有地下结构的饱和砂土液化宏细观离心机试验

利用自行设计的离心机细观图像观测系统,在离心机上对有地下结构的饱和砂土层进行了地震液化宏细观模型试验。离心机细观图像观测系统主要由高速摄像机、地铁车站模型和工控机组成。摄像机安装在地铁车站模型内部,通过深埋和浅埋车站模型可以实时动态记录地震发生过程中砂土地基不同深度砂颗粒运动细观图像,同时测量了加速度和超孔隙水压力等宏观地震响应特性。利用图像处理技术对拍摄的细观照片进行分析,从颗粒运动特性、颗粒长轴定向、接触法向、接触数和孔隙率等细观组构参量的动态变化揭示不同深度的饱和砂土地基液化的细观机制。试验表明：深层砂土在地震作用下的运动表现为类似管涌特征,颗粒长轴经过地震后偏向竖直方向,而浅层砂土的运动表现为砂沸,颗粒长轴排列地震后较均匀。饱和砂土地震响应宏观特征与细观组构变化具有良好的一致性。试验结果有助于从细观层面揭示砂土液化的机理。     

松砂不稳定行为的数值模拟研究

针对松散砂土的不稳定行为和静态液化现象，开展了一系列的双轴剪切试验离散元数值模拟，从宏细观的角度研究了松砂不稳定行为的各种影响因素及其发生机理。通过数值模拟发现，砂土的不稳定行为不仅与初始孔隙比有关，而且与土体结构的各向异性和围压有关。当加载方向与由颗粒接触法向所表征的结构各向异性主方向不共轴时，不稳定行为的发生会同时伴随着各向异性主方向的旋转。两个方向的角度差愈大，不稳定行为愈容易发生，颗粒的细观运动和细观结构重组现象也愈剧烈。不稳定状态点处的剪切荷载主要由颗粒间法向接触力承担，切向接触力仅起次要作用。     

砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究

基于PFC2D非圆颗粒单元的二次开发,对砂土直剪力学过程进行了非圆颗粒仿真模拟,分析了数值试样的应力–剪胀关系并与实际砂土进行对比,探讨了颗粒位移与颗粒旋转特征及其与剪切带演化的内在关联,研究了主应力与主应变增量的非共轴效应,揭示了细观组构各向异性的演化规律及其与宏观剪切强度之间的宏细观关联。研究结果表明,数值试验能够较好的模拟实际砂土的应力–剪胀关系和剪切过程主应力与主应变增量的非共轴效应;剪切带的演化与颗粒位移和颗粒旋转密切相关,颗粒形状影响剪切带的厚度;试样宏观的剪切强度主要受控于粒间法向接触力的分布及其各向异性演化;整个加荷过程中,剪切带内大主应力的偏转方向与法向接触力各向异性的主方向保持了良好的一致性。     

砂土单调剪切特性的非圆颗粒模拟

针对纯圆颗粒模拟的缺陷,利用颗粒流"团颗粒"方法开发了形状近似椭圆的"椭圆团颗粒",研究了颗粒形状变化对数值试样宏观剪切特性的影响及其细观机理;分析了加荷过程中平均接触数的变化规律以及颗粒形状对临界接触数的影响;对比了纯圆颗粒和椭圆团颗粒的不同颗粒旋转特性,并初步探讨其机理;分析了剪切过程中椭圆团颗粒试样的组构各向异性演化规律。结果表明,颗粒形状对试样的强度和变形特性具有重要影响,其在细观机理上与平均接触数有关;剪切荷载作用下椭圆团颗粒试样呈现明显的组构各向异性,颗粒长轴逐渐趋于水平定向,接触法向逐渐偏于加荷的大主应力方向。     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟I:松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验,研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律,应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明:宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小,其根本原因在于循环荷载往返过程中,组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。     

土与结构界面细观研究进展及可视化剪切试验初探

对土与结构界面细观试验研究现状进行归纳总结,并利用新研制的大型可视化界面剪切仪,进行干砂-钢板接触面的直剪试验,试验过程中结合数字图像相关测量技术(DIC)从细观角度测量紧邻接触面及其上部砂土颗粒的剪应变和位移变化.由试验可知:剪切过程中砂颗粒在结构面的带动下产生平移、挤压、错动和转动,剪切带最终稳定厚度约为(2~5)D_(50);颗粒的细观运动影响颗粒接触,也是宏观剪胀的因素之一.     

