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中國礦大深地國重崔振東教授課題組發(fā)表“再固結度對連續(xù)地震荷載作用下軟粘土循環(huán)剪切行為的影響”論文

作者：AB模板網
發(fā)布時間：2022-05-25
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中國礦業(yè)大學深地工程智能建造與健康運維全國重點實驗室崔振東教授課題組近日在巖土工程學術期刊《Acta Geotechnica》發(fā)表了題為“Effect of reconsolidation degree on cyclic shear behaviors of soft clay subjected to sequential earthquake loading”（再固結度對連續(xù)地震荷載作用下軟粘土循環(huán)剪切行為的影響）的學術文章。本研究聯(lián)合動三軸-單剪系統(tǒng)與孔壓同步監(jiān)測，追蹤主-余震序列下軟黏土孔壓累積-模量退化-再固結恢復過程，提出“余震附加劣化-間歇抑制”兩階段機制，揭示加速度-再固結度耦合對剛度衰減的調控規(guī)律，為震陷區(qū)地基抗震設計提供依據。

*論文版權歸原作者和出版方所有，本文僅為學習交流。

以下是對這項成果的簡要介紹：

論文摘要

地震災害往往會引發(fā)一系列余震，這些余震不可避免地會對土體造成進一步的破壞。

本研究通過循環(huán)單剪試驗，探討了軟黏土在主震–余震序列荷載作用下的動力特性。研究利用等效循環(huán)剪應力和再固結度，分析了最大地震加速度與地震事件間隔對軟黏土循環(huán)剪切行為的耦合影響。

研究結果表明，余震荷載的連續(xù)作用會導致軟黏土力學性能的進一步劣化，表現(xiàn)為循環(huán)孔隙水壓力的持續(xù)累積以及動剪切模量的顯著退化。在加載間歇期間，再固結過程使土體排水并變得更加密實，從而有效抑制了后續(xù)加載階段中循環(huán)剪應變的增長和有效應力的降低。此外，基于地震加速度和再固結度，提出了若干用于預測動剪切模量及其退化參數的經驗模型。

研究發(fā)現(xiàn)，當循環(huán)荷載幅值較小時，再固結度的增加會促進剛度退化；然而，隨著應力幅值的增大，再固結對軟化速率的抑制作用逐漸顯現(xiàn)。本研究成果有助于更深入地理解軟黏土在地震序列作用下的動力行為。

試驗設備

本研究使用了GDS電機控制的反壓動單剪系統(tǒng)EMDCSS-CON等設備。

相關圖表

*圖表為論文截圖，版權歸論文原作者和出版方所有，本文僅為學習交流。

Fig. 1 Preparation and installation of simple shear specimens

Fig. 2 Cyclic loading-reconsolidation procedure in simple shear test

Fig. 3 Variation of vertical effective stress with time under different reconsolidation degrees

Fig. 4 Attenuation of vertical effective stress under various consolidation pressures and earthquake accelerations

Fig. 5 Variations of equivalent cyclic pore pressure with cyclic shear strain at σ′?_v0=?104.4 kPa

Fig. 6 Variations of normalized equivalent cyclic pore pressure with cyclic shear strain under different consolidation pressures

Fig. 7 Variations of cyclic shear strain with OCReq under different stress amplitudes and reconsolidation degrees

Fig. 8 Variations of cyclic shear strain with OCReq under different initial consolidation pressures

Fig. 9 Variations of cyclic shear stress with cyclic shear strain

Fig. 10 Variations of dynamic shear modulus with number of cycles at σ′v0?=?104.4 kPa

Fig. 11 Fitting results for initial dynamic shear modulus under aftershock loading at σ′_v0?=?104.4 kPa

Fig. 12 Comparison of test and predicted initial dynamic shear modulus under various consolidation pressures

Fig. 13 Fitting results for ultimate dynamic shear modulus under aftershock loading at σ′_v0?=?104.4 kPa

Fig. 14 Comparison of test and predicted ultimate dynamic shear modulus under various consolidation pressures

Fig. 15 Variations of degradation index with number of cycles at σ′?_v0=?104.4 kPa

Fig. 16 Variations of degradation index under mainshock loading with various consolidation pressures

Fig. 17 Fitting results for degradation parameter under aftershock loading

研究結論

余震加載促使軟黏土試樣循環(huán)剪應變破壞性增長、豎向有效應力大幅喪失，將加劇結構震害并降低地基承載力；抗震設計必須計入余震附加損傷，以提升結構在序列地震中的性能。

