飽和砂土剪切吸水流滑的物理規(guī)律和數(shù)學(xué)描述項(xiàng)目摘要

震害調(diào)查和室內(nèi)模型試驗(yàn)表明：即使是剪脹性砂土構(gòu)成的邊坡或地基（具有驅(qū)動(dòng)剪應(yīng)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(kuò)散和轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的局部砂土在剪切過(guò)程中吸水變松有關(guān)。現(xiàn)有的基于不排水條件的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法不能解釋中密到密實(shí)的剪脹性砂土邊坡出現(xiàn)流滑破壞的現(xiàn)象。該問(wèn)題雖然已得到巖土工程領(lǐng)域的廣泛共識(shí)，成為土工抗震領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)，但是目前還未取得重要突破。.本項(xiàng)目擬通過(guò)控制剪切吸水率的三軸試驗(yàn)來(lái)再現(xiàn)飽和砂土在剪切吸水條件下的力學(xué)響應(yīng)，探究飽和砂土在剪切吸水條件下的應(yīng)力應(yīng)變特征和強(qiáng)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(jī)制，建立能夠描述飽和砂土剪切吸水條件下應(yīng)力應(yīng)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(guān)邊值問(wèn)題的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。

在地震作用下，由中密至密實(shí)的飽和砂土構(gòu)成的成層飽和砂土傾斜地基或邊坡會(huì)發(fā)生一種特殊的延遲滑動(dòng)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(guò)程中，而是發(fā)生在地震結(jié)束后的某一時(shí)段。現(xiàn)有的基于不排水條件的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法不能解釋中密到密實(shí)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(shí)間效應(yīng)。 針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目主要在以下方面取得了進(jìn)展：（1）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套控制剪切吸水速率的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)和大剪切變形作用下土的滲透性測(cè)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(kuò)散轉(zhuǎn)移過(guò)程中的典型應(yīng)力路徑；（2）系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)砂在流滑應(yīng)力路徑下的剪切試驗(yàn)，觀察得到了土單元在流滑過(guò)程中的吸水率與剪應(yīng)變的相互影響規(guī)律；（3）從邊值問(wèn)題中孔隙水壓力擴(kuò)散轉(zhuǎn)移過(guò)程以及土單元的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)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(jī)理；（4）在揭示的機(jī)理的基礎(chǔ)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(yù)測(cè)流滑剪應(yīng)變的實(shí)用圖表，建立了預(yù)測(cè)飽和砂土邊坡地震后流滑變形的簡(jiǎn)化計(jì)算方法和復(fù)雜邊界條件下的有限元計(jì)算方法；（6）利用發(fā)展的計(jì)算方法分析了土的物理性質(zhì)、具體邊值條件對(duì)邊坡流滑變形的影響規(guī)律。本項(xiàng)目的研究成果可用于剪脹性砂土邊坡的地震安全性評(píng)價(jià)和加固設(shè)計(jì)。 另外，本項(xiàng)研制的設(shè)備還可用于復(fù)雜應(yīng)力路徑下的土的變形特性測(cè)試，在本項(xiàng)目中相關(guān)設(shè)備和理論也應(yīng)用于擊實(shí)膨脹土的脹縮變形以及路基在交通荷載下的變形計(jì)算，取得了一些研究成果。 2100433B

飽和砂土中地下開(kāi)挖面處的地層損失預(yù)測(cè)是環(huán)境保護(hù)與風(fēng)險(xiǎn)控制的關(guān)鍵。而飽和砂土地層開(kāi)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(dāng)難于評(píng)價(jià)。本研究通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析了典型動(dòng)荷載作用下砂土的動(dòng)力特性變化規(guī)律；通過(guò)理論分析，建立了不同支護(hù)模式下盾構(gòu)隧道開(kāi)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(dòng)區(qū)與松動(dòng)土壓力計(jì)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(dòng)特性對(duì)土壓平衡盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性和地層損失的影響規(guī)律及機(jī)理；通過(guò)地下開(kāi)挖模擬實(shí)驗(yàn)，研究對(duì)比砂土在振動(dòng)與非振動(dòng)、液相傳遞壓力介質(zhì)支護(hù)條件下開(kāi)挖面的顆粒流動(dòng)與地層移動(dòng)規(guī)律，分析地層損失機(jī)理；初步建立往復(fù)振動(dòng)下基于砂土細(xì)觀顆粒流的地層移動(dòng)預(yù)測(cè)理論與方法，為地下開(kāi)挖工程的超前預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)控制提供科學(xué)指導(dǎo)。

粉砂或細(xì)砂地基在靜荷載作用下常具有較高的強(qiáng)度。但是當(dāng)振動(dòng)荷載(地震、機(jī)械振　動(dòng)等)作用時(shí)，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?yàn)橥令w粒松散排列并在外部動(dòng)力作用下使顆粒的位置產(chǎn)生錯(cuò)位，以達(dá)到新的平衡，瞬間產(chǎn)生較高的超靜孔隙水壓力，有效應(yīng)力迅速降低。對(duì)這種地基進(jìn)行處理的目的就是使它變得較為密實(shí)，消除在動(dòng)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。