水泥固化海砂抗液化试验及细观数值模拟研究

海砂天然含水量高、黏聚力低、稳定性差，在振动荷载下容易发生振动液化。工程建设中，常用水泥加固以提高砂土的抗液化能力，而水泥剂量对海砂抗液化能力的影响规律及细观作用机制目前尚不清楚。以水泥固化海砂为研究对象，利用英国GDS动三轴仪进行有效围压400 kPa下的循环荷载试验，利用颗粒流程序PFC2D建立与室内试验相匹配的数值模型，进行循环荷载作用下的细观模拟试验，研究不同水泥剂量(0%、3%、5%)试样的抗液化能力及细观力学特性。研究表明：模拟试验与室内试验规律基本相符，水泥剂量对水泥固化海砂样抗液化能力影响显著，水泥剂量越大，试样的抗液化能力越强；细观组构上，三种水泥剂量试样在达到初始液化后，试样内颗粒接触总数随振次先急剧下降，后变得波动缓慢下降。且水泥剂量越大，黏结破坏数越多，试样内部黏结破坏产生的微裂缝分布越均匀。     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟Ⅰ：松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验，研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律，应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性，探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明：宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小，其根本原因在于循环荷载往返过程中，组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。     

散体颗粒介质变形局部化宏–细观机制研究

散体颗粒是自然界中广泛存在的一类特殊的介质,受内部组构影响,散体颗粒介质在外荷载作用下发生明显的变形局部化效应,这也是岩土力学领域一直研究的热点问题之一。然而目前对于其机制研究方面大都局限于细观统计参数的分析,忽视了宏观现象与细观机制的内在联系。本文以砂土颗粒介质为例,运用离散元法对其在直剪试验过程中的宏–细观力学特性及变形破坏机制进行系统分析,并取得一些有意义的认识。根据数值试验中试样在不同法向应力下剪应力比的发展,从颗粒运动角度探讨试样宏观抗摩擦特性变化趋势的细观机制;发现描述细观组构的各向异性参数及主方向与宏观上剪应力比的发展具有同步性,反映试样宏细观演化的统一性;通过对于颗粒旋转的统计分析,揭示颗粒间摩擦作用是维持细观力学结构相对稳定的重要因素;通过对力链网络的形态演化分析,发现试样大主应力方向与各向异性主方向一致,力链密集程度随剪切过程下降,试样孔隙度随之上升;提出不同法向应力下的2种主要力链结构的力学模型,通过稳定性分析与能量累积释放理论解释宏观力学参数波动情况的原因,揭示散体颗粒介质变形局部化和体应变剪胀的细观机制。     

三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

交通动载下饱和软黏土累计变形的不排水循环扭剪试验

饱和软土地基上长期往复交通动载将诱发显著的路基运营沉降。交通移动荷载下场地应力路径下呈现心形旋转路径,然而现有路基长期运营沉降分析是建立在循环三轴试验基础上,忽略交通移动荷载下地基土单元主应力轴的旋转效应。利用动态空心圆柱扭剪仪模拟心形循环加载路径,并在动态空心圆柱仪上模拟了传统的循环三轴加载路径。对饱和软黏土开展试验研究,对比观察一系列心形循环加载和三轴循环的不排水累计变形行为。试验研究发现,心形循环加载将诱发更大的累计轴向应变和累计孔压,伴随着初始动应力比的增加,二者差异性更为明显。循环加载过程有效动应力比随着循环次数而增大,循环增量破坏时对应的有效动应力比近似为常数。大数目循环加载下,传统塑性安定行为可渐变为循环塑性蠕变状态。     

