土液化的影响因素,复判模型和公式表达简单明了,回判成功率较高,且与现有规范具有连续性,便于工程应用。

青藏高原季冻区砂砾土冻胀特性试验

为探索青藏高原季冻区砂砾土的冻胀特性,为机场工程防冻胀设计提供依据,首先进行颗粒分析实验、击实实验等砂砾土的基本特性实验,为冻胀率室内实验提供相应依据,然后在传统冻胀率室内实验装置的基础上针对砂砾土粒径大的特点进行改进,利用改进后装置进行一系列正交试验,研究含水率、含泥量、压实度、上覆荷载、补水对冻胀率的影响规律.试验结果表明:在封闭条件下,冻胀率随含水率的增大而线性增大;随含泥量的增大呈非线性关系递增;随压实度的增大呈先增大后减小的趋势,在压实度为95%的状态下达到最大值;随上覆荷载的增大呈线性关系平缓递减.在外界补水条件下,冻胀率增大3倍以上.经多元回归分析,得到了多因素综合影响下的回归预报公式.各个因素对冻胀率的影响从大到小依次为:补水,含水率,含泥量,压实度,上覆荷载.在工程实际中,控制补水、含水率、含泥量是防冻胀设计的关键.

国内外液化砂砾土土性对比分析

砂土液化问题的研究特别是砂土液化的判别目前已经取得了较大的进展,并在国内外现行的规范中充分反映,而砂砾土由于颗粒大、透水性好,普遍认为地震时孔压不至于上升至液化的程度,往往将其划分为非液化土类。通过调查汶川地震砂砾土液化情况以及勘察试验获取其土性资料,对比分析了国内外液化砂砾土的地质背景及土性特征。主要认识为:①以往国内外砂砾土液化实例虽然有限,但已经表明松散-稍密的砂砾土在一定的地震强度下仍有可能发生液化,而2008年汶川地震中的大量砂砾土液化的事实,说明笼统地将砂砾土划归为非液化土类的做法有误;②汶川地震液化砂砾土的颗粒级配范围涵盖了国内外其他地震的颗粒级配,研究汶川地震的砂砾土液化问题具有代表性和普遍性,以此建立的砂砾土液化评价方法在国际上应具有通用性。

砂砾土风蚀可蚀程度的风洞实验研究

通过风洞模拟实验对砂砾土床面的风蚀可蚀程度进行了研究。结果表明,随风蚀进程的发展,砂砾土床面逐渐粗化,在特定风速下风蚀速率迅速降低,最终发展成稳定的戈壁风蚀面。26 m/s风速持续净风风蚀作用下,70 min后风蚀活动基本终止,床面最大侵蚀深度仅为1.8 mm。实验结果为西北干旱多风地区采用戈壁砂砾土覆盖地表有害物质,防止其风蚀输运而实现保护环境提供了有力的技术支持。

汶川地震砂砾土液化现象及现场确认实验

通过汶川8.0级地震中不同地区、不同烈度的4个典型液化场地宏观现象分析以及现场测试,确认了汶川地震天然砂砾土液化的真实性并初步研究了其特征。结果表明汶川地震中砂砾土液化是真实存在的,4个场地均为砂砾土液化。地表喷出物与实际液化土类差异显著,而上覆非液化层厚度是影响地表是否可能喷出砾石的主要因素。重型动力触探击数是值得推荐的砂砾土液化判别的指标,若采用剪切波速指标则需要将砂砾土进行分类处理,需考虑含砾量、平均粒径等指标的影响。

基于剪切波速与神经网络的砂砾土地震液化判别

目前对于土层地震液化问题,多关注于砂土液化现象及判别方法研究,而砂砾土液化问题研究较少。基于砂土震害资料建立的剪切波速液化判别方法不能满足砂砾土液化判别的需要,往往会给出偏于危险的判别结果。在分析砂砾土液化主要影响因素的基础上,将神经网络引入砂砾土液化判别领域,建立了一种基于剪切波速和神经网络的砂砾土地震液化判别模型。将汶川地震中获取的砂砾土液化样本数据用于模型的训练和测试,实现了砂砾土液化与各影响因素之间的非线性映射。将所建立的模型用于汶川地震砂砾土液化判别分析,并和已有方法进行了对比,表明所提出的砂砾土液化判别方法具有判别准确率高的特点。

不同密实度下砂砾土的渗透系数试验分析

通过不同单粒径砂、砾和级配砂砾与中砂组成砂砾土,在不同的砂石比和孔隙比下进行常水头渗透试验。结果表明:单粒径砂砾土的渗透系数随孔隙比增大而增大,随砂砾粒径的增大而减小,随砂石比增大而减小,砂石比大于等于5∶5后,砂石比对其渗透系数影响不明显;级配砂石土的渗透系数随孔隙比增大而增大,随砂石比从4∶6到5∶5显著降低,而砂石比6∶4到7∶3其渗透系数变化趋于稳定;单粒径砂砾土的渗透系数明显大于级配砂砾土,级配砂砾土的渗透系数离散性更高,说明其影响因素更复杂。