【案例】GDS动态循环单剪试验系统（VDDCSS）在地震研究中的应用

地震作用下，地面运动是复杂的多维运动。此时，土体遭受水平两方向的震动，两方向震动在大小和方向上相互耦合。众多学者认为在进行地震边坡的研究中，地震是个复杂的时间与空间过程，应考虑地震动荷载随空间变化的特性。对2005 年新疆乌什6.2 级地、2011 年新疆尼勒克、巩留县交界6.0 级地震分析发现地震加速度不但大小是不断变化的，方向也是不断变化的，这证实了地震时地面运动是复杂的多维运动。

英国GDS动态循环单剪试验系统（VDDCSS）可对试样底部施加任何形式的循环位移或循环应力，来模拟现场的许多加载条件，较方便地研究土的动力特性。这包括很多结构的海洋基础，例如风电场和石油砖塔。VDDCSS还可以模拟偏向于某一方向而受力在另一个方向的情况，例如地震附近区域。VDDCSS系统如图1所示。

图1 动态循环单剪试验系统(VDDCSS)

聂勇、樊恒辉、王中妮等采用温州大学VDDCSS系统，对固结试样开展了两组实验：DY组(单向循环单剪试验)：试样在不同剪应变幅值下进行剪切试验，采用正弦波；第二组(水平双向耦合的循环单剪试验，即剪切方向变化的循环单剪试验)：试样也在不同 下进行循环加载试验，采用正弦波，本组试验进行两水平向耦合，使每个循环剪切循环的方向不断变化，变化方式是以X 方向为轴，以原点为ZX进行的摆幅剪切，摆幅分别为45°和90°。即先进行一次单向的循环剪切，然后进行第二次单向的循环剪切，方向和DY次的方向产生一个夹角。具体试验方案见下表。剪切完成之后再对试样进行固结研究其变形。

表1 循环单剪试验方案

试验结果表明：

（1）小应变条件下，软黏土表现出结构的各向异性，其随的增加逐渐减小，对G的影响也随的增加逐渐减小。

图2 土体应力-应变曲线

（2）存在一个剪应变特征值 ，即当 ＜ 时，剪切作用会轻微增加其他新方向的G；当 ＞ 时时，无此现象。本文的 = 0.2%。

（a） =0.1% （b） =0.5%

图3 不同剪切条件下土样归一化剪切模量和循环圈数的关系曲线

（3）单向剪切下G是平缓变化的，而双向剪切下G是波动变化的。剪切方向的变化(即双向剪切)会加快G的衰减，造成更低的G。

图4 不同剪应变幅值下土样归一化剪切模量和循环圈数的关系曲线

（4）小应变条件下，u增加很小，剪切方向的变化对u影响很小，Hrc/H也很小。当0.1%＜ ＜2%时，u 随 的增加急剧上升，剪应变方向的变化促进u增加，随 的增加这种影响逐渐加深。

（a） g = 0.1% （b）g = 0.8%

图5 不同剪切方式下孔压比随时间的发展曲线

（5）随着剪切方向的变化，uamp 在一个循环周期是循环变化的；随着剪切的进行，uamp 是逐渐减小的。 = 0.8%时uamp 达到ZD值。

图6 第50次的循环孔压幅值和剪应变幅值的关系曲线

（6）当0.1%＜ ＜2%时，Hrc/H 随 的增加而增加；当 ＜1%时，单向剪切后的Hrc/H 随的增加缓慢增加，而双向剪切的Hrc/H 随的增加快速增加；当 ＞1%时，Hrc/H 随 的增加缓慢增加；不同剪切方式下的Hrc/H ZZ趋于一致。

图7 再固结过程中剪应变幅值和轴向变形曲线

请点击原文阅读以下ZX科研成果：

《循环剪切方向对饱和软黏土动静力特性的影响》 聂 勇，樊恒辉，王中妮，贺志强

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