土與土工合成材料共同作用的宏細(xì)觀機(jī)理研究

本項(xiàng)目的研究旨在加筋土體模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字圖像細(xì)觀量測(cè)與處理技術(shù)，結(jié)合顆粒流數(shù)值仿真模擬和離心機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證相融合的技術(shù)，從細(xì)觀層面揭示土工合成材料與土界面的宏細(xì)觀的內(nèi)在機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）通過(guò)觀察模型試驗(yàn)中加筋體與鄰近土顆粒間和剪切破壞帶在荷載傳遞過(guò)程中土體顆粒微細(xì)觀的變化，揭示土工合成材料與土界面的宏細(xì)觀規(guī)律（2）采用非圓形顆粒，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行細(xì)觀數(shù)值模擬，建立土體和加筋材料接觸面細(xì)觀數(shù)值模型，獲取相應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)。研究土工合成材料與土相互作用細(xì)觀與宏觀力學(xué)之間的關(guān)系。（3）對(duì)加筋土離心機(jī)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行顆粒流仿真模擬，分別比較從數(shù)值模擬和離心機(jī)試驗(yàn)得到加筋材料的應(yīng)力應(yīng)變和加筋土體位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，驗(yàn)證顆粒流仿真模型。本項(xiàng)目研究成果不僅能為加筋界面特性機(jī)理的研究提供新的思路，而且還能為加筋土工結(jié)構(gòu)滑移、破壞與穩(wěn)定分析等實(shí)際工程提供細(xì)觀力學(xué)解釋。 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┬滤悸罚嵘藗儗?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┬滤悸罚嵘藗儗?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。

本項(xiàng)目利用先進(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)，進(jìn)行堤壩的滲透模型試驗(yàn)，攝錄土顆粒的移動(dòng)軌跡，確定形成管涌的臨界參數(shù)?；谏Ⅲw介質(zhì)顆粒流理論及其分析方法等細(xì)觀力學(xué)手段，分析滲流與土介質(zhì)的共同作用及滲流的貼壁擠土效應(yīng)，深入研究管涌形成過(guò)程的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。建立關(guān)于管涌形成和發(fā)展規(guī)律的細(xì)觀理論模型，利用并開(kāi)發(fā)PFC2D軟件對(duì)管涌形成與發(fā)展過(guò)程中土顆粒的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行細(xì)觀仿真模擬。結(jié)合堤防工程的管涌險(xiǎn)情實(shí)例進(jìn)行分析研究，為管涌險(xiǎn)情的預(yù)測(cè)和治理提供參考意見(jiàn)。本研究成果對(duì)防洪減災(zāi)具有重要意義。 2100433B