饱和砂土液化后流动特性试验与大变形分析方法研究

本项目以"5.12"四川汶川地震后我国广大地震液化地区的防震减灾需求为背景，鉴于当前缺乏对饱和砂土液化后流动特性的认识，开展基于流体力学理论的饱和砂土液化后流动特性试验研究，分析液化后砂土的流体类型，建立流动本构模型和大变形分析方法。首先，利用自行设计的试验装置，开展饱和砂土液化后流动特性试验，得出"零有效应力状态"和"非零有效应力状态"下砂土的流动变形规律；然后基于流体力学理论，建立饱和砂土液化后流动本构模型，并确定液化后砂土的流体类型；再将建立的流动本构模型开发到岩土工程专业程序FLAC3D中，根据典型震害的模拟，对模型进行验证和修正，最终建立正确、有效的饱和砂土液化后流动大变形分析方法。研究成果将丰富并创新地震液化机理和变形分析理论，对阐明饱和砂土液化后的流体类型、揭示液化后流动大变形规律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。

本项目以“5.12”四川汶川地震后我国广大地震液化地区的防震减灾需求为背景，鉴于当前缺乏对饱和砂土液化后流动特性的认识，开展基于流体力学理论的饱和砂土液化后流动特性试验研究，分析液化后砂土的流体类型，建立流动本构模型和大变形分析方法。.（1）基于流体力学中的落球试验原理，设计了一套可以测定液化后砂土流动特性的小型振动台试验装置。进行了一系列液化砂土流动特性试验，试验中考虑了钢球的直径、运动的速度、砂土的超孔压比的影响。试验结果表明，在零有效应力状态下，液化砂土也呈现出剪切稀化非牛顿流体的特性，在非零有效应力状态下，液化后砂土的表观动力粘度随着孔压比的降低而逐渐增大。试验结果与空心圆柱试样的饱和砂土液化后大变形扭剪试验结果相一致，证实了液化砂土是一种非牛顿流体的结论。.（2）根据砂土液化后在零有效应力状态下是剪切稀化非牛顿流体的特点，用幂律函数拟合了零有效应力状态下的剪应力‐剪应变率关系；在非零有效应力状态下，砂土的表观动力粘度是超孔压比的单值函数，用幂律函数来描述表观动力粘度的对数与超孔压比之间的关系，得到了液化后砂土的流动本构模型，并利用广义剪应力和流动剪应变率的概念将流动本构模型推广到三维情形。.（3）将零有效应力状态下的液化后流动本构模型在FLAC3D中进行了开发实现，生成了可以描述砂土液化后流动状态下变形的Liquefy模型，并基于FLAC3D建立了液化流动大变形的简化分析方法。利用该简化方法对小型振动台的液化变形试验进行了模拟，结果表明液化层水平位移主要发生在液化开始的前一段时间，随着液化时间的增长，变形发展的速率逐渐减小。数值模拟结果与Towhata进行的振动台试验结果相一致。.（4）基于本项目得到的液化后流动特性本构模型，对FLAC3D中的Finn模型进行改进，使其能够考虑液化后零有效应力状态及非零有效应力状态的流动特性，生成了可以反映液化状态下砂土的流动变形以及液化后土体强度的恢复建立了耦合的PL-Finn模型，并建立了液化后大变形的完全耦合非线性动力分析方法。对日本阪神地震中Kobe沉箱式码头的震害现象进行了数值模拟，计算结果表明，沉箱后侧的回填砂土在地震作用过程中发生了大面积液化，使得沉箱发生了较大的水平位移和沉降，计算结果同震害调查的结果基本一致，从而验证了本项目开发的PL-Finn模型在复杂岩土工程分析中的适用性。