砂土液化大變形的熱力學(xué)機(jī)理與本構(gòu)模型研究結(jié)題摘要

飽和砂土地震液化大變形問題，是巖土工程抗震領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本研究采用非平衡態(tài)熱力學(xué)方法，以飽和砂土為研究對象，構(gòu)建了飽和砂土固液兩相熱力學(xué)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(xué)行為的影響，給出了合理的應(yīng)變能模型，該模型得到的彈性波速表達(dá)式能夠揭示密度和各向異性對波速的影響，同時(shí)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(yàn)對模型參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)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(xué)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(jié)論：a.該模型能夠較好地反映和預(yù)測砂土側(cè)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(gè)穩(wěn)定值。本研究給出了砂土流變行為的熱力學(xué)機(jī)理并標(biāo)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(shí)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(xué)機(jī)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(yīng)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(xué)行為。 2100433B

飽和砂土地震液化大變形問題，是巖土工程抗震領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本研究采用非平衡態(tài)熱力學(xué)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(zhì)，構(gòu)建其熱力學(xué)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(xué)模型參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，標(biāo)定模型參數(shù)；以張建民等的大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再輔助開展一系列復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)和砂土材料聲學(xué)、蠕變試驗(yàn)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的正確性；采用COMSOL Multiphysics 軟件進(jìn)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(xué)行為及其內(nèi)在規(guī)律，發(fā)展和完善計(jì)算模型和方法，以期豐富飽和砂土液化問題的動力學(xué)理論體系，深化其熱力學(xué)理論基礎(chǔ)，為飽和砂土地震液化大變形分析和預(yù)測提供更加系統(tǒng)、全面和科學(xué)的理論依據(jù)。

本項(xiàng)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(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?，提升人們對含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機(jī)理的認(rèn)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(xì)觀力學(xué)解釋。

針對金屬泡沫循環(huán)變形行為實(shí)驗(yàn)研究和本構(gòu)描述方面的不足，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(yīng)力、孔隙率和孔洞結(jié)構(gòu)的影響，揭示其循環(huán)變形變形的內(nèi)在機(jī)理；基于實(shí)驗(yàn)揭示的規(guī)律，在多機(jī)制本構(gòu)模型的框架下，將塑形變形分為基體材料變形和孔洞結(jié)構(gòu)變形兩部分，引入相對密度來反映位孔洞結(jié)構(gòu)對變形行為的影響，建立一個(gè)基于變形機(jī)理的循環(huán)本構(gòu)模型；基于周期性邊界條件，對泡沫鋁壓縮行為進(jìn)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(xué)性能的影響。還對泡沫鋁夾芯板的三點(diǎn)彎行為進(jìn)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(diǎn)彎加載下的脫粘破壞行為進(jìn)行了模擬和討論。研究成果將完善泡沫金屬材料的力學(xué)性能研究，對于促進(jìn)泡沫金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。