松散砂土静态液化失稳机理的模型试验及离散元模拟

饱和松散土体往往会发生静态液化（扩散性失稳）现象，造成边坡等发生流滑灾害。本研究针对松散砂土等离散介质的特性，采用离散元方法模拟和理论推导等研究砂土的静态液化等宏观力学特性，以及其微观机理。主要研究内容和成果包括：（1）利用离散元方法模拟室内单元试验，并研究土体微观结构在剪切过程中的演化，建立微观结构和土体宏观力学行为的内在联系，从根本上阐释静态液化失稳的机理。离散元模拟研究结果表明：砂土的宏观力学有很强的状态相关（包括初始围压和孔隙比）特性，饱和松散砂土才会出现静态液化现象。土体的微观结构决定着土体的宏观力学特性，特别是颗粒接触配位数和接触法向的分布。静态液化发生时，颗粒的接触配位数为4.0左右，然后突然降为0，表示砂土结构的崩解。同时砂土的微观结构也存在临界状态线，跟土体的宏观临界状态线相对应。（2）研究了边坡渐进破坏过程中剪切带的形成和发展，研究结果表明：剪切带从加载初期许多的细微潜在剪切带发展而来。剪切带中土体由于强剪胀性而导致大孔隙结构，伴随着很大的颗粒累积转动位移。（3）研究了影响土体初始应力状态（静止土压力系数K0）的主要因素，研究表明土体的K0跟土体的颗粒接触配位数存在着本质联系。（4）推导了基于推导的离散介质中的Hill稳定条件，研究了土体初始应力状态对土体失稳的影响。研究结果表明：系统二阶功的减小量约为系统动能的增量。在不等向应力（或者有偏应力）条件下，二阶功跟应变路径角度有明显的相关性。只有应变方向处于失稳域（一般分布角度为130°-190°）中，试样才会发生失稳。砂土试样失稳的微观表现形式是系统动能的突然性爆发式增加，表明了Hill稳定条件在离散介质中的适用性。 2100433B

饱和松散土体往往会发生静态液化（扩散性失稳）现象，造成边坡等发生流滑灾害。本研究针对松散砂土等离散介质的特性，采用离散元方法模拟静态液化的室内单元试验，研究土体微观结构在剪切过程中的演化，建立微观结构和土体宏观力学行为的内在联系，从根本上阐释静态液化失稳的机理，为准确判别砂土静态液化的可能性提供先决条件；基于微观力学，将连续介质理论中的Hill稳定条件推导扩展到离散介质中，为判别松散砂土失稳提供理论依据；通过模型试验，采用数字照相技术研究边坡失稳过程中应力、应变的发展，研究基于颗粒运动的边坡失稳渐进过程，并用离散元对模型试验进行模拟；基于推导的离散介质中的Hill稳定条件，对模型试验的边坡进行稳定分析，并与模型试验的结果进行对比，探讨Hill稳定条件判别扩散性失稳的合理性。本研究对揭示土体静态液化的机理和准确判别土体静态液化失稳提供基础性理论依据，对避免滑坡等灾害的发生有重要意义。

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

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。