饱和砂土剪切吸水流滑的物理规律和数学描述结题摘要

在地震作用下，由中密至密实的饱和砂土构成的成层饱和砂土倾斜地基或边坡会发生一种特殊的延迟滑动变形破坏现象，即破坏不是发生在惯性力作用的地震过程中，而是发生在地震结束后的某一时段。现有的基于不排水条件的边坡稳定性评价方法不能解释中密到密实的剪胀性砂土边坡出现流滑破坏的现象，更不能模拟边坡破坏的延迟时间效应。 针对上述问题，本项目主要在以下方面取得了进展：（1）设计开发了一套控制剪切吸水速率的三轴试验系统和大剪切变形作用下土的渗透性测试系统，以模拟边坡中土单元在地震后超静孔隙水压力扩散转移过程中的典型应力路径；（2）系统进行了标准砂在流滑应力路径下的剪切试验，观察得到了土单元在流滑过程中的吸水率与剪应变的相互影响规律；（3）从边值问题中孔隙水压力扩散转移过程以及土单元的应力应变响应的角度，揭示了剪胀性砂土边坡地震后延迟变形的内在机理；（4）在揭示的机理的基础上，基于状态剪胀理论，建立了剪切吸水条件下饱和砂土的本构模型和数值算法；（5）给出了由吸水体变预测流滑剪应变的实用图表，建立了预测饱和砂土边坡地震后流滑变形的简化计算方法和复杂边界条件下的有限元计算方法；（6）利用发展的计算方法分析了土的物理性质、具体边值条件对边坡流滑变形的影响规律。本项目的研究成果可用于剪胀性砂土边坡的地震安全性评价和加固设计。 另外，本项研制的设备还可用于复杂应力路径下的土的变形特性测试，在本项目中相关设备和理论也应用于击实膨胀土的胀缩变形以及路基在交通荷载下的变形计算，取得了一些研究成果。 2100433B

震害调查和室内模型试验表明：即使是剪胀性砂土构成的边坡或地基（具有驱动剪应力）也可能产生流滑破坏，这种破坏与超静孔隙水压力的扩散和转移导致的局部砂土在剪切过程中吸水变松有关。现有的基于不排水条件的边坡稳定性评价方法不能解释中密到密实的剪胀性砂土边坡出现流滑破坏的现象。该问题虽然已得到岩土工程领域的广泛共识，成为土工抗震领域研究的新热点，但是目前还未取得重要突破。.本项目拟通过控制剪切吸水率的三轴试验来再现饱和砂土在剪切吸水条件下的力学响应，探究饱和砂土在剪切吸水条件下的应力应变特征和强度变化的规律性，揭示剪胀性饱和砂土在自然排水条件下流滑的物理机制，建立能够描述饱和砂土剪切吸水条件下应力应变行为的本构模型，提出一套能够用于自然排水条件下流滑相关边值问题的稳定性评价方法。

饱和砂土中地下开挖面处的地层损失预测是环境保护与风险控制的关键。而饱和砂土地层开挖面的不稳定特性和破坏脆性决定其在地下工程中产生的地层损失相当难于评价。本研究通过动三轴试验，分析了典型动荷载作用下砂土的动力特性变化规律；通过理论分析，建立了不同支护模式下盾构隧道开挖面稳定性和基于颗粒流椭球体理论的砂土中隧道松动区与松动土压力计算方法；使用离散元数值方法研究了砂性地层颗粒接触及流动特性对土压平衡盾构开挖面稳定性和地层损失的影响规律及机理；通过地下开挖模拟实验，研究对比砂土在振动与非振动、液相传递压力介质支护条件下开挖面的颗粒流动与地层移动规律，分析地层损失机理；初步建立往复振动下基于砂土细观颗粒流的地层移动预测理论与方法，为地下开挖工程的超前预报与风险控制提供科学指导。

粉砂或细砂地基在静荷载作用下常具有较高的强度。但是当振动荷载(地震、机械振　动等)作用时，饱和松散砂土地基则有可能产生液化或大量震陷变形，甚至丧失承载力。这是因为土颗粒松散排列并在外部动力作用下使颗粒的位置产生错位，以达到新的平衡，瞬间产生较高的超静孔隙水压力，有效应力迅速降低。对这种地基进行处理的目的就是使它变得较为密实，消除在动荷载作用下产生液化的可能性。常用的处理方法有挤出法、振冲法等。