飽和砂土液化后流動特性試驗與大變形分析方法研究結(jié)題摘要

本項目以“5.12”四川汶川地震后我國廣大地震液化地區(qū)的防震減災(zāi)需求為背景，鑒于當(dāng)前缺乏對飽和砂土液化后流動特性的認(rèn)識，開展基于流體力學(xué)理論的飽和砂土液化后流動特性試驗研究，分析液化后砂土的流體類型，建立流動本構(gòu)模型和大變形分析方法。 （1）基于流體力學(xué)中的落球試驗原理，設(shè)計了一套可以測定液化后砂土流動特性的小型振動臺試驗裝置。進(jìn)行了一系列液化砂土流動特性試驗，試驗中考慮了鋼球的直徑、運(yùn)動的速度、砂土的超孔壓比的影響。試驗結(jié)果表明，在零有效應(yīng)力狀態(tài)下，液化砂土也呈現(xiàn)出剪切稀化非牛頓流體的特性，在非零有效應(yīng)力狀態(tài)下，液化后砂土的表觀動力粘度隨著孔壓比的降低而逐漸增大。試驗結(jié)果與空心圓柱試樣的飽和砂土液化后大變形扭剪試驗結(jié)果相一致，證實了液化砂土是一種非牛頓流體的結(jié)論。 （2）根據(jù)砂土液化后在零有效應(yīng)力狀態(tài)下是剪切稀化非牛頓流體的特點，用冪律函數(shù)擬合了零有效應(yīng)力狀態(tài)下的剪應(yīng)力‐剪應(yīng)變率關(guān)系；在非零有效應(yīng)力狀態(tài)下，砂土的表觀動力粘度是超孔壓比的單值函數(shù)，用冪律函數(shù)來描述表觀動力粘度的對數(shù)與超孔壓比之間的關(guān)系，得到了液化后砂土的流動本構(gòu)模型，并利用廣義剪應(yīng)力和流動剪應(yīng)變率的概念將流動本構(gòu)模型推廣到三維情形。 （3）將零有效應(yīng)力狀態(tài)下的液化后流動本構(gòu)模型在FLAC3D中進(jìn)行了開發(fā)實現(xiàn)，生成了可以描述砂土液化后流動狀態(tài)下變形的Liquefy模型，并基于FLAC3D建立了液化流動大變形的簡化分析方法。利用該簡化方法對小型振動臺的液化變形試驗進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明液化層水平位移主要發(fā)生在液化開始的前一段時間，隨著液化時間的增長，變形發(fā)展的速率逐漸減小。數(shù)值模擬結(jié)果與Towhata進(jìn)行的振動臺試驗結(jié)果相一致。 （4）基于本項目得到的液化后流動特性本構(gòu)模型，對FLAC3D中的Finn模型進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠考慮液化后零有效應(yīng)力狀態(tài)及非零有效應(yīng)力狀態(tài)的流動特性，生成了可以反映液化狀態(tài)下砂土的流動變形以及液化后土體強(qiáng)度的恢復(fù)建立了耦合的PL-Finn模型，并建立了液化后大變形的完全耦合非線性動力分析方法。對日本阪神地震中Kobe沉箱式碼頭的震害現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算結(jié)果表明，沉箱后側(cè)的回填砂土在地震作用過程中發(fā)生了大面積液化，使得沉箱發(fā)生了較大的水平位移和沉降，計算結(jié)果同震害調(diào)查的結(jié)果基本一致，從而驗證了本項目開發(fā)的PL-Finn模型在復(fù)雜巖土工程分析中的適用性。

本項目以5.12四川汶川地震后我國廣大地震液化地區(qū)的防震減災(zāi)需求為背景，鑒于當(dāng)前缺乏對飽和砂土液化后流動特性的認(rèn)識，開展基于流體力學(xué)理論的飽和砂土液化后流動特性試驗研究，分析液化后砂土的流體類型，建立流動本構(gòu)模型和大變形分析方法。首先，利用自行設(shè)計的試驗裝置，開展飽和砂土液化后流動特性試驗，得出零有效應(yīng)力狀態(tài)和非零有效應(yīng)力狀態(tài)下砂土的流動變形規(guī)律；然后基于流體力學(xué)理論，建立飽和砂土液化后流動本構(gòu)模型，并確定液化后砂土的流體類型；再將建立的流動本構(gòu)模型開發(fā)到巖土工程專業(yè)程序FLAC3D中，根據(jù)典型震害的模擬，對模型進(jìn)行驗證和修正，最終建立正確、有效的飽和砂土液化后流動大變形分析方法。研究成果將豐富并創(chuàng)新地震液化機(jī)理和變形分析理論，對闡明飽和砂土液化后的流體類型、揭示液化后流動大變形規(guī)律具有重要的理論意義，對我國廣大地震液化地區(qū)的防震減災(zāi)工作具有重要的社會意義和實用價值。