Undrained Cyclic Shear Behaviour of Reconstituted Scoria Deposit

Since scoria can be utilized in several industrial applications and the cyclic shear characteristics of scoria have not been studied sufficiently, it is important to measure the cyclic triaxial shearing response of scoria deposit. A series of laboratory tests was carried out in order to obtain the cyclic shear characteristics of scoria. Undrained cyclic triaxial tests were conducted on reconstituted scoria deposits obtained from Mt. Fuji, Yamanashi Prefecture. To evaluate the degree of particle breakage due to shearing, the grain size distribution has been evaluated before and after cyclic triaxial tests by traditional techniques. The differences in liquefaction characteristics between Scoria and other materials from previous studies were demonstrated. From the results of undrained cyclic triaxial test on the scoria, it was understood that the effect of relative density D_r on the cyclic shear strength of scoria material is small, in the range 43.8% to 97.7% of D_r. Comparison results between monotonic and cyclic triaxial tests on grain breakage due to shearing shows that the degree of grain breakage for cyclic triaxial test is relatively higher than from monotonic tests for a similar dry density.     

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。     

Quantifying the effects of geogrid reinforcement in unbound granular base

This study presents an effort to quantify the effects of geogrid reinforcement in the unbound granular base through laboratory testing. Two laboratory tests, the large-scale cyclic shear test and the repeated load triaxial test, were employed. The test protocol of the cyclic shear test was developed by modifying that for the triaxial test. The cyclic shear test was performed by applying a series of cyclic shear stresses to the geogrid-aggregate interface under different normal stresses. Two different types of geogrids were used as reinforcement in unbound granular material. Resilient modulus (M_R) from the repeated load triaxial test and a term named resilient interface shear modulus (G_i) from the cyclic shear test was used to characterize the effects of geogrid reinforcement in unbound granular base, respectively. The results of triaxial tests showed that the inclusion of geogrid had a negligible effect on the resilient modulus, indicating that the triaxial resilient modulus test may not be effective in evaluating the geogrid reinforcement in unbound granular materials. Compared to the triaxial resilient modulus test, the cyclic shear test showed great potential in identifying the effects of geogrid reinforcement, with an obvious improvement in the degree of interlocking between geogrids and aggregates.     

地震P波和S波耦合的变围压动三轴试验模拟

地震发生时,尤其是直下型地震发生时,P波对场地土体的作用不可忽略。通过变围压动三轴设备施加的特殊应力路径, 模拟了P波和S波耦合对饱和软黏土动力特性的影响,即循环剪应力和循环正应力耦合对饱和软黏土动力特性的影响。试验结果表明：变围压动三轴试验得到的包括循环剪应力和循环正应力的应力路径可以较好地模拟P波和S波的耦合作用;循环剪应力和循环正应力的相位差对饱和软黏土的动强度有较大的影响,当相位差为180°时,土体的动强度最低,当相位差为0°时,动强度最高;随着循环正应力幅值的增大,土体的动应变发展速度与常规恒定围压动三轴试验下的动应变发展速度相比,差距逐渐增大。这些发现一方面表明强震过程中P波的作用不可忽略,另一方面表明,在某些情况下,常规恒定围压动三轴试验高估了饱和软黏土的动强度,对抗震设计不利。     

长期往复荷载作用下近海饱和软黏土强度和刚度的弱化特性

长期往复荷载作用下,饱和软黏土强度和刚度的衰减是近海桩基础设计必须考虑的,利用带弯曲元的循环三轴仪对原状饱和软黏土进行了一系列等向固结和非等向固结条件下不排水单调和循环加载三轴试验,并在循环加载过程中通过弯曲元测试土体剪切波速。试验结果表明,在相同的固结条件下,随循环次数的增加和动应力比的提高土体的强度和刚度衰减显著;在相同动应力比作用下较小的有效固结应力和偏压固结减缓了土体刚度的弱化。已有的相对偏应力水平参数不能反映不同固结条件下近海饱和软黏土强度和刚度循环弱化特性,为此引入了动偏应力水平参数,考虑了有效固结应力、固结静偏应力、动偏应力的相互影响,利用动偏应力水平对饱和软黏土的强度和刚度循环弱化特性进行描述。     

