地下开挖面饱和砂土的颗粒流动与开采损失机理

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。

地下开挖面处的砂土地层的流动与开挖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。在叠加往复振动条件下，位移中的砂土颗粒受到振动激励而加速运动，加剧开挖面的水土流失。而砂土拱效应又会导致这种地层损失的滞后假象而误导工程师的判断，延误处理时机而致重大灾害。因此，研究这一课题具有重要的理论与实践价值。采用宏细观力学相结合，通过地下开挖模拟实验，研究砂土在振动及多相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；采用基于动态松弛渐进性破坏有限元与颗粒流数值模型实验，分析振动对饱和砂土拱效应及削峰效应的影响以及地层位移扩展的时效特性；最终建立往复振动下基于砂土细观颗粒流的地层移动预测新理论与新方法，为地下开挖工程的超前预报与风险控制提供科学指导。

采用散粒介质力学与细观机理分析方法，通过三轴数值试验，模拟在地震荷载作用下饱和砂土液化过程，探讨液化过程中状态转换面的产生、稳态变形、循环活动性发展等的细观机理。在此基础上，发展一个颗粒-流体耦合的饱和砂土细观力学模型，模型中颗粒运动采用散粒介质的离散单元方法模拟，流体运动采用计算流体动力学（CFD）技术计算，通过一定的边界条件实现流固两相的耦合。采用建立的细观模型研究饱和砂土液化时土体的局部渗流特性，分析渗透系数与应力、细观组构演化与宏观应力应变发展之间的定量关系。在振动模型试验中引入先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，测量分析饱和砂土液化时土体细观组构参数的演化规律，并与数值结果进行对比分析。最后根据上述流体-颗粒耦合细观模拟、组构演化规律分析以及模型试验结果，建立一个基于细观机理分析的饱和砂土液化模型。 2100433B

强夯在砂土中的加固机理及其动力学机理的研究一直是土力学及基础工程中一个重要的课题。迄今为止，世界各国的研究者做了一定的现场及室内实验来研究强夯在砂土中特别是干砂中的夯实效果及相关影响参数。然而，对强夯在饱和砂土中加固机理及其动力学模型的研究依然缺乏，因此对强夯过程中夯锤与土体相互作用原理、土颗粒之间相互作用机理等的了解非常有限，从而导致强夯设计的不确定性。本课题拟在申请者相关研究的基础上，应用室内模型实验及数值模拟方法继续对强夯在饱和砂土中的加固机理和动力学模型进行系统全面的研究。研究内容主要包括建立实验模型、研究并掌握强夯加固机理、建立强夯动力学模型、创建可靠的强夯加固效果预测模型、进行有效的数值模拟与分析等。本研究成果可以针对不同强夯情况下夯实效果进行有效的定量化分析并进行相关质量保证和控制（QA/QC），从而达到优化强夯设计理论、保证工程质量、减少工程造价、降低工程风险的目的。

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。