側(cè)限約束條件下的砂土液化機理試驗研究及其理論分析

地基液化是工程結(jié)構(gòu)地震破壞的重要原因之一。1964年日本新瀉地震和美國的阿拉斯加地震中發(fā)生了大量的場地液化引起的砂沸、地基承載力喪失、不均勻沉陷、邊坡流滑等災難性的破壞。此后地震液化問題廣泛引起學術界和工程界的重視，學者們針對砂土液化開展了大量的研究工作。室內(nèi)試驗是飽和砂土液化研究不可或缺的手段，也是揭示地震液化機理的重要手段。除大型振動臺和離心振動臺試驗外，國內(nèi)外很多學者也利用動單剪儀、動三軸儀、動扭剪儀及豎向-扭剪耦合剪切儀開展了大量的試驗研究，探討了其液化機理、孔隙水壓力發(fā)展模式、抗液化強度及其影響因素等，并將室內(nèi)試驗得到的孔隙水壓力計算公式、抗液化強度等結(jié)果直接用于實際場地液化評價中。而已有常規(guī)動三軸、動扭剪試驗研究表明，非均等固結(jié)條件下飽和砂土的液化狀態(tài)、極限孔壓與固結(jié)比、循環(huán)動載幅值相關，小幅循環(huán)動載作用下常不能實現(xiàn)土體液化過程模擬，這與某些實際場地在小幅動載作用下產(chǎn)生的土體液化情況不符，也為土體抗液化能力和孔壓增長評價帶來了不確定性。 本項目在臨界狀態(tài)土力學框架下，分析了常規(guī)試驗中非均等固結(jié)條件下飽和砂土液化狀態(tài)與固結(jié)比、循環(huán)動態(tài)幅值的關系，并通過試驗驗證了其正確性。結(jié)合實際場地土體的受力狀態(tài)和液化過程分析，提出了非均等固結(jié)條件下飽和砂土液化試驗的變圍壓控制方法，對比分析了常規(guī)動三軸、動扭剪和變圍壓土體液化試驗揭示的不同液化過程機理，提出了“持續(xù)液化”的概念，并與常規(guī)試驗中的“瞬時液化”情況進行了比較。在此基礎上，針對非均等固結(jié)條件下飽和砂土液化試驗的孔隙水壓力增長特征，建議了基于統(tǒng)一液化定義的孔隙水壓力增長模型確定思路。 2100433B

近些年全球范圍內(nèi)頻繁發(fā)生地震，砂土液化現(xiàn)象作為地震災害的一種主要形式，常常會引起建筑物基礎的不均勻沉降及結(jié)構(gòu)的破壞，造成嚴重災害和人員傷亡，給人類帶來巨大災難，尤其是2011年2月發(fā)生的新西蘭6.3級地震造成了罕見的大面積液化，使人們重新認識到土體液化問題的復雜性和深入研究的必要性。關于土體液化問題在室內(nèi)一般采用常規(guī)動態(tài)三軸或動態(tài)扭剪等實驗手段，但其結(jié)果往往無法解釋實際液化現(xiàn)象。主要原因在于室內(nèi)試驗土單元的應力狀態(tài)和實際土體應力狀態(tài)并不一致。.本項研究擬聯(lián)合運用先進土工試驗、理論分析與數(shù)值計算等技術手段，以利用室內(nèi)小尺寸單元試驗探討土體在側(cè)限條件下的液化特性為主線，研究土體初始應力狀態(tài)和應力重分布對動力特性的影響，包括研究新的孔隙水壓力模型等；在此基礎上，發(fā)展適合描述側(cè)限約束條件下的土體應力應變關系的彈塑性本構(gòu)模型，最后借助有限元計算方法評價液化場地地下結(jié)構(gòu)抗震性能。

本項目系統(tǒng)地研究了面向CAD的圖形多約束理論、方法及其應用，提出了多約束關系識別、理解與自組織的三大基本原理，提出了約束關系自組織的一系列新概念和新方法，提出并實現(xiàn)了8大基本約束種類及其形成的一系列新算法，應用圖形多約束理論與方法進行工程圖掃描圖象整體識別，應用圖形多約束理論與方法進行零件圖裝配圖一體化設計，提出并實現(xiàn)了基于約束關系自組織的離線參數(shù)化技術。上述各項研究成果中，應用圖形多約束理論與方法進行工程圖掃描圖象整體識別與基于約束關系自組織的離線參數(shù)化技術是兩項實質(zhì)性的突破，已得到學術界同行的肯定與認可。本項研究在國內(nèi)外學術期刊和學術會議上共發(fā)表論文十六篇。 2100433B

為了深入研究面內(nèi)約束作用下混凝土板火災行為，本項目開展約束作用下混凝土雙向板火災試驗、數(shù)值模擬和理論分析。 試驗方面：通過十塊不同面內(nèi)約束工況混凝土雙向板火災試驗，獲得爐溫、混凝土和鋼筋溫度、板平面外（內(nèi)）變形、板角（平面內(nèi)）約束力等隨時間變化規(guī)律，觀測了試驗中混凝土板裂縫及破壞特征。 研究表明，由于板角約束作用，簡支板及單（雙）向面內(nèi)約束板均出現(xiàn)板角弧形斜裂縫；與火災下簡支板不同，單（雙）向面內(nèi)約束板板頂均易出現(xiàn)通長裂縫，且單（雙）向約束作用傾向于增加試驗板豎向變形，原因在于約束作用引起的P-δ效應。 數(shù)值方面：根據(jù)熱彈塑性理論和板殼單元，考慮面內(nèi)約束作用和含水率影響，建立了混凝土雙向板數(shù)值模型，發(fā)展程序?qū)γ鎯?nèi)約束混凝土試驗板進行數(shù)值分析，獲得了幾何(非)線性和混凝土膨脹應變對約束試驗板變形、彎矩分布和薄膜機理影響規(guī)律。此外，通過參數(shù)分析研究了約束類型、約束水平、長寬比、配筋率和板厚等對面內(nèi)約束混凝土板溫度場、變形、破壞模式和耐火極限等影響。研究表明，對任一約束工況，較大混凝土膨脹應變導致約束板較大變形，且?guī)缀畏蔷€性影響不可忽略；面內(nèi)約束作用傾向于降低跨中彎矩和增大板邊負彎矩，且不利于板大變形階段受拉薄膜效應發(fā)展；約束板火災行為取決于約束類型、約束水平和長寬比等相互作用。 理論方面：基于塑性鉸線理論，考慮受拉薄膜效應，提出鋼筋應變差概念和應變破壞準則，結(jié)合板塊內(nèi)力平衡方程，建立常溫及火災下面內(nèi)約束混凝土雙向板承載力計算方法。研究表明：鋼筋應變差理論所得薄膜效應階段混凝土雙向板荷載-位移曲線較為合理，且能夠確定混凝土雙向板極限狀態(tài)及相關參數(shù)。 本項目研究成果可為實際工程中提高混凝土雙向板抗火性能提供參考。 2100433B