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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。建模的結果是應力和土壤行為在比例模型與全尺寸現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）

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，以了解其在循環載荷下的行為。

為了評估循環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生液化。試驗設備為GDS變方向動態循環單剪系統（VDDCSS）（圖1）。與傳統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的內部區域，可以自由地向所需的方向移動，因此剪切應變γ分布到整個試樣區域（圖2）。

圖1. 變方向動態循環單剪切系統 （VDDCSS）

圖2 直剪法與單剪法的區別

圖3. 在VDDCSS設備上放置粗粉土樣

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次數的關系，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。可以看出，在一 定剪切比和循環次數范圍內，干粗粉土在剪切應力作用下會發生明顯的收縮，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）

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

軸向應變-剪應力比-循環次數(0.5Hz)

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

作者留言

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.