砂土液化大变形的热力学机理与本构模型研究

饱和砂土地震液化大变形问题，是岩土工程抗震领域研究的重点和难点之一。本研究采用非平衡态热力学方法，以饱和砂土为研究对象，构建了饱和砂土固液两相热力学理论框架，得到了砂土液化大变形行为的控制偏微分方程组。研究了自由能参数和耗散参数对饱和砂土力学行为的影响，给出了合理的应变能模型，该模型得到的弹性波速表达式能够揭示密度和各向异性对波速的影响，同时能够反映各向异性条件下剪切波的劈裂现象，并通过声速试验对模型参数进行了标定；分析了砂土材料蠕变和松弛行为，通过非平衡态热力学基本框架，给出了研究砂土材料的流变行为的简化模型，得到了如下结论：a.该模型能够较好地反映和预测砂土侧限压缩和各向同性压缩条件下的蠕变和松弛行为；b.砂土在外力加载过程中，颗粒熵（颗粒温度）被激发不断增大直至稳定值，在停止加载后的流变过程中，颗粒熵（颗粒温度）逐渐衰减，排除外界扰动引发的颗粒熵波动，理论上最终衰减为零；c.颗粒熵衰减过程，伴随着颗粒温度引起的弹性弛豫，引发的不可逆变形宏观上表现为砂土的流变行为，随着颗粒熵衰减到零，理论上流变最终停止在一个稳定值。本研究给出了砂土流变行为的热力学机理并标定了耗散模型参数，可以为砂土流变行为的研究和工程实践提供理论依据。初步揭示了饱和砂土液化大变形行为的热力学机理，饱和砂土在循环剪切作用下，砂土颗粒熵（颗粒温度）被持续激发，颗粒温度引发的不可逆体积变形、球应力压缩体积变形以及剪切引起的可逆体积变形共同作用，控制了饱和砂土液化后大变形力学行为。 2100433B

饱和砂土地震液化大变形问题，是岩土工程抗震领域研究的重点和难点之一。本研究采用非平衡态热力学方法，以饱和砂土为研究对象。首先，将饱和砂土简化为固液两相连续介质，构建其热力学理论框架，得到砂土液化大变形行为的控制偏微分方程组；其次，探索合理的自由能和迁移系数模型，再现砂土液化大变形的基本规律，建立其与热力学模型参数之间的内在联系，标定模型参数；以张建民等的大量的试验数据为基础，再辅助开展一系列复杂应力路径试验和砂土材料声学、蠕变试验，检验模型参数的正确性；采用COMSOL Multiphysics 软件进行砂土地基震动液化行为分析。旨在探究和揭示不同条件下的砂土动力学行为及其内在规律，发展和完善计算模型和方法，以期丰富饱和砂土液化问题的动力学理论体系，深化其热力学理论基础，为饱和砂土地震液化大变形分析和预测提供更加系统、全面和科学的理论依据。

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。

针对金属泡沫循环变形行为实验研究和本构描述方面的不足，通过系统的实验研究，了解材循环过程中的变形行为特征和演化规律，并讨论加载应力、孔隙率和孔洞结构的影响，揭示其循环变形变形的内在机理；基于实验揭示的规律，在多机制本构模型的框架下，将塑形变形分为基体材料变形和孔洞结构变形两部分，引入相对密度来反映位孔洞结构对变形行为的影响，建立一个基于变形机理的循环本构模型；基于周期性边界条件，对泡沫铝压缩行为进行有限元模拟，讨论了孔隙率、孔的形状、孔的分布对泡沫铝力学性能的影响。还对泡沫铝夹芯板的三点弯行为进行了有限元模拟，对泡沫铝拉压弹性模量差异对夹芯板变形行为的影响和粘合夹芯板在三点弯加载下的脱粘破坏行为进行了模拟和讨论。研究成果将完善泡沫金属材料的力学性能研究，对于促进泡沫金属结构件的设计和应用具有重要意义。