饱和粉土液化及液化后力学特性试验研究

对饱和粉土进行了一系列动三轴液化及液化后试验,即进行饱和粉土液化试验及在饱和粉土液化后孔隙水压力进行了不同程度消散后,再进行三轴剪切试验。探讨了饱和粉土的液化特性以及液化后孔压消散程度对液化后粉土力学特性的影响规律。试验结果表明:饱和粉土的抗液化强度随着所施加动应力幅值的增大而减小;液化后饱和粉土孔压消散程度越大(即再固结程度越大),则液化后粉土的不排水抗剪强度越大,其应力应变关系曲线表现为应变硬化型,土体的切线模量随着应变的增大而减小;液化后粉土的孔压进行了不同程度消散后,再进行的三轴剪切试验中应力应变关系呈对数曲线关系。     

剪切应变速率对淤泥土力学性状影响试验研究

为研究剪切应变速率对高含水量淤泥土力学性状的影响,运用SPAX-2000真三轴测试系统进行了不同周围压力和不同应变速率的固结不排水剪切试验,分析了淤泥土不排水抗剪强度和孔隙水压力随应变速率的变化规律。试验结果表明,高含水量淤泥具有“应变速率软化”现象。在剪切过程中(应变速率为10^-6/s～10^-2/s),淤泥土不排水抗剪强度随剪切应变速率增长而增长,符合指数变化规律;根据试验数据,建立了经验方程式,并求得其应变速率参数η_e1为0.130 5,η_e2为0.131 9;当变率增长10倍时,淤泥土的不排水抗剪强度增长率为13.12%。不同于强结构性黏土,淤泥土的强度随剪切应变速率呈渐进性变化,未出现明显临界速率转折点。在加载初期,孔隙水压力增长和最大孔隙水压力受应变速率影响较明显;在试验过程中,孔隙水压力变化具有一定波动性和滞后性。     

低应力条件下海洋粉土的不排水强度特性及其在海底浅层滑坡分析中的应用

 针对浅层滑坡等海底地质灾害,设计并实施一系列的十字板试验和三轴试验,对低应力条件下典型海洋粉土的不排水强度特性进行研究探讨。试验结果显示：固结度对粉土的十字板强度有明显影响,十字板强度随着超孔隙水压力的升高而降低。剪切应变速率对粉土的固结不排水三轴强度影响很小,而超固结比和剪切围压则影响较大;三轴试验中各个试样都能够达到临界状态,临界状态强度随着超固结比和剪切围压的增大而增大。分析波浪作用下海床土剪切滑动的渐进特性,指出临界状态是滑坡发生时滑带土所能达到的最终状态。采用平均有效应力,对十字板强度和三轴临界状态强度进行归一化处理,两种强度显示较好的一致性,得到低应力条件下海洋粉土的临界强度线。最后,应用所得的临界强度线,对风暴潮作用下黄河水下三角洲粉土海床浅层滑坡及“复活”进行很好地分析和解释。     

相同剪切波速的原状与重塑饱和松散粉土的抗液化强度

采用剪切波速与振动三轴联合试验装置,研究了具有松散结构的原状和重塑饱和粉土抗液化强度之间的相关性。结果表明,具有松散结构的原状与重塑饱和土样的振动应变随振动次数的变化趋势是一致的。如果把重塑饱和土样的初始剪切波速恢复到原状饱和土样的初始剪切波速,重塑土样的抗液化强度也被恢复到原状土样的抗液化强度。此时,原状与重塑土样的抗液化强度与抗液化强度曲线之间的相关系数大于0.89,而且这种良好的相关性与确定破坏振次的液化判别标准无关。这里的研究结果支持饱和松散试验土样的初始剪切波速可以作为控制其抗液化强度的一个关键参数。     

饱和砂土的剪切波速与抗液化强度相关性研究

依据扭剪振动原理,开发出剪切波速与振动三轴联合试验装置。进而针对取自20 多个工程场地、埋深在20 m 以内的12种大量原状砂土,分析了同一类土、在同一固结压力作用下,原状与重塑土样抗液化强度与其初始剪切波速之间的相关性。结果表明,当判别液化的应变标准不超过6%时,土的抗液化强度与其初始剪切波速之间存在良好的对应关系。当应变破坏标准超过6%,土的初始剪切波速与抗液化强度之间不具备唯一对应关系。     

考虑剪切和压缩损伤的多面模型

基于土结构损伤和多面模型的基本理论,将弹塑性混合应变硬化与各向同性剪切损伤和压缩损伤结合起来,推导循环荷载作用下饱和软黏土不排水弹塑性本构模型。采用剪切损伤和压缩损伤两个变量分别描述土的结构损伤,并基于累积塑性偏应变建立损伤演化方程。分析结果表明,分别考虑土的剪切损伤和压缩损伤可描述饱和软黏土在不排水动荷载作用下泊松比的变化过程。通过对饱和软黏土地基的地震响应的模拟来检验模型的有效性。研究结果表明,考虑模量损伤可引起加载和卸载过程中塑性模量的差异,使得卸载塑性模量大于加载塑性模量,从而导致加载塑性应变响应大于卸载塑性应变响应,由此产生塑性偏变形的累积。     

