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）

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

图3. 在VDDCSS设备上放置粗粉土样

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）

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

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.