側(cè)限約束條件下的砂土液化機(jī)理試驗(yàn)研究及其理論分析項(xiàng)目摘要

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(zāi)害的一種主要形式，常常會(huì)引起建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降及結(jié)構(gòu)的破壞，造成嚴(yán)重災(zāi)害和人員傷亡，給人類(lèi)帶來(lái)巨大災(zāi)難，尤其是2011年2月發(fā)生的新西蘭6.3級(jí)地震造成了罕見(jiàn)的大面積液化，使人們重新認(rèn)識(shí)到土體液化問(wèn)題的復(fù)雜性和深入研究的必要性。關(guān)于土體液化問(wèn)題在室內(nèi)一般采用常規(guī)動(dòng)態(tài)三軸或動(dòng)態(tài)扭剪等實(shí)驗(yàn)手段，但其結(jié)果往往無(wú)法解釋實(shí)際液化現(xiàn)象。主要原因在于室內(nèi)試驗(yàn)土單元的應(yīng)力狀態(tài)和實(shí)際土體應(yīng)力狀態(tài)并不一致。.本項(xiàng)研究擬聯(lián)合運(yùn)用先進(jìn)土工試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值計(jì)算等技術(shù)手段，以利用室內(nèi)小尺寸單元試驗(yàn)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(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力重分布對(duì)動(dòng)力特性的影響，包括研究新的孔隙水壓力模型等；在此基礎(chǔ)上，發(fā)展適合描述側(cè)限約束條件下的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的彈塑性本構(gòu)模型，最后借助有限元計(jì)算方法評(píng)價(jià)液化場(chǎng)地地下結(jié)構(gòu)抗震性能。

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(guó)的阿拉斯加地震中發(fā)生了大量的場(chǎng)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(zāi)難性的破壞。此后地震液化問(wèn)題廣泛引起學(xué)術(shù)界和工程界的重視，學(xué)者們針對(duì)砂土液化開(kāi)展了大量的研究工作。室內(nèi)試驗(yàn)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(jī)理的重要手段。除大型振動(dòng)臺(tái)和離心振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)外，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也利用動(dòng)單剪儀、動(dòng)三軸儀、動(dòng)扭剪儀及豎向-扭剪耦合剪切儀開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，探討了其液化機(jī)理、孔隙水壓力發(fā)展模式、抗液化強(qiáng)度及其影響因素等，并將室內(nèi)試驗(yàn)得到的孔隙水壓力計(jì)算公式、抗液化強(qiáng)度等結(jié)果直接用于實(shí)際場(chǎng)地液化評(píng)價(jià)中。而已有常規(guī)動(dòng)三軸、動(dòng)扭剪試驗(yàn)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(dòng)載幅值相關(guān)，小幅循環(huán)動(dòng)載作用下常不能實(shí)現(xiàn)土體液化過(guò)程模擬，這與某些實(shí)際場(chǎng)地在小幅動(dòng)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(zhǎng)評(píng)價(jià)帶來(lái)了不確定性。 本項(xiàng)目在臨界狀態(tài)土力學(xué)框架下，分析了常規(guī)試驗(yàn)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(dòng)態(tài)幅值的關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性。結(jié)合實(shí)際場(chǎng)地土體的受力狀態(tài)和液化過(guò)程分析，提出了非均等固結(jié)條件下飽和砂土液化試驗(yàn)的變圍壓控制方法，對(duì)比分析了常規(guī)動(dòng)三軸、動(dòng)扭剪和變圍壓土體液化試驗(yàn)揭示的不同液化過(guò)程機(jī)理，提出了“持續(xù)液化”的概念，并與常規(guī)試驗(yàn)中的“瞬時(shí)液化”情況進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)非均等固結(jié)條件下飽和砂土液化試驗(yàn)的孔隙水壓力增長(zhǎng)特征，建議了基于統(tǒng)一液化定義的孔隙水壓力增長(zhǎng)模型確定思路。 2100433B

本項(xiàng)目系統(tǒng)地研究了面向CAD的圖形多約束理論、方法及其應(yīng)用，提出了多約束關(guān)系識(shí)別、理解與自組織的三大基本原理，提出了約束關(guān)系自組織的一系列新概念和新方法，提出并實(shí)現(xiàn)了8大基本約束種類(lèi)及其形成的一系列新算法，應(yīng)用圖形多約束理論與方法進(jìn)行工程圖掃描圖象整體識(shí)別，應(yīng)用圖形多約束理論與方法進(jìn)行零件圖裝配圖一體化設(shè)計(jì)，提出并實(shí)現(xiàn)了基于約束關(guān)系自組織的離線參數(shù)化技術(shù)。上述各項(xiàng)研究成果中，應(yīng)用圖形多約束理論與方法進(jìn)行工程圖掃描圖象整體識(shí)別與基于約束關(guān)系自組織的離線參數(shù)化技術(shù)是兩項(xiàng)實(shí)質(zhì)性的突破，已得到學(xué)術(shù)界同行的肯定與認(rèn)可。本項(xiàng)研究在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和學(xué)術(shù)會(huì)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(zāi)行為，本項(xiàng)目開(kāi)展約束作用下混凝土雙向板火災(zāi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析。 試驗(yàn)方面：通過(guò)十塊不同面內(nèi)約束工況混凝土雙向板火災(zāi)試驗(yàn)，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(shí)間變化規(guī)律，觀測(cè)了試驗(yàn)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(jiǎn)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(zāi)下簡(jiǎn)支板不同，單（雙）向面內(nèi)約束板板頂均易出現(xiàn)通長(zhǎng)裂縫，且單（雙）向約束作用傾向于增加試驗(yàn)板豎向變形，原因在于約束作用引起的P-δ效應(yīng)。 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(yàn)板進(jìn)行數(shù)值分析，獲得了幾何(非)線性和混凝土膨脹應(yīng)變對(duì)約束試驗(yàn)板變形、彎矩分布和薄膜機(jī)理影響規(guī)律。此外，通過(guò)參數(shù)分析研究了約束類(lèi)型、約束水平、長(zhǎng)寬比、配筋率和板厚等對(duì)面內(nèi)約束混凝土板溫度場(chǎng)、變形、破壞模式和耐火極限等影響。研究表明，對(duì)任一約束工況，較大混凝土膨脹應(yīng)變導(dǎo)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(fù)彎矩，且不利于板大變形階段受拉薄膜效應(yīng)發(fā)展；約束板火災(zāi)行為取決于約束類(lèi)型、約束水平和長(zhǎng)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(yīng)，提出鋼筋應(yīng)變差概念和應(yīng)變破壞準(zhǔn)則，結(jié)合板塊內(nèi)力平衡方程，建立常溫及火災(zāi)下面內(nèi)約束混凝土雙向板承載力計(jì)算方法。研究表明：鋼筋應(yīng)變差理論所得薄膜效應(yīng)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(guān)參數(shù)。 本項(xiàng)目研究成果可為實(shí)際工程中提高混凝土雙向板抗火性能提供參考。 2100433B