在相同最大地震加速度與再固結度條件下，初始固結壓力 104.4 kPa 的試樣在主-余震階段循環(huán)剪應變發(fā)展與有效應力衰減最為顯著，較 174 kPa 與 243.6 kPa 工況更劇烈；故 9–21 m 范圍內淺部軟黏土層的抗震能力更弱。

隨再固結度提高，余震期等效循環(huán)孔壓與循環(huán)剪應變增長被顯著抑制；后續(xù)加載初始動剪切模量雖升高，但剛度退化速率同步加快。地震間隔對軟黏土動力行為影響顯著：延長間隔可抑制土體變形、加速超孔壓消散，然而也會加劇模量退化速率、顯著降低土體剛度，反而不利于結構抗震。

研究建立了以再固結度、最大地震加速度及豎向固結壓力為變量的軟黏土動剪切模量與軟化參數經驗模型，可定量預測不同埋深軟黏土在不同間隔序列地震作用下的剪切模量演化，為軟土區(qū)基礎設施抗震設計提供依據。

伺服電機控制的反壓動態(tài)單剪測試系統(tǒng)EMDCSS-CON

伺服電機控制反壓動態(tài)單剪測試系統(tǒng)(EMDCSS-CON) 是進行動單剪試驗的首選設備。它不僅可以進行小應變（0.005%剪應變幅值）到大應變（10%剪應變幅值）的動態(tài)循環(huán)試驗，還可以進行非常精確的準靜態(tài)測試。它是具有最大測試量程范圍的單剪系統(tǒng)的最佳選擇。

EMDCSS-CON帶有內置框架（如圖所示），能夠使系統(tǒng)組件更好的定位。

主要特點	優(yōu)點
圍壓	可以對試樣進行有效應力控制。可以進行飽和、B檢測、剪切盒真正意義上的排水和不排水單剪試驗。EMDCSS-CON也可以在非飽和條件下進行單剪試驗。
主動高度控制	允許按照 ASTM D-6528標準進行恒定高度控制，進行恒定體積測試。
多個軸向和剪切力傳感器	這樣設計使剪切力和法向力在線性導軌前測量，因此摩擦誤差幾乎可以忽略。
低摩擦限制環(huán)	當進行恒定高度/體積測試時，采用特制低摩擦限制環(huán)確保土樣徑向受到約束，來保證試樣截面積不變 (k0狀態(tài))。
數字控制伺服電機作動器	伺服電機作動器伺服電機作動器可以在5Hz下進行高達＋/－1mm的測試，比同類的氣動作動器具有更高的精度。單相電源供電意昧著不需要外部噪聲液壓源或空壓機，這與氣動/液壓系統(tǒng)相反。新版的數字控制系統(tǒng)允許更高精度的控制，提高了分辨率和最大速率。
高質量線性導軌	200mm 軸承用于高承載能力、高精度的線性導軌，不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保剪切過程中頂蓋的旋轉范圍最小，從而使測試成為簡單剪切而不是旋轉運動，而且還降低了摩擦力。這保證實驗室真正的單剪試驗，無論在怎樣的荷載條件下，端部旋轉都最小。
機器剛度和頂帽穩(wěn)定性	EMDCSS-CON的設計從頭到尾都考慮到機器的剛度，比先前的EMDCSS具有更高的固有剛度和頂帽穩(wěn)定性。軸向順應性特別受到關注，這對于高質量的動單剪測試至關重要。
高級控制系統(tǒng)	EMDCSS-CON采用與EMDCSS相同的高級控制系統(tǒng)。 2018年底進行了全新升級，采用先進的數字電機控制，允許位置讀數和控制到0.000015mm(0.015微米)。新的 ADVDCS控制系統(tǒng)還包括一個復雜的柔度模型，用于自適應控制試驗過程中試樣的剛度變化。

GDS電機控制的反壓動單剪系統(tǒng)EMDCSS-CON符合ASTM D-6528標準和 NORSOK規(guī)范。可用于動單剪試驗，還可以進行靜態(tài)單剪試驗、多級測試、低頻循環(huán)/蠕變測試、用戶自定義波形測試 (每個軸可以使用單獨的波形), 固結和恒定剛度測試，可升級彎曲元試驗。