【案例研究】GDS变方向动态循环单剪实验系统 (邓迪大学)

USERS: MR. EFTHYMIOS APOSTOLOU, DR. ANDREW J. BRENNAN CIVIL ENGINEERING,UNIVERSITY OF DUNDEE

翻译：张廷欢

离心机模型是一种先进的物理建模技术，用于在离心机增强的重力场中测试缩小规模的岩土工程模型。离心试验的主要原理是通过建立良好的尺度定律，使小尺度模型与原尺寸模型具有等效性。为了正确地缩放应力，在增加的重力作用下进行离心试验，重力作用等于模型缩放的倍数。模型的结果是比例模型和全尺度场结构之间的应力和土壤行为相似性(Schofield, 1980)。离心机模型已应用于许多学科，例如地震工程，其中在极端地震事件下准备并测试了土工模型，这可能会引起大的位移破坏和液化。

传统的离心机试验建议在模型和原型中使用相同的土样。但是在某些情况下，例如对石柱进行离心试验以防止液化，应使用缩小比例的颗粒进行建模，因为原骨料的直径对于模型柱而言太大。为了保持一致性，周围的土样必须按照相同的比例缩放。此外，细粒材料应该能够液化，因为它代表一种可液化的土壤。在此，建议的细粒土是可液化的粗粉沙。但是，在离心机模型中使用大量土样并在地震作用下对其进行试验之前，有必要在剪切作用下测试材料以检查其性能。(Apostolou et al.，2016)

选择粗粉砂A50二氧化硅用于进一步研究的比例参考。根据地质参考和案例研究，粉砂是一种可以液化的材料(Carr et al.，2004),(Sartain et al.，2014)。因此，在实验室中对其进行了广泛的研究，以了解其在循环荷载下的行为。

为了评估循环单剪下的收缩程度，进 行了一系列的排水试验，这可以解释为它具有液化的潜力。试验设备为GDS变方向动态循环单剪试验系统（VDDCSS）（图1）。与传统的直接剪切设备相比，简单剪切更可取，因为在实际场地条件下，单剪下的土体行为更接近于地震下的土体应力响应。

图 1. GDS变方向动态循环单剪实验系统（VDDCSS）

更准确地说，在直剪试验中，传统的剪切盒水平地分成两半，因此，它使得试样有一个特定的破坏面。另一方面，VDDCSS中的土样放置在多个环的内部区域，这些环可以自由地向所需方向移动，因此剪切应变γ分布到试样的整个区域（图2）。

图2. 直剪与单剪的区别

VDDCSS设备的土样通过砂雨法制备。使用橡胶膜和一些聚四氟乙烯涂层环在底座上制备直径为70 mm、高度为20 mm的圆柱形试样，这些环允许试样发生剪切位移（图3）。然后，试样被固定在装置的ZX，可以在水平简单剪切中变形。VDDCSS允许同时在两个方向上进行简单剪切，但在这些试验中，仅在一个方向上进行简单剪切。

图3. 在VDDCSS设备上放置粗粉砂试样

图4和图5显示了在4种不同剪应力与有效应力比率（τ/σ΄）下进行的简单剪切试验的结果。图中显示了循环次数下的试样应变，图4显示了在0.8Hz下进行的试验，图5显示了在0.5Hz下进行的相同试验。可以看出，干粗粉土在剪切比和循环次数范围内循环时，在剪切应力作用下明显收缩，因此，干粗粉土应适合用作易液化材料，并可在离心试验需要时替换较粗、易液化的砂土。然后，在邓迪大学的土工离心机中对细粒材料进行测试，观察到的孔隙压力上升证实了粉土的液化潜力和VDDCSS结果的可靠性。（Apostolou et al.，2016）

轴向应变-剪切应力比-循环次数的相关性(0.8Hz)

图4. 不同的剪切应力比下轴向应变（收缩为正）与施加的应力循环次数关系(频率f = 0.8 Hz)

轴向应变-剪切应力比-循环次数的相关性(0.5Hz)

图5. 不同的剪切应力比下轴向应变（收缩为正）与施加的应力循环次数关系(频率f = 0.5 Hz)

参考文献(略)

邓迪大学的岩土工程研究实验室成立于1997年，自那时以来发展迅速。除本科和研究生的教学和科研活动外，该实验室还提供各种岩土工程服务。其配备了先进的岩土模拟和检测设施，包括直径 7m 的岩土离心机和苏格兰海洋可再 生能源测试ZX（SMART）。

大型1g土工试验台和物理模拟设施已被用于研究海洋基础(深和浅)、管道、岸上植被护坡、地震断层和液化。通过将其纳入苏格兰企业能源实验室（SEL facility 45），可以确认邓迪大学的设施在工业上的适用性。REF 2014将邓迪大学土木工程研究的质量和影响力列为苏格兰DY和英国第三。