飽和砂土剪切吸水流滑的物理規(guī)律和數(shù)學描述

在地震作用下，由中密至密實的飽和砂土構(gòu)成的成層飽和砂土傾斜地基或邊坡會發(fā)生一種特殊的延遲滑動變形破壞現(xiàn)象，即破壞不是發(fā)生在慣性力作用的地震過程中，而是發(fā)生在地震結(jié)束后的某一時段?，F(xiàn)有的基于不排水條件的邊坡穩(wěn)定性評價方法不能解釋中密到密實的剪脹性砂土邊坡出現(xiàn)流滑破壞的現(xiàn)象，更不能模擬邊坡破壞的延遲時間效應。 針對上述問題，本項目主要在以下方面取得了進展：（1）設計開發(fā)了一套控制剪切吸水速率的三軸試驗系統(tǒng)和大剪切變形作用下土的滲透性測試系統(tǒng)，以模擬邊坡中土單元在地震后超靜孔隙水壓力擴散轉(zhuǎn)移過程中的典型應力路徑；（2）系統(tǒng)進行了標準砂在流滑應力路徑下的剪切試驗，觀察得到了土單元在流滑過程中的吸水率與剪應變的相互影響規(guī)律；（3）從邊值問題中孔隙水壓力擴散轉(zhuǎn)移過程以及土單元的應力應變響應的角度，揭示了剪脹性砂土邊坡地震后延遲變形的內(nèi)在機理；（4）在揭示的機理的基礎上，基于狀態(tài)剪脹理論，建立了剪切吸水條件下飽和砂土的本構(gòu)模型和數(shù)值算法；（5）給出了由吸水體變預測流滑剪應變的實用圖表，建立了預測飽和砂土邊坡地震后流滑變形的簡化計算方法和復雜邊界條件下的有限元計算方法；（6）利用發(fā)展的計算方法分析了土的物理性質(zhì)、具體邊值條件對邊坡流滑變形的影響規(guī)律。本項目的研究成果可用于剪脹性砂土邊坡的地震安全性評價和加固設計。 另外，本項研制的設備還可用于復雜應力路徑下的土的變形特性測試，在本項目中相關設備和理論也應用于擊實膨脹土的脹縮變形以及路基在交通荷載下的變形計算，取得了一些研究成果。 2100433B

震害調(diào)查和室內(nèi)模型試驗表明：即使是剪脹性砂土構(gòu)成的邊坡或地基（具有驅(qū)動剪應力）也可能產(chǎn)生流滑破壞，這種破壞與超靜孔隙水壓力的擴散和轉(zhuǎn)移導致的局部砂土在剪切過程中吸水變松有關?，F(xiàn)有的基于不排水條件的邊坡穩(wěn)定性評價方法不能解釋中密到密實的剪脹性砂土邊坡出現(xiàn)流滑破壞的現(xiàn)象。該問題雖然已得到巖土工程領域的廣泛共識，成為土工抗震領域研究的新熱點，但是目前還未取得重要突破。.本項目擬通過控制剪切吸水率的三軸試驗來再現(xiàn)飽和砂土在剪切吸水條件下的力學響應，探究飽和砂土在剪切吸水條件下的應力應變特征和強度變化的規(guī)律性，揭示剪脹性飽和砂土在自然排水條件下流滑的物理機制，建立能夠描述飽和砂土剪切吸水條件下應力應變行為的本構(gòu)模型，提出一套能夠用于自然排水條件下流滑相關邊值問題的穩(wěn)定性評價方法。

飽和砂土中地下開挖面處的地層損失預測是環(huán)境保護與風險控制的關鍵。而飽和砂土地層開挖面的不穩(wěn)定特性和破壞脆性決定其在地下工程中產(chǎn)生的地層損失相當難于評價。本研究通過動三軸試驗，分析了典型動荷載作用下砂土的動力特性變化規(guī)律；通過理論分析，建立了不同支護模式下盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性和基于顆粒流橢球體理論的砂土中隧道松動區(qū)與松動土壓力計算方法；使用離散元數(shù)值方法研究了砂性地層顆粒接觸及流動特性對土壓平衡盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性和地層損失的影響規(guī)律及機理；通過地下開挖模擬實驗，研究對比砂土在振動與非振動、液相傳遞壓力介質(zhì)支護條件下開挖面的顆粒流動與地層移動規(guī)律，分析地層損失機理；初步建立往復振動下基于砂土細觀顆粒流的地層移動預測理論與方法，為地下開挖工程的超前預報與風險控制提供科學指導。

粉砂或細砂地基在靜荷載作用下常具有較高的強度。但是當振動荷載(地震、機械振　動等)作用時，飽和松散砂土地基則有可能產(chǎn)生液化或大量震陷變形，甚至喪失承載力。這是因為土顆粒松散排列并在外部動力作用下使顆粒的位置產(chǎn)生錯位，以達到新的平衡，瞬間產(chǎn)生較高的超靜孔隙水壓力，有效應力迅速降低。對這種地基進行處理的目的就是使它變得較為密實，消除在動荷載作用下產(chǎn)生液化的可能性。常用的處理方法有擠出法、振沖法等。