采用中型三軸儀，設(shè)計了適合研究飽和砂礫料液化后靜力再加載的變形特性的試驗方法，考察了相對密度、初始有效固結(jié)壓力、液化安全率和循環(huán)動應(yīng)力比等因素對飽和砂礫料液化后靜力再加載變形特性的影響。結(jié)果表明：飽和砂礫料液化后靜力再加載時其應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系與未經(jīng)振動荷載作用的試樣明顯不同，可分為三個階段：模量恢復(fù)段、模量穩(wěn)定段和塑性流動變形階段。相對于飽和砂土而言，砂礫料液化后不存在很大應(yīng)變范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度近乎為零的現(xiàn)象。提出了確定液化后靜力再加載試驗曲線特征物理量的方法，該方法避免了確定特征物理量的隨意性帶來的主觀誤差，保證了物理量之間關(guān)系分析的準(zhǔn)確性?；谠囼灲Y(jié)果，建立了可綜合考慮初始有效固結(jié)壓力、液化安全率和抗液化應(yīng)力比等影響因素的飽和砂礫料液化后靜力再加載應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系的三直線模型，并給出了參數(shù)確定方法。將模型添加到有限元程序中，對理想砂礫料壩進(jìn)行了液化后變形分析，驗證了模型的數(shù)值分析可行性。 2100433B

本書是一本系統(tǒng)介紹水泵與泵站流動理論、分析方法和最新研究成果的著作。內(nèi)容包括水泵與泵站粘性流動基本解法、三維造型和網(wǎng)格生成技術(shù)、瞬態(tài)流動與多相流動計算模型、流固耦合理論和分析方法。本書內(nèi)容實用、重點突出、結(jié)構(gòu)新穎、圖文并茂。所有成果均來自于作者多年從事水泵與泵站教學(xué)和科研實踐，算例全部選自實際泵站工程。對指導(dǎo)水泵設(shè)計、優(yōu)化泵站結(jié)構(gòu)、評估現(xiàn)有泵站性能，具有重要參考價值。

本書適合于流體機(jī)械、水利工程、城市給排水工程、化工工程、能源動力工程等領(lǐng)域的科研人員和工程技術(shù)人員參考，也適合作為高等院校水利類、能源動力類和流體力學(xué)類專業(yè)本科生和研究生教學(xué)參考書。

本書獲得國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助項目的資助。

砂礫料具有滲透系數(shù)較大、壓縮性低、抗剪強(qiáng)度和變形模量高以及施工易壓實等諸多優(yōu)良工程特性，因而被廣泛應(yīng)用于人工填海、大壩填筑和高速公路的路基填筑。以往液化后問題的研究主要是針對飽和砂土和粉土進(jìn)行的，對于砂礫土液化后變形與強(qiáng)度特性的研究尚不多見。本項目擬運(yùn)用自行研制的高精度中型動三軸儀，研究飽和砂礫土液化后單調(diào)加載變形與強(qiáng)度特性。以強(qiáng)度恢復(fù)轉(zhuǎn)折點應(yīng)變、不同階段模量和殘余強(qiáng)度為著力點，總結(jié)飽和砂礫土液化后變形與強(qiáng)度發(fā)展的宏觀規(guī)律；采用顆粒流方法對三軸試驗進(jìn)行數(shù)值模擬，研究砂礫土液化后單調(diào)加載過程中顆粒的接觸、旋轉(zhuǎn)、滑移、重組以及孔隙水壓力的演化規(guī)律，探明飽和砂礫土液化后變形的細(xì)觀機(jī)理；建立飽和砂礫土液化后實用非線性應(yīng)力應(yīng)變模型，借鑒商用液化后變形分析程序ALID的思路，將本項研究建議的飽和砂礫土液化后應(yīng)力應(yīng)變模型引入課題組自行開發(fā)的有限元程序中，為砂礫土場地和地基的地震液化后應(yīng)力變形分析提供依據(jù)