飽和砂土地震液化的細(xì)觀機(jī)理研究與數(shù)值模擬

采用散粒介質(zhì)力學(xué)與細(xì)觀機(jī)理分析方法，通過三軸數(shù)值試驗(yàn)，模擬在地震荷載作用下飽和砂土液化過程，探討液化過程中狀態(tài)轉(zhuǎn)換面的產(chǎn)生、穩(wěn)態(tài)變形、循環(huán)活動性發(fā)展等的細(xì)觀機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展一個顆粒-流體耦合的飽和砂土細(xì)觀力學(xué)模型，模型中顆粒運(yùn)動采用散粒介質(zhì)的離散單元方法模擬，流體運(yùn)動采用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)計算，通過一定的邊界條件實(shí)現(xiàn)流固兩相的耦合。采用建立的細(xì)觀模型研究飽和砂土液化時土體的局部滲流特性，分析滲透系數(shù)與應(yīng)力、細(xì)觀組構(gòu)演化與宏觀應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展之間的定量關(guān)系。在振動模型試驗(yàn)中引入先進(jìn)的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字信息計算機(jī)實(shí)時處理技術(shù)，測量分析飽和砂土液化時土體細(xì)觀組構(gòu)參數(shù)的演化規(guī)律，并與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對比分析。最后根據(jù)上述流體-顆粒耦合細(xì)觀模擬、組構(gòu)演化規(guī)律分析以及模型試驗(yàn)結(jié)果，建立一個基于細(xì)觀機(jī)理分析的飽和砂土液化模型。 2100433B

在混凝土細(xì)觀隨機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)觀測的基礎(chǔ)上，深入研究混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)，建立合理的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的描述方法；在此基礎(chǔ)上，基于固體計算力學(xué)最新發(fā)展的細(xì)觀模擬方法，精細(xì)模擬混凝土細(xì)觀裂縫群的產(chǎn)生和發(fā)展過程，研究混凝土細(xì)觀應(yīng)力隨機(jī)重分布規(guī)律；基于多尺度理論，選取合適的狀態(tài)變量作為尺度間的橋梁，從細(xì)觀數(shù)值模擬結(jié)果出發(fā)求解宏觀損傷隨機(jī)演化規(guī)律，并與多維連續(xù)損傷模型相結(jié)合，構(gòu)成多尺度隨機(jī)損傷模型的完整體系；采用所建立的多尺度隨機(jī)損傷模型模擬混凝土結(jié)構(gòu)的全過程非線性行為，有針對性地探索尺寸效應(yīng)等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)非線性分析難以處理的問題，為結(jié)構(gòu)非線性分析與設(shè)計提供理論工具與技術(shù)支持。

本項目旨在通過含粉粒夾層的層狀砂土液化可視化動三軸試驗(yàn)、顆粒流數(shù)值模擬和離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證，揭示粉粒夾層厚度對層狀砂土液化影響的宏細(xì)觀機(jī)理，主要研究內(nèi)容包括：（1）利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像變形量測技術(shù)，獲取層狀砂土液化過程中界面處砂粒和粉粒的細(xì)觀組構(gòu)特征及其演化規(guī)律；（2）利用離散單元法中的顆粒流理論，在細(xì)觀尺度上考慮顆粒離散元與流體動力學(xué)耦合，建立飽和層狀砂土液化細(xì)觀數(shù)值模型。(3)利用層狀砂土顆粒流數(shù)值模型，就粉粒夾層厚度對飽和層狀砂土液化特性影響的宏細(xì)觀機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析宏細(xì)觀力學(xué)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，從細(xì)觀角度入手探討飽和層狀砂土液化的宏細(xì)觀力學(xué)機(jī)理，并用離心機(jī)試驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本項目的開展不僅能夠?yàn)樯巴烈夯芯刻峁┬滤悸?，提升人們對含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機(jī)理的認(rèn)識，而且還能為砂沸、液化后大變形等現(xiàn)場液化現(xiàn)象提供細(xì)觀力學(xué)解釋。

本項目利用先進(jìn)的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字信息計算機(jī)實(shí)時處理技術(shù)，進(jìn)行堤壩的滲透模型試驗(yàn)，攝錄土顆粒的移動軌跡，確定形成管涌的臨界參數(shù)?；谏Ⅲw介質(zhì)顆粒流理論及其分析方法等細(xì)觀力學(xué)手段，分析滲流與土介質(zhì)的共同作用及滲流的貼壁擠土效應(yīng)，深入研究管涌形成過程的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。建立關(guān)于管涌形成和發(fā)展規(guī)律的細(xì)觀理論模型，利用并開發(fā)PFC2D軟件對管涌形成與發(fā)展過程中土顆粒的移動規(guī)律進(jìn)行細(xì)觀仿真模擬。結(jié)合堤防工程的管涌險情實(shí)例進(jìn)行分析研究，為管涌險情的預(yù)測和治理提供參考意見。本研究成果對防洪減災(zāi)具有重要意義。 2100433B