零有效应力状态下饱和砂土流动特性及液化大变形的试验研究

There will be zero effective stress state of saturated sand during liquefaction process. The lateral spreading and large deformation of sandy soil under this condition can lead to disastrous consequences to buildings on liquefaction subsoil. Flow characteristics and large deformation tests will be carried out and an analytical method of large deformation of liquefied flow will be established as well with the subjective of saturated sandy soil in zero effective stress state in this project. Initially, the plastic sand of smaller specific gravity and sodium chloride solution of approximately proportion to plastic sand are used in ring shear test as alternatives of sandy soil and water respectively to simulate saturated sand under low effective stress and zero effective stress state. The flow characteristics of sandy soil will be obtained. Secondly, the law of large deformation will be analyzed through physical model tests under low effective stress and zero effective stress state. Ultimately, the constitutive model will be put forwarded based on the theory of fluid mechanics. Research results in this project will enrich and innovate the seismic liquefaction analysis of large deformation, it has important theoretical aspect on clarifying the mechanical properties of liquefied sand in zero effective stress state and revealing the law of large deformation. Above all, it has social significance and practical value on earthquake prevention and disaster mitigation of the seismic liquefaction area.

饱和砂土在液化过程中会出现零有效应力状态，在此状态下砂土会发生流动大变形，造成液化地基上建筑物受损破坏。本项目以零有效应力状态下的饱和砂土为研究对象，开展流动特性及流动大变形试验研究，建立液化流动大变形分析方法。首先，采用比重较小的塑料砂代替普通砂土，采用比重与塑料砂接近的氯化钠溶液代替水，模拟低有效应力状态和零有效应力状态下的饱和砂土，通过开展环剪试验，分析两种状态下砂土的流动特性；其次，开展砂土在低有效应力状态和零有效应力状态下的流动大变形物理模型试验，分析流动大变形发展规律；最后，基于流体力学理论，建立饱和砂土在零有效应力状态下的流动本构模型，通过FLAC3D程序的二次开发，建立液化流动大变形分析方法。研究成果在阐明液化砂土在零有效应力状态下的力学特性及变形机理、揭示液化流动大变形规律方面具有重要的理论意义，对我国广大地震液化地区的防震减灾工具有重要的社会意义和实用价值。

砂土液化是地震中岩土工程构筑物产生破坏的重要原因。饱和砂土在液化过程中会出现零有效应力状态，在此状态下发生流动大变形。本项目以零有效应力状态下的饱和砂土为研究对象，提出了采用比重较小的塑料砂代替普通砂土，采用比重与塑料砂接近的氯化钠溶液代替水，模拟低有效应力状态和零有效应力状态下砂土的新方法，通过室内试验、理论分析和数值模拟等方法，对零有效应力状态下砂土流动变形进行了系统研究。得出了如下创新成果：（1）采用日本丰浦砂及相同级配的塑料砂开展室内静动力试验研究，分析了两种材料在不同试验条件下的力学特性，提出了饱和塑料砂模拟液化状态砂土的适用条件位较松散砂样（Dr=30%左右）和较小有效围压（σ'3c≤50 kPa）。（2）通过开展环剪试验，分析两种状态下砂土的流动特性，发现剪切速率的变化对于饱和悬浮塑料砂的剪切变形有着重要的影响，且当剪应变率增加到一定值时，各级竖向荷载下饱和悬浮塑料砂表观黏度值便趋于一定值。（3）开展砂土在低有效应力状态和零有效应力状态下的流动大变形物理模型试验，发现在零有效应力条件下，上部和下部砂土有相对的侧向运动，形成了液化滑坡的现象。（4）开展了14组离心机振动台模型试验并进行归纳和总结，发现当振动开始后，砂土发生液化，地基内完全液化状态的传播路径为自上向下；当振动结束后，地基内超孔隙水压力的消散路径为自下向上。建立了渗透系数不同的两组预测地基受砂土液化侧向变形影响产生沿竖向断面永久位移曲线的多元回归分析数据库，并提出了一组预测砂土液化侧向变形引起土层永久位移的公式。本项目研究成果丰富并创新了地震液化大变形分析理论，在阐明液化砂土在零有效应力状态下的力学特性及变形机理、揭示液化流动大变形规律等方面具有重要的理论意义，对我国广大地震液化地区的防震减灾工作具有重要的社会意义和实用价值。