地下開挖面飽和砂土的顆粒流動與開采損失機理

飽和砂土中地下開挖面處的地層損失預(yù)測是環(huán)境保護與風(fēng)險控制的關(guān)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(dāng)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(fù)振動下基于砂土細觀顆粒流的地層移動預(yù)測理論與方法，為地下開挖工程的超前預(yù)報與風(fēng)險控制提供科學(xué)指導(dǎo)。

地下開挖面處的砂土地層的流動與開挖損失預(yù)測是環(huán)境保護與風(fēng)險控制的關(guān)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(dāng)難于評價。在疊加往復(fù)振動條件下，位移中的砂土顆粒受到振動激勵而加速運動，加劇開挖面的水土流失。而砂土拱效應(yīng)又會導(dǎo)致這種地層損失的滯后假象而誤導(dǎo)工程師的判斷，延誤處理時機而致重大災(zāi)害。因此，研究這一課題具有重要的理論與實踐價值。采用宏細觀力學(xué)相結(jié)合，通過地下開挖模擬實驗，研究砂土在振動及多相壓力介質(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；采用基于動態(tài)松弛漸進性破壞有限元與顆粒流數(shù)值模型實驗，分析振動對飽和砂土拱效應(yīng)及削峰效應(yīng)的影響以及地層位移擴展的時效特性；最終建立往復(fù)振動下基于砂土細觀顆粒流的地層移動預(yù)測新理論與新方法，為地下開挖工程的超前預(yù)報與風(fēng)險控制提供科學(xué)指導(dǎo)。

采用散粒介質(zhì)力學(xué)與細觀機理分析方法，通過三軸數(shù)值試驗，模擬在地震荷載作用下飽和砂土液化過程，探討液化過程中狀態(tài)轉(zhuǎn)換面的產(chǎn)生、穩(wěn)態(tài)變形、循環(huán)活動性發(fā)展等的細觀機理。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展一個顆粒-流體耦合的飽和砂土細觀力學(xué)模型，模型中顆粒運動采用散粒介質(zhì)的離散單元方法模擬，流體運動采用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)計算，通過一定的邊界條件實現(xiàn)流固兩相的耦合。采用建立的細觀模型研究飽和砂土液化時土體的局部滲流特性，分析滲透系數(shù)與應(yīng)力、細觀組構(gòu)演化與宏觀應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展之間的定量關(guān)系。在振動模型試驗中引入先進的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字信息計算機實時處理技術(shù)，測量分析飽和砂土液化時土體細觀組構(gòu)參數(shù)的演化規(guī)律，并與數(shù)值結(jié)果進行對比分析。最后根據(jù)上述流體-顆粒耦合細觀模擬、組構(gòu)演化規(guī)律分析以及模型試驗結(jié)果，建立一個基于細觀機理分析的飽和砂土液化模型。 2100433B

強夯在砂土中的加固機理及其動力學(xué)機理的研究一直是土力學(xué)及基礎(chǔ)工程中一個重要的課題。迄今為止，世界各國的研究者做了一定的現(xiàn)場及室內(nèi)實驗來研究強夯在砂土中特別是干砂中的夯實效果及相關(guān)影響參數(shù)。然而，對強夯在飽和砂土中加固機理及其動力學(xué)模型的研究依然缺乏，因此對強夯過程中夯錘與土體相互作用原理、土顆粒之間相互作用機理等的了解非常有限，從而導(dǎo)致強夯設(shè)計的不確定性。本課題擬在申請者相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用室內(nèi)模型實驗及數(shù)值模擬方法繼續(xù)對強夯在飽和砂土中的加固機理和動力學(xué)模型進行系統(tǒng)全面的研究。研究內(nèi)容主要包括建立實驗?zāi)Ｐ汀⒀芯坎⒄莆諒姾患庸虣C理、建立強夯動力學(xué)模型、創(chuàng)建可靠的強夯加固效果預(yù)測模型、進行有效的數(shù)值模擬與分析等。本研究成果可以針對不同強夯情況下夯實效果進行有效的定量化分析并進行相關(guān)質(zhì)量保證和控制（QA/QC），從而達到優(yōu)化強夯設(shè)計理論、保證工程質(zhì)量、減少工程造價、降低工程風(fēng)險的目的。

本項目旨在通過含粉粒夾層的層狀砂土液化可視化動三軸試驗、顆粒流數(shù)值模擬和離心模型試驗驗證，揭示粉粒夾層厚度對層狀砂土液化影響的宏細觀機理，主要研究內(nèi)容包括：（1）利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像變形量測技術(shù)，獲取層狀砂土液化過程中界面處砂粒和粉粒的細觀組構(gòu)特征及其演化規(guī)律；（2）利用離散單元法中的顆粒流理論，在細觀尺度上考慮顆粒離散元與流體動力學(xué)耦合，建立飽和層狀砂土液化細觀數(shù)值模型。(3)利用層狀砂土顆粒流數(shù)值模型，就粉粒夾層厚度對飽和層狀砂土液化特性影響的宏細觀機理進行系統(tǒng)研究，分析宏細觀力學(xué)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，從細觀角度入手探討飽和層狀砂土液化的宏細觀力學(xué)機理，并用離心機試驗對模擬結(jié)果進行驗證。本項目的開展不僅能夠為砂土液化研究提供新思路，提升人們對含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機理的認識，而且還能為砂沸、液化后大變形等現(xiàn)場液化現(xiàn)象提供細觀力學(xué)解釋。