考虑砂土内在各向异性的地基承载能力的动力分析与研究

Recent laboratory investigations indicate that the stress-strain-strength responses of granular soils are appreciably affected by the fabric orientation of the soil relative to the frame of principal stresses. Especially, a sand specimen exhibiting a dilative response during triaxial compression may show a contractive response during triaxial extension under otherwise identical conditions. The results of experimental and microstructural investigations attribute the significant difference in strength under various loading conditions to inherently anisotropy of soil skeleton, i.e., fabric anisotropy. This observation is of practical importance for applications concerning essentially undrained loading conditions, because the effective mean normal stress at failure, and consequently, the shear strength, associated with an undrained contractive path are considerably lower than those following a dilative path. Subjected to earthquake loading, the bearing capacity of a sand ground is closely related to the undrained critical state strength of the soil. It is important to consider the influence of fabric anisotropy of the soil on seismic performance of the ground in order to understand the evolution of its bearing capacity during earthquake shaking. For a ground, the variation of the direction of principal stress in the active and passive failure zones is extremely large. The soils in different zones may have significantly different undrained critical state strength. This proposal utilize laboratory test, numerical analysis and centrifuge test to investigate the mechanism of deformation and failure of a sand ground with different anisotropy conditions and to investigate the influence of fabric anisotropy of the soil on seismic performance of the ground. The objective of this proposal is aimed to reveal the relationship between the variation of bearing capacity of the ground and the intrinsic properties of the soil.

砂土在不排水三轴拉伸条件下的临界状态强度远低于在三轴压缩条件下的临界状态强度。除受剪切模式的显著影响，砂土的不排水剪切特性特别是趋近于临界状态破坏的应力路径，还明显地受主应力方向的影响。宏观力学实验和微观结构分析都将砂土在不同加载条件下强度的显著差异归因于土骨架结构的各向异性。在地震作用下砂土地基承载能力与地基土的临界状态强度密切相关。在研究地基承载能力时考虑砂土内在各向异性的影响，对理解地震作用下砂土地基承载能力的变化具有重要意义。在一个场地的主动和被动破坏区中，主应力方向的变化非常显著，不同区域的相同土的不排水临界状态强度差别显著。本项目结合材料实验、计算机数值分析和离心机物理模拟等方法，研究在不同沉积条件下沉积的砂土地基在地震作用下变形和破坏的机理，研究砂土内在各向异性对地基抗震性能的影响，揭示在地震作用下地基承载能力的变化与土的基本性之间的关系。

砂土在不排水三轴拉伸条件下的临界状态强度远低于在三轴压缩条件下的临界状态强度。除受剪切模式的显著影响，砂土的不排水剪切特性特别是趋近于临界状态破坏的应力路径，还明显地受主应力方向的影响。宏观力学实验和微观结构分析都将砂土在不同加载条件下强度的显著差异归因于土骨架结构的各向异性。在地震作用下砂土地基承载能力与地基土的临界状态强度密切相关。在场地主动和被动破坏区中，主应力方向的变化非常显著，不同区域、相同密度土的不排水临界状态强度差别显著。在研究地基承载力时考虑砂土内在各向异性的影响，对理解地震作用下砂土地基承载能力的变化具有重要意义。.地震引起的基础破坏很常见，但是缺乏在地震中现场实测的地震响应数据，因此很难分析地震过程中土结构各向异性对基础地震响应的影响。离心机实验是缩尺物理模型实验方法，广泛用于研究场地和基础的地震响应，验证工程设计和数值分析结构的有效性。在本项目中，设计完成一组12个离心机实验，用以研究分析土结构的各向异性对地基地震响应的影响。.实验研究结果表明：1）砂土各向异性对干砂场地地震响应的影响不显著，但是对饱和砂土场地地震响应的影响非常显著，砂土各向异性的影响在被动土压力区的表现高于主动土压力区；2）砂土各向异性对由地震引起的超孔隙水压力的影响显著，对于90°沉积场地，液化发生的时机最早，持续时间最长，而0°沉积场地抵抗液化的能力较强；3）场地土的沉积方向对场地上基础在地震作用下发生的水平和垂直位移有影响，并随沉积角度的增加而增加；4）相对于光圆状颗粒砂土（如内华达砂），片角状颗粒砂土（如丰浦砂）的各向异性更加明显；即使是光圆状颗粒砂土，土的各向异性对加速度、超孔隙水压力和位移均有一定影响；5）如果不考虑土的沉积方向与离心加速度之间的夹角的变化，可能低估被动土压力区的超孔隙水压力系数，低估土发生液化的可能性和严重程度，也即高估被动土压力区土的抗剪强度，在工程实践上偏不安全。