砂土中樁端刺入變形產(chǎn)生與發(fā)展的細(xì)觀機(jī)理研究

本項(xiàng)目利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖象變形量測(cè)技術(shù)，進(jìn)行室內(nèi)樁端刺入模型試驗(yàn)，獲取樁端刺入過(guò)程中土體各微細(xì)觀參數(shù)的變化。引入散粒介質(zhì)的顆粒流理論及PFC分析方法，借助其可以模擬大變形問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，克服傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的宏觀連續(xù)性假設(shè)，對(duì)樁端刺入過(guò)程進(jìn)行顆粒流仿真模擬，建立合理的顆粒流數(shù)值仿真模型。探討樁端漸進(jìn)刺入過(guò)程中土體細(xì)觀參數(shù)集與土體強(qiáng)度、位移矢量、速度矢量等宏觀力學(xué)現(xiàn)象之間的聯(lián)系， 2100433B

采用散粒介質(zhì)力學(xué)與細(xì)觀機(jī)理分析方法，通過(guò)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(guò)程，探討液化過(guò)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(guò)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

鑒于自然界的砂土特別是水力沖填形成的砂土，大都為具有一定分選性的層狀結(jié)構(gòu)，本課題利用自動(dòng)數(shù)碼攝像實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖象變形量測(cè)及處理技術(shù)，進(jìn)行了含粉粒夾層飽和層狀砂土地基液化宏細(xì)觀機(jī)理研究，獲取了層狀砂土液化發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中砂粒和粉粒層孔壓變化、砂粒和粉粒接觸層面變化以及相應(yīng)各細(xì)觀參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了相對(duì)弱透水粉粒夾層的存在對(duì)砂土液化宏細(xì)觀特征影響的內(nèi)在規(guī)律。研制了可用于研究散粒體細(xì)觀特征的可視化動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，并利用所研制的可視化動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，從宏細(xì)觀結(jié)合的角度對(duì)單調(diào)和循環(huán)荷載作用下飽和均勻及含粉粒夾層層狀砂土液化的宏觀特性、顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律及細(xì)觀特征進(jìn)行了研究，得到了土體中粉粒層存在對(duì)砂土液化宏細(xì)觀特性影響的基本規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，引入散粒介質(zhì)的顆粒流理論及PFC分析方法，開(kāi)發(fā)了非圓顆粒和基于散體介質(zhì)理論的流體-離散顆粒耦合動(dòng)力分析方法，建立了飽和均勻及層狀砂土液化流固耦合細(xì)觀數(shù)值模型，從離散顆粒和孔隙流體二者之間的相互作用出發(fā)，探討不同厚度粉粒夾層的出現(xiàn)對(duì)層狀砂土液化及液化后變形宏細(xì)觀機(jī)制影響的規(guī)律及細(xì)觀力學(xué)機(jī)理,揭示了含粉粒夾層層狀砂土與均勻砂層液化過(guò)程中宏細(xì)觀特征差異的內(nèi)在原因。通過(guò)自主改裝的可視化動(dòng)力離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，直觀的觀察了層狀砂土液化過(guò)程中砂層與粉粒層界面變化和顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，驗(yàn)證了顆粒流數(shù)值仿真模擬結(jié)果的可靠性。并通過(guò)與均勻砂土液化的比較，分析了不同厚度粉粒夾層對(duì)層狀砂土地基液化特征的影響機(jī)制，獲得了層狀砂土液化過(guò)程中砂土顆粒細(xì)觀組構(gòu)變化與液化宏觀特性的內(nèi)在聯(lián)系，揭示了含粉粒夾層的飽和砂土液化與均勻砂土液化宏細(xì)觀機(jī)理的不同規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理。本項(xiàng)目的研究成果不僅能夠?yàn)閷訝钌巴烈夯卣餮芯刻峁┬滤悸?，提升人們?duì)含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機(jī)理的新認(rèn)識(shí)，而且還能為今后實(shí)際工程中的液化防治及抗震減災(zāi)提供參考。 2100433B

本項(xiàng)目旨在通過(guò)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?jī)?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(guò)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(kāi)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(chǎng)液化現(xiàn)象提供細(xì)觀力學(xué)解釋。