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。 （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。

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。

采用中型三轴仪，设计了适合研究饱和砂砾料液化后静力再加载的变形特性的试验方法，考察了相对密度、初始有效固结压力、液化安全率和循环动应力比等因素对饱和砂砾料液化后静力再加载变形特性的影响。结果表明：饱和砂砾料液化后静力再加载时其应力～应变关系与未经振动荷载作用的试样明显不同，可分为三个阶段：模量恢复段、模量稳定段和塑性流动变形阶段。相对于饱和砂土而言，砂砾料液化后不存在很大应变范围内抗剪强度近乎为零的现象。提出了确定液化后静力再加载试验曲线特征物理量的方法，该方法避免了确定特征物理量的随意性带来的主观误差，保证了物理量之间关系分析的准确性。基于试验结果，建立了可综合考虑初始有效固结压力、液化安全率和抗液化应力比等影响因素的饱和砂砾料液化后静力再加载应力～应变关系的三直线模型，并给出了参数确定方法。将模型添加到有限元程序中，对理想砂砾料坝进行了液化后变形分析，验证了模型的数值分析可行性。 2100433B

本书是一本系统介绍水泵与泵站流动理论、分析方法和最新研究成果的著作。内容包括水泵与泵站粘性流动基本解法、三维造型和网格生成技术、瞬态流动与多相流动计算模型、流固耦合理论和分析方法。本书内容实用、重点突出、结构新颖、图文并茂。所有成果均来自于作者多年从事水泵与泵站教学和科研实践，算例全部选自实际泵站工程。对指导水泵设计、优化泵站结构、评估现有泵站性能，具有重要参考价值。

本书适合于流体机械、水利工程、城市给排水工程、化工工程、能源动力工程等领域的科研人员和工程技术人员参考，也适合作为高等院校水利类、能源动力类和流体力学类专业本科生和研究生教学参考书。

本书获得国家科学技术学术著作出版基金资助项目的资助。

砂砾料具有渗透系数较大、压缩性低、抗剪强度和变形模量高以及施工易压实等诸多优良工程特性，因而被广泛应用于人工填海、大坝填筑和高速公路的路基填筑。以往液化后问题的研究主要是针对饱和砂土和粉土进行的，对于砂砾土液化后变形与强度特性的研究尚不多见。本项目拟运用自行研制的高精度中型动三轴仪，研究饱和砂砾土液化后单调加载变形与强度特性。以强度恢复转折点应变、不同阶段模量和残余强度为着力点，总结饱和砂砾土液化后变形与强度发展的宏观规律；采用颗粒流方法对三轴试验进行数值模拟，研究砂砾土液化后单调加载过程中颗粒的接触、旋转、滑移、重组以及孔隙水压力的演化规律，探明饱和砂砾土液化后变形的细观机理；建立饱和砂砾土液化后实用非线性应力应变模型，借鉴商用液化后变形分析程序ALID的思路，将本项研究建议的饱和砂砾土液化后应力应变模型引入课题组自行开发的有限元程序中，为砂砾土场地和地基的地震液化后应力变形分析提供依据