液化场地自由场体系的数值分析及振动台试验验证

 应用有限差分法程序FLAC3D对液化场地自由场体系的地震响应进行三维完全非线性分析。与通常采用的等效线性法相比,完全非线性分析方法由于采用了弹塑性模型,可以自动计算永久变形;采用合理的塑性方程,使得塑性应变增量与应力相联系;结合孔隙水压力模型可以模拟地震作用引起的饱和砂土液化问题。计算模型考虑了土体非线性、孔隙水压力的变化以及模型边界条件的处理等。通过与液化场地自由场体系振动台试验结果的对比分析,方法的有效性得到验证。结果表明,砂土对地震动可起滤波和隔震作用;当加速度峰值到达时砂土层中的孔隙水压力比存在负值;震后土中孔隙水压力不一定随振动的停止而立即开始消散,短期内也可能继续增长。     

从变形、水量变化和强度三方面验证非饱和土的两个应力状态变量

为了验证非饱和土两个应力状态变量的合理性,对常规非饱和土三轴仪进行了改进,采用3个压力–体积控制器分别控制孔隙水压力、内室压力和外室压力,提高了量测体变和含水率的精度;用加荷器施加轴向荷载,可以方便地控制偏应力。在笔者前期用各向等压试验验证非饱和土的两个应力状态变量的基础上,使用改进的非饱和土三轴仪和重塑Q_3黄土做了两类验证试验:第一类是两组控制净围压、偏应力和吸力的固结不排水剪切试验,第二类是3组控制净围压和吸力的固结排水剪切试验。在第一类试验中,等值改变(增加或减少)总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压、吸力和偏应力本身不发生变化,发现试验过程中土样的体积变化和含水率变化均非常小,可以忽略不计。第二类试验的每一组包含两个控制净围压和吸力分别相同的固结排水剪切试验,其中一个试样在固结完成后直接进行排水剪切试验,另一个试样在固结完成后等值增加总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压和吸力本身不发生变化的条件下进行排水剪切试验,发现二者的抗剪强度、剪切过程中的体积变化、排水量和广义剪应变都分别十分接近,可以认为两两相等。研究结果从变形(包括体应变和剪应变)、水量变化和强度3个方面说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的,进一步夯实了非饱和土力学的应力理论基础,为非饱和土的两个应力状态变量理论提供了牢靠的试验依据。     

不同饱和度下黏粒含量对土体强度特性的影响

通过对山东东明某风电场细粒土进行不同饱和度、不同黏粒含量的直剪试验,研究了土体剪应力-剪切位移关系及抗剪强度的变化规律。结果表明:细粒土在低饱和度下的剪应力-剪切位移关系呈应变软化,脆性破坏;高饱和度下呈应变硬化,塑性破坏;且土体内黏粒含量越多,剪应力-剪切位移曲线的应变软化行为越弱,应变硬化现象发生得越早;粉土随着饱和度的增加,抗剪强度持续下降无峰值,明显受黏聚力影响;粉质黏土和黏土随饱和度的增加,抗剪强度表现出先升后降的特点,受内摩擦角影响加大;细粒土中黏粒含量不同,土体抗剪强度受饱和度影响的程度和形式便不同。     

易贡远程高速滑坡形成原因试验探索

 针对易贡远程高速滑坡的高速、长距离等特点,结合环剪试验可模拟大位移剪切的特点,通过不同剪切速率下环剪试验以及排水和不排水条件下的对比环剪试验分析易贡远程高速滑坡的形成原因。结果表明,高速剪切使孔隙水压力不能及时消散,剪切过程引发孔隙水向剪切面运移,剪切面土体含水量和细粒含量明显高于剪切面上下层土体,以致剪切面液化。不排水剪切条件下的有效内摩擦角比排水剪切大幅降低,初步揭示了剪切速度越高,土体强度越低,两者交互作用的滑坡加速促进原因。     

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。     

云南粉土不同破坏标准的动强度研究

针对云南粉土,通过动三轴试验作了粉土的不同破坏标准的研究,作了应变破坏标准、极限平衡标准及初始液化标准时的动强度对比分析。结果表明:相同固结比时,不同破坏标准的动强度有差异,但随着固结比的增大,这种动强度的差异将有所减小。     

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。     

初始静孔隙水压力对砂土静动力剪切特性影响的试验研究

选取福建标准砂和滹沱河细砂,利用空心圆柱扭剪仪开展了一系列不同初始静孔隙水压力条件下的不排水循环扭剪试验和单调扭剪试验,着重探讨初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力发展及其不排水抗剪强度的影响。试验结果表明:初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力的发展产生显著的影响,从而影响砂土的静动力剪切特性。具体地,在不排水循环剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,其超静孔隙水压力发展和变形发展越快;在不排水单调剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,在砂土剪胀阶段产生负超静孔隙水压力越大,从而使砂土的强度显著提高。基于试验结果,初步探讨了初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力及静动力剪切特性的影响机理。研究表明,研究地下水位以下土体(准饱和土)静动力剪切特性尤其是研究液化问题时,应充分考虑初始静孔隙水压力对砂土抗液化强度的影响,室内试验应根据砂土所处的地下水位深度来决定初始静孔隙水压力(反压)的大小。     

