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欧美大地 室内岩土试验
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案例分析:离心模型实验缩尺颗粒前置验选方案——粗粉土循环单剪实验
发布时间:2023-12-20 浏览次数:17401 来源:欧美大地



邓迪大学的岩土工程研究实验室成立于1997年,其后迅速发展。除了本科和研究生的教学和研究活动外,该实验室还为岩土工程行业提供广泛的服务。实验室配备了先进的岩土建模和表征设施,包括直径为7米的岩土离心机和苏格兰海洋可再生能源测试中心(SMART)。这些设备配有大型1g土壤试验台和物理建模设施,这些设施已被用于研究海上基础(深层和浅层)、管道、陆上植被支撑的斜坡、地震断层和液化。同时,UoD设施的工业适用性得到了苏格兰企业能源实验室(SEL45设施)的认可。

本文为邓迪大学岩土工程研究实验室EFTHYMIOS APOSTOLOU先生和ANDREW J. BRENNAN博士使用VDDCSS变方向动单剪完成的应用案例。



离心机建模中的比例问题

离心机建模是一种先进的物理建模技术,用于在离心机增强重力场中测试缩小比例的岩土工程模型。离心试验的主要原理是在小尺寸模型和全尺寸原型之间通过良好的比例定律的等效性。为了正确地缩放应力,离心机测试是在增加的重力下进行的,重力等于模型缩放到的次数。建模的结果是应力和土壤行为在比例模型与全尺寸现场结构之间的相似性(Schofield,1980)。离心机建模已经应用于许多学科,例如地震工程,在极端地震情况下准备和测试土壤模型,这可能会引起大位移破坏和液化。

传统的离心试验建议在模型和原型中使用相同的土壤。然而,在某些情况下,如作为抗液化措施的石柱离心机试验,由于模型柱的原型骨料直径太大,应使 用缩尺颗粒来模拟石柱。为了保持一致性,周围的土壤必须按同样的规则进行缩放。此外,细粒材料应该具有液化能力,因为它代表了可液化的土壤。在此,建议的细土是可液化的粗粉土。然而,在离心机模型中使用大量的土并对 其进行地震动测试之前,有必要对材料进行剪切试验以检查其性能。(Apostolou等,2016)



VDDCSS单剪作用下粉土特性研究

作为进一步研究的基准,选择的材料是粗粉土A50二氧化硅。根据地质资料和实例分析,粉土是一种可以液化的物质(Carr等,2004),(Sartain等,2014)。因此,在实验室中对其进行了广泛的研究,以了解其在循环载荷下的行为。

为了评估循环单剪作用下的收缩程度,进行了一系列排水试验,这可能被解释为表明其可能发生液化。试验设备为GDS变方向动态循环单剪系统(VDDCSS)(图1)。与传统的直接剪切装置相比,单剪装置更受欢迎,因为单剪下的土壤行为可以更好地模拟真实场地条件下地震事件下的土壤应力响应。更准确地说,在直剪试验过程中,传统的剪切盒水平分裂一半,因此,它允许试件的特定平面破坏。另一方面,VDDCSS中的土样放置在若干个圆环的内部区域,可以自由地向所需的方向移动,因此剪切应变γ分布到整个试样区域(图2)。



图1. 变方向动态循环单剪切系统 (VDDCSS)



图2 直剪法与单剪法的区别


VDDCSS设备的土样由砂雨法制备。用橡胶膜和一些特氟龙涂层环在基座上制备一个直径70毫米,高20毫米的圆柱形样品,这允许试样的剪切位移(图3)。然后,样品对接在装置的中心,在那里它可以在水平方向上进行简单的剪切变形。VDDCSS允许同时进行两个方向的单剪,但为了进行这些试验,只进行了一个方向的单剪。


图3. 在VDDCSS设备上放置粗粉土样



单剪试验结果及结论

图4和图5分别给出了4种不同剪应力与有效应力之比(τ/σ΄)下进行的单剪试验结果。图形显示了样品应变与循环次数的关系,图4显示了在0.8Hz下进行的测试,图5显示了在0.5Hz下进行的相同测试。可以看出,在一 定剪切比和循环次数范围内,干粗粉土在剪切应力作用下会发生明显的收缩,因此,干粗粉土适合作为液化敏感材料,必要时可代替较粗的可液化砂土进行离心试验。然后在邓迪大学的土工离心机中对细粒材料进行了测试,观察到孔隙压力的上升证实了粉土的液化潜力和VDDCSS结果的可靠性。(Apostolou 等, 2016)


轴向应变-剪应力比-循环次数(0.8Hz)


图4. 在不同的剪应力比下,轴向应变(压为正)与施加应力循环次数的 函数((频率f = 0.8 Hz)


轴向应变-剪应力比-循环次数(0.5Hz)


图5. 在不同的剪应力比下,轴向应变(压为正)与施加应力循环次数的函数((频率f = 0.5 Hz)



作者留言

Efthymios Apostolou:“与GDS仪器公司的合作非常令人满意。如前所述,使用动态简单剪切系统是非常必要的,并且很高兴地知道有一家公司能够理解这些问题并满足岩土工程实验室的要求。同时,GDS设备的硬件和软件的理解和操作也比较容易和直观。除此之外,该装置允许在测试前预先选择许多参数作为输入信息,这使得可能的输出数据范围更广。因此,GDS必将成为我们未来任何实验设备的首选。”




参考文献

Apostolou, E., Brennan A.J. and Wehr J. (2016) Liquefaction characteristics of coarse silt-graded A50 silica flour, Chania, Greece: 1st International Conference on Natural Hazards and Infrastructure: Protection, Design, Rehabilitation.

Carr, K. and Berrill, J. (2004) Liquefaction case histories from the west coast of the south island, New Zealand, Vancouver, B.C., Canada: 13th World Conference on Earthquake Engineering.

Sartain, N., Leboeuf, D., Ciubotariu, R., Garcia-Cueto D. and Lubkowski, Z. (2014) The liquefaction potential of a marine silt layer – a case study from Chateauguay, Québec, Canada, Istanbul: Second European Conference on Earthquake Engineering and Seismology.

Schofield,   A.   N.    (1980)    ‘Cambridge    Geotechnical Centrifuge Operations’, Géotechnique,30(3), pp. 227-268.



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