地下開挖面飽和砂土的顆粒流動(dòng)與開采損失機(jī)理中文摘要

地下開挖面處的砂土地層的流動(dòng)與開挖損失預(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)。在疊加往復(fù)振動(dòng)條件下，位移中的砂土顆粒受到振動(dòng)激勵(lì)而加速運(yùn)動(dòng)，加劇開挖面的水土流失。而砂土拱效應(yīng)又會(huì)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(shí)機(jī)而致重大災(zāi)害。因此，研究這一課題具有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值。采用宏細(xì)觀力學(xué)相結(jié)合，通過地下開挖模擬實(shí)驗(yàn)，研究砂土在振動(dòng)及多相壓力介質(zhì)支護(hù)條件下開挖面的顆粒流動(dòng)與地層移動(dòng)規(guī)律，分析地層損失機(jī)理；采用基于動(dòng)態(tài)松弛漸進(jìn)性破壞有限元與顆粒流數(shù)值模型實(shí)驗(yàn)，分析振動(dòng)對(duì)飽和砂土拱效應(yīng)及削峰效應(yīng)的影響以及地層位移擴(kuò)展的時(shí)效特性；最終建立往復(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)新理論與新方法，為地下開挖工程的超前預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)控制提供科學(xué)指導(dǎo)。

飽和砂土中地下開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；通過理論分析，建立了不同支護(hù)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(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)開挖面穩(wěn)定性和地層損失的影響規(guī)律及機(jī)理；通過地下開挖模擬實(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)。

采用散粒介質(zhì)力學(xué)與細(xì)觀機(jī)理分析方法，通過三軸數(shù)值試驗(yàn)，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(dòng)性發(fā)展等的細(xì)觀機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展一個(gè)顆粒-流體耦合的飽和砂土細(xì)觀力學(xué)模型，模型中顆粒運(yùn)動(dòng)采用散粒介質(zhì)的離散單元方法模擬，流體運(yùn)動(dòng)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)計(jì)算，通過一定的邊界條件實(shí)現(xiàn)流固兩相的耦合。采用建立的細(xì)觀模型研究飽和砂土液化時(shí)土體的局部滲流特性，分析滲透系數(shù)與應(yīng)力、細(xì)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(dòng)模型試驗(yàn)中引入先進(jìn)的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字信息計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理技術(shù)，測(cè)量分析飽和砂土液化時(shí)土體細(xì)觀組構(gòu)參數(shù)的演化規(guī)律，并與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。最后根據(jù)上述流體-顆粒耦合細(xì)觀模擬、組構(gòu)演化規(guī)律分析以及模型試驗(yàn)結(jié)果，建立一個(gè)基于細(xì)觀機(jī)理分析的飽和砂土液化模型。 2100433B

強(qiáng)夯在砂土中的加固機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)機(jī)理的研究一直是土力學(xué)及基礎(chǔ)工程中一個(gè)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(shí)驗(yàn)來研究強(qiáng)夯在砂土中特別是干砂中的夯實(shí)效果及相關(guān)影響參數(shù)。然而，對(duì)強(qiáng)夯在飽和砂土中加固機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)模型的研究依然缺乏，因此對(duì)強(qiáng)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(jī)理等的了解非常有限，從而導(dǎo)致強(qiáng)夯設(shè)計(jì)的不確定性。本課題擬在申請(qǐng)者相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方法繼續(xù)對(duì)強(qiáng)夯在飽和砂土中的加固機(jī)理和動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究。研究內(nèi)容主要包括建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、研究并掌握?qiáng)夯加固機(jī)理、建立強(qiáng)夯動(dòng)力學(xué)模型、創(chuàng)建可靠的強(qiáng)夯加固效果預(yù)測(cè)模型、進(jìn)行有效的數(shù)值模擬與分析等。本研究成果可以針對(duì)不同強(qiáng)夯情況下夯實(shí)效果進(jìn)行有效的定量化分析并進(jìn)行相關(guān)質(zhì)量保證和控制（QA/QC），從而達(dá)到優(yōu)化強(qiáng)夯設(shè)計(jì)理論、保證工程質(zhì)量、減少工程造價(jià)、降低工程風(fēng)險(xiǎn)的目的。

本項(xiàng)目旨在通過含粉粒夾層的層狀砂土液化可視化動(dòng)三軸試驗(yàn)、顆粒流數(shù)值模擬和離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證，揭示粉粒夾層厚度對(duì)層狀砂土液化影響的宏細(xì)觀機(jī)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(cè)技術(shù)，獲取層狀砂土液化過程中界面處砂粒和粉粒的細(xì)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(xì)觀尺度上考慮顆粒離散元與流體動(dòng)力學(xué)耦合，建立飽和層狀砂土液化細(xì)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(duì)飽和層狀砂土液化特性影響的宏細(xì)觀機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析宏細(xì)觀力學(xué)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，從細(xì)觀角度入手探討飽和層狀砂土液化的宏細(xì)觀力學(xué)機(jī)理，并用離心機(jī)試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本項(xiàng)目的開展不僅能夠?yàn)樯巴烈夯芯刻峁┬滤悸?，提升人們?duì)含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機(jī)理的認(rèn)識(shí)，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(xì)觀力學(xué)解釋。