循环振动对饱和粉土初始动剪模量的影响

初始动剪模量是土体多种结构性因素的综合反映,除固结压力和孔隙比(密度)这两个主要因素外,还受循环振动影响。以往对该因素的研究偏重于干砂,且预振时施加的剪应变幅多低于10-3;对于饱和土体,尤其是对经受过较大振幅振动后土体初始动剪模量的研究十分有限。本文利用安装弯曲元的动三轴仪,在等向固结条件下对不同相对密度的饱和粉土进行不排水循环三轴试验,同时监测试样的剪切波速,获得循环动力加载过程中土的初始动剪模量。为保证试验结果的可靠性,同时进行了共振柱试验,比较确定弯曲元接收信号的到达点;评估了不同孔压发展程度下试验暂停时间对测试结果的影响。结果表明:在一定次数大振幅循环荷载作用下观察到初始动剪模量有别于相同应力下固结后得到的模量值,出现附加衰减或增长,正是循环荷载作用下土微观结构变化的外部宏观表现。这种附加变化由土颗粒接触行为决定,受到试样初始条件和振动幅值等多种因素的影响,表现出不同的变化模式。     

低剪应力水平主应力轴循环旋转对原状黏土性状影响研究

 为研究低剪应力水平主应力轴循环路径可能对黏土性状产生的影响,以杭州地区典型原状软黏土为对象开展试验研究。结果表明,试样在安全极限剪应力水平下进行剪应力恒定的多振次主应力轴循环旋转后(含单幅和双幅旋转),应变及孔隙水压力发展进入动态平衡,瞬时等效刚度和孔隙水压力值主要取决于剪应力中的扭剪应力分量,而轴向应力分量对两值亦有促进作用。进入主应力轴循环旋转动态平衡的试样在卸载后进行后续静态剪切时,应力–应变关系将表现出明显的刚度硬化特征,其中尤以三轴压缩过程中强度发挥程度提前的现象最为显著。同时,由于主应力轴循环旋转导致试样残余应变的积累及结构上的变化,使得试样在后续三轴压缩试验初期产生的主应变增量与主应力增量方向不共轴特性较为明显。但低于安全极限剪应力水平的主应力轴循环旋转未对试样的静态抗剪强度以及临界孔隙水压力产生显著影响。     

黄河三角洲细粒土微振液化分析

在黄河口潮坪选择典型研究区,利用现场原位对其循环荷载试验,通过实时孔压监测、静力触探试验、十字板剪切试验及原状样土工试验对比,研究了在循环荷载作用下黄河三角洲地区饱和细粒土的动力响应过程、土体比贯入阻力、峰值强度、残余强度和灵敏度的变化以及孔隙水压力和液化发生层的变化对黄河口粉质土液化过程的影响。研究结果表明:循环荷载作用使土体对能量吸收特性的变化、孔压的响应与振动导致的土体结构性变化有密切的关系;循环荷载作用导致黄河三角洲地区粉质土液化主要发生在硬壳层;随着荷载循环次数增加,液化发生层的深度向深部扩展;循环荷载作用使土体的物性指标变化趋势因深度的不同而具明显的差异性。     

Evaluation of effect of limited pore water pressure development on cyclic behavior of a nonplastic silt

In this study, an experimental procedure was adopted to evaluate cyclic behavior of silts of pore water pressure ratios less than 50%. A commercially available nonplastic silt was used to eliminate the effects of plasticity. All the specimens were isotropically consolidated under 100 kPa and later subjected to cyclic triaxial compression tests. In this regard, dependence of cyclic stress ratio (CSR), initial relative density (D_r) and cyclic axial strain (ε_sa) on pore water pressure generation pattern – either at small or large deformation levels – were evaluated. It was inferred that, volume changes in silt due to the reconsolidation after cyclic loading with an induced pore water pressure ratio (R_u) less than 50% shows limited liquefaction.     

Cyclic resistance of two unsaturated silty sands against soil liquefaction

The changes of the cyclic resistance of two silty sands under unsaturated, partially saturated and fully saturated conditions are examined based on a series of undrained cyclic tests conducted using triaxial test apparatus specially equipped for testing unsaturated soils as well as ordinary triaxial test apparatus for testing partially saturated and fully saturated soils. Based on the observations of volumetric strain, pore air and pore water pressures of unsaturated soil specimens, the possibility of soil liquefaction triggering under different degrees of saturation is examined and discussed. The changes in the cyclic resistance under different degrees of saturation are then examined. Those two unsaturated silty sands with different grain size compositions are found to give rise to different responses on the volumetric strain as well as pore air and pore water pressure developments during undrained cyclic loading, leading to different relations between cyclic resistance and degree of saturation, covering unsaturated, partially saturated and fully saturated conditions.