砂土液化大變形的熱力學機理與本構模型研究

飽和砂土地震液化大變形問題，是巖土工程抗震領域研究的重點和難點之一。本研究采用非平衡態(tài)熱力學方法，以飽和砂土為研究對象，構建了飽和砂土固液兩相熱力學理論框架，得到了砂土液化大變形行為的控制偏微分方程組。研究了自由能參數(shù)和耗散參數(shù)對飽和砂土力學行為的影響，給出了合理的應變能模型，該模型得到的彈性波速表達式能夠揭示密度和各向異性對波速的影響，同時能夠反映各向異性條件下剪切波的劈裂現(xiàn)象，并通過聲速試驗對模型參數(shù)進行了標定；分析了砂土材料蠕變和松弛行為，通過非平衡態(tài)熱力學基本框架，給出了研究砂土材料的流變行為的簡化模型，得到了如下結論：a.該模型能夠較好地反映和預測砂土側限壓縮和各向同性壓縮條件下的蠕變和松弛行為；b.砂土在外力加載過程中，顆粒熵（顆粒溫度）被激發(fā)不斷增大直至穩(wěn)定值，在停止加載后的流變過程中，顆粒熵（顆粒溫度）逐漸衰減，排除外界擾動引發(fā)的顆粒熵波動，理論上最終衰減為零；c.顆粒熵衰減過程，伴隨著顆粒溫度引起的彈性弛豫，引發(fā)的不可逆變形宏觀上表現(xiàn)為砂土的流變行為，隨著顆粒熵衰減到零，理論上流變最終停止在一個穩(wěn)定值。本研究給出了砂土流變行為的熱力學機理并標定了耗散模型參數(shù)，可以為砂土流變行為的研究和工程實踐提供理論依據(jù)。初步揭示了飽和砂土液化大變形行為的熱力學機理，飽和砂土在循環(huán)剪切作用下，砂土顆粒熵（顆粒溫度）被持續(xù)激發(fā)，顆粒溫度引發(fā)的不可逆體積變形、球應力壓縮體積變形以及剪切引起的可逆體積變形共同作用，控制了飽和砂土液化后大變形力學行為。 2100433B

飽和砂土地震液化大變形問題，是巖土工程抗震領域研究的重點和難點之一。本研究采用非平衡態(tài)熱力學方法，以飽和砂土為研究對象。首先，將飽和砂土簡化為固液兩相連續(xù)介質，構建其熱力學理論框架，得到砂土液化大變形行為的控制偏微分方程組；其次，探索合理的自由能和遷移系數(shù)模型，再現(xiàn)砂土液化大變形的基本規(guī)律，建立其與熱力學模型參數(shù)之間的內在聯(lián)系，標定模型參數(shù)；以張建民等的大量的試驗數(shù)據(jù)為基礎，再輔助開展一系列復雜應力路徑試驗和砂土材料聲學、蠕變試驗，檢驗模型參數(shù)的正確性；采用COMSOL Multiphysics 軟件進行砂土地基震動液化行為分析。旨在探究和揭示不同條件下的砂土動力學行為及其內在規(guī)律，發(fā)展和完善計算模型和方法，以期豐富飽和砂土液化問題的動力學理論體系，深化其熱力學理論基礎，為飽和砂土地震液化大變形分析和預測提供更加系統(tǒng)、全面和科學的理論依據(jù)。

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，主要研究內容包括：（1）利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術和數(shù)字圖像變形量測技術，獲取層狀砂土液化過程中界面處砂粒和粉粒的細觀組構特征及其演化規(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，分析宏細觀力學量之間的內在聯(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機理，并用離心機試驗對模擬結果進行驗證。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)象提供細觀力學解釋。

針對金屬泡沫循環(huán)變形行為實驗研究和本構描述方面的不足，通過系統(tǒng)的實驗研究，了解材循環(huán)過程中的變形行為特征和演化規(guī)律，并討論加載應力、孔隙率和孔洞結構的影響，揭示其循環(huán)變形變形的內在機理；基于實驗揭示的規(guī)律，在多機制本構模型的框架下，將塑形變形分為基體材料變形和孔洞結構變形兩部分，引入相對密度來反映位孔洞結構對變形行為的影響，建立一個基于變形機理的循環(huán)本構模型；基于周期性邊界條件，對泡沫鋁壓縮行為進行有限元模擬，討論了孔隙率、孔的形狀、孔的分布對泡沫鋁力學性能的影響。還對泡沫鋁夾芯板的三點彎行為進行了有限元模擬，對泡沫鋁拉壓彈性模量差異對夾芯板變形行為的影響和粘合夾芯板在三點彎加載下的脫粘破壞行為進行了模擬和討論。研究成果將完善泡沫金屬材料的力學性能研究，對于促進泡沫金屬結構件的設計和應用具有重要意義。