含粉粒夹层饱和层状砂土液化的宏细观机理研究

本项目旨在通过含粉粒夹层的层状砂土液化可视化动三轴试验、颗粒流数值模拟和离心模型试验验证，揭示粉粒夹层厚度对层状砂土液化影响的宏细观机理，主要研究内容包括：（1）利用显微数码摄像可视化跟踪技术和数字图像变形量测技术，获取层状砂土液化过程中界面处砂粒和粉粒的细观组构特征及其演化规律；（2）利用离散单元法中的颗粒流理论，在细观尺度上考虑颗粒离散元与流体动力学耦合，建立饱和层状砂土液化细观数值模型。(3)利用层状砂土颗粒流数值模型，就粉粒夹层厚度对饱和层状砂土液化特性影响的宏细观机理进行系统研究，分析宏细观力学量之间的内在联系，从细观角度入手探讨饱和层状砂土液化的宏细观力学机理，并用离心机试验对模拟结果进行验证。本项目的开展不仅能够为砂土液化研究提供新思路，提升人们对含粉粒夹层饱和层状砂土液化机理的认识，而且还能为砂沸、液化后大变形等现场液化现象提供细观力学解释。

鉴于自然界的砂土特别是水力冲填形成的砂土，大都为具有一定分选性的层状结构，本课题利用自动数码摄像实时跟踪技术和数字图象变形量测及处理技术，进行了含粉粒夹层饱和层状砂土地基液化宏细观机理研究，获取了层状砂土液化发生和发展过程中砂粒和粉粒层孔压变化、砂粒和粉粒接触层面变化以及相应各细观参数的变化规律，揭示了相对弱透水粉粒夹层的存在对砂土液化宏细观特征影响的内在规律。研制了可用于研究散粒体细观特征的可视化动三轴试验系统，并利用所研制的可视化动三轴试验系统，从宏细观结合的角度对单调和循环荷载作用下饱和均匀及含粉粒夹层层状砂土液化的宏观特性、颗粒运动规律及细观特征进行了研究，得到了土体中粉粒层存在对砂土液化宏细观特性影响的基本规律。在此基础上，引入散粒介质的颗粒流理论及PFC分析方法，开发了非圆颗粒和基于散体介质理论的流体-离散颗粒耦合动力分析方法，建立了饱和均匀及层状砂土液化流固耦合细观数值模型，从离散颗粒和孔隙流体二者之间的相互作用出发，探讨不同厚度粉粒夹层的出现对层状砂土液化及液化后变形宏细观机制影响的规律及细观力学机理,揭示了含粉粒夹层层状砂土与均匀砂层液化过程中宏细观特征差异的内在原因。通过自主改装的可视化动力离心模型试验系统，直观的观察了层状砂土液化过程中砂层与粉粒层界面变化和颗粒细观结构变化，验证了颗粒流数值仿真模拟结果的可靠性。并通过与均匀砂土液化的比较，分析了不同厚度粉粒夹层对层状砂土地基液化特征的影响机制，获得了层状砂土液化过程中砂土颗粒细观组构变化与液化宏观特性的内在联系，揭示了含粉粒夹层的饱和砂土液化与均匀砂土液化宏细观机理的不同规律及内在机理。本项目的研究成果不仅能够为层状砂土液化特征研究提供新思路，提升人们对含粉粒夹层饱和层状砂土液化机理的新认识，而且还能为今后实际工程中的液化防治及抗震减灾提供参考。