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歐美大地 室內巖土試驗
室內巖土試驗
案例分析：離心模型實驗縮尺顆粒前置驗選方案——粗粉土循環(huán)單剪實驗
發(fā)布時間：2023-12-20 瀏覽次數(shù)：27667 來源：歐美大地



鄧迪大學的巖土工程研究實驗室成立于1997年，其后迅速發(fā)展。除了本科和研究生的教學和研究活動外，該實驗室還為巖土工程行業(yè)提供廣泛的服務。實驗室配備了先進的巖土建模和表征設施，包括直徑為7米的巖土離心機和蘇格蘭海洋可再生能源測試中心（SMART）。這些設備配有大型1g土壤試驗臺和物理建模設施，這些設施已被用于研究海上基礎（深層和淺層）、管道、陸上植被支撐的斜坡、地震斷層和液化。同時，UoD設施的工業(yè)適用性得到了蘇格蘭企業(yè)能源實驗室（SEL45設施）的認可。

本文為鄧迪大學巖土工程研究實驗室EFTHYMIOS APOSTOLOU先生和ANDREW J. BRENNAN博士使用VDDCSS變方向動單剪完成的應用案例。



離心機建模中的比例問題

離心機建模是一種先進的物理建模技術，用于在離心機增強重力場中測試縮小比例的巖土工程模型。離心試驗的主要原理是在小尺寸模型和全尺寸原型之間通過良好的比例定律的等效性。為了正確地縮放應力，離心機測試是在增加的重力下進行的，重力等于模型縮放到的次數(shù)。建模的結果是應力和土壤行為在比例模型與全尺寸現(xiàn)場結構之間的相似性（Schofield，1980）。離心機建模已經應用于許多學科，例如地震工程，在極端地震情況下準備和測試土壤模型，這可能會引起大位移破壞和液化。

傳統(tǒng)的離心試驗建議在模型和原型中使用相同的土壤。然而，在某些情況下，如作為抗液化措施的石柱離心機試驗，由于模型柱的原型骨料直徑太大，應使 用縮尺顆粒來模擬石柱。為了保持一致性，周圍的土壤必須按同樣的規(guī)則進行縮放。此外，細粒材料應該具有液化能力，因為它代表了可液化的土壤。在此，建議的細土是可液化的粗粉土。然而，在離心機模型中使用大量的土并對 其進行地震動測試之前，有必要對材料進行剪切試驗以檢查其性能。（Apostolou等，2016）



VDDCSS單剪作用下粉土特性研究

作為進一步研究的基準，選擇的材料是粗粉土A50二氧化硅。根據(jù)地質資料和實例分析，粉土是一種可以液化的物質（Carr等，2004），（Sartain等，2014）。因此，在實驗室中對其進行了廣泛的研究，以了解其在循環(huán)載荷下的行為。

為了評估循環(huán)單剪作用下的收縮程度，進行了一系列排水試驗，這可能被解釋為表明其可能發(fā)生液化。試驗設備為GDS變方向動態(tài)循環(huán)單剪系統(tǒng)（VDDCSS）（圖1）。與傳統(tǒng)的直接剪切裝置相比，單剪裝置更受歡迎，因為單剪下的土壤行為可以更好地模擬真實場地條件下地震事件下的土壤應力響應。更準確地說，在直剪試驗過程中，傳統(tǒng)的剪切盒水平分裂一半，因此，它允許試件的特定平面破壞。另一方面，VDDCSS中的土樣放置在若干個圓環(huán)的內部區(qū)域，可以自由地向所需的方向移動，因此剪切應變γ分布到整個試樣區(qū)域（圖2）。



圖1. 變方向動態(tài)循環(huán)單剪切系統(tǒng) （VDDCSS）



圖2 直剪法與單剪法的區(qū)別


VDDCSS設備的土樣由砂雨法制備。用橡膠膜和一些特氟龍涂層環(huán)在基座上制備一個直徑70毫米，高20毫米的圓柱形樣品，這允許試樣的剪切位移（圖3）。然后，樣品對接在裝置的中心，在那里它可以在水平方向上進行簡單的剪切變形。VDDCSS允許同時進行兩個方向的單剪，但為了進行這些試驗，只進行了一個方向的單剪。


圖3. 在VDDCSS設備上放置粗粉土樣



單剪試驗結果及結論

圖4和圖5分別給出了4種不同剪應力與有效應力之比（τ/σ?）下進行的單剪試驗結果。圖形顯示了樣品應變與循環(huán)次數(shù)的關系，圖4顯示了在0.8Hz下進行的測試，圖5顯示了在0.5Hz下進行的相同測試?？梢钥闯觯谝?定剪切比和循環(huán)次數(shù)范圍內，干粗粉土在剪切應力作用下會發(fā)生明顯的收縮，因此，干粗粉土適合作為液化敏感材料，必要時可代替較粗的可液化砂土進行離心試驗。然后在鄧迪大學的土工離心機中對細粒材料進行了測試，觀察到孔隙壓力的上升證實了粉土的液化潛力和VDDCSS結果的可靠性。（Apostolou 等, 2016）


軸向應變-剪應力比-循環(huán)次數(shù)(0.8Hz)


圖4. 在不同的剪應力比下，軸向應變（壓為正）與施加應力循環(huán)次數(shù)的 函數(shù)（(頻率f = 0.8 Hz）


軸向應變-剪應力比-循環(huán)次數(shù)(0.5Hz)


圖5. 在不同的剪應力比下，軸向應變（壓為正）與施加應力循環(huán)次數(shù)的函數(shù)（(頻率f = 0.5 Hz）



作者留言

Efthymios Apostolou：“與GDS儀器公司的合作非常令人滿意。如前所述，使用動態(tài)簡單剪切系統(tǒng)是非常必要的，并且很高興地知道有一家公司能夠理解這些問題并滿足巖土工程實驗室的要求。同時，GDS設備的硬件和軟件的理解和操作也比較容易和直觀。除此之外，該裝置允許在測試前預先選擇許多參數(shù)作為輸入信息，這使得可能的輸出數(shù)據(jù)范圍更廣。因此，GDS必將成為我們未來任何實驗設備的首選。”




參考文獻

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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