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。     

考虑变围压因素的饱和软黏土循环纯压动力特性

饱和土体的动力特性表现出对应力路径的依赖性。越来越多基于变围压动三轴的试验结果表明：循环围压应力路径对砂土等颗粒材料的变形和回弹特性存在较大的影响。基于变围压动三轴试验,通过循环偏应力与循环围压的耦合模拟真实交通荷载下竖向循环正应力与水平循环正应力的耦合,研究了循环围压对饱和软黏土孔压、永久和回弹变形的影响。试验结果表明：在不排水条件下,与常规恒定围压动三轴试验结果相比,循环围压的存在较大程度地改变了孔压的发展规律,减少了永久变形的累积速度,同时增加了回弹变形（即减少了回弹模量）;循环围压幅值与循环偏应力幅值的比值（RPD）越大,永久应变的减少值与回弹应变的增加值越大;并进一步建立了考虑循环围压因素的饱和软黏土永久沉降和回弹模量预测模型。     

循环偏应力和循环围压耦合效应对饱和软黏土变形特性的影响

利用GDS变围压动三轴系统对温州地区典型饱和软黏土进行了一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的部分排水循环加载试验,重点分析了部分排水条件下循环偏应力和循环围压耦合效应对正常固结饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明:部分排水条件下,与围压保持恒定,偏应力单独循环剪切相比,循环偏应力和循环围压耦合剪切作用有效地促进了饱和软黏土的累积塑性应变的发展,循环围压和循环偏应力的比值每增加2/3,相应的永久轴向应变就增加32%。进一步根据部分排水条件下饱和软黏土永久轴向应变发展曲线特点,建立了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软黏土的永久轴向应变经验公式。     

Particle breakage in triaxial shear of a coral sand

This paper presents a laboratory experimental study to comprehensively investigate the characteristics of particle breakage using numerous triaxial tests on a coral sand. Coral is a highly crushable granular material which fills the gaps between more crushable and less crushable granular materials. The monotonic tests and cyclic tests were terminated at the designated axial strains and the designated cyclic numbers, respectively. The grain size distributions were measured by sieve analyses of the specimens after the triaxial tests were performed. The relative breakage and relative fractal dimension were used to quantify the particle breakage. The cause of particle breakage that increased with increasing isotropic consolidation stress was shown to be isotropic stress. An almost linear increase in particle breakage in relative breakage was found as axial strain increased, whereas the increase in particle breakage in relative fractal dimension showed upward convexity. More particle breakage occurred in denser samples. During consolidation to the identical mean effective stress, the anisotropic stress state played a bigger role in particle breakage than the isotropic stress state, but during shearing particle breakage occurred more sharply in the triaxial tests with the isotropic consolidation to the higher confining pressure. In the cyclic shearing, the particle breakage in relative breakage and relative fractal dimension increased in upward convexity as the cyclic number increased, but in upward concavity with increasing axial strain. A hyperbolic model was proposed to correlate the relative fractal dimension with the relative breakage for use with both monotonic and cyclic tests. In the monotonic tests, a hyperbolic model was proposed to correlate the particle breakage in relative breakage and relative fractal dimension with the plastic work per unit volume. It is proposed that the loading-mode-induced (i.e., monotonic loading and cyclic loading) different mechanism of particle breakage meant that this model could not be applicable in the cyclic tests. The results suggested that the hyperbolic correlation of the particle breakage in relative fractal dimension and the plastic work per unit volume is the most reliable method of interpreting the energy consumption characteristics of particle breakage. This approach takes the fractal nature of soil into consideration. A microscopic view of particle breakage is also effective for observing the evolution of particle breakage.