侧限约束条件下的砂土液化机理试验研究及其理论分析

地基液化是工程结构地震破坏的重要原因之一。1964年日本新泻地震和美国的阿拉斯加地震中发生了大量的场地液化引起的砂沸、地基承载力丧失、不均匀沉陷、边坡流滑等灾难性的破坏。此后地震液化问题广泛引起学术界和工程界的重视，学者们针对砂土液化开展了大量的研究工作。室内试验是饱和砂土液化研究不可或缺的手段，也是揭示地震液化机理的重要手段。除大型振动台和离心振动台试验外，国内外很多学者也利用动单剪仪、动三轴仪、动扭剪仪及竖向-扭剪耦合剪切仪开展了大量的试验研究，探讨了其液化机理、孔隙水压力发展模式、抗液化强度及其影响因素等，并将室内试验得到的孔隙水压力计算公式、抗液化强度等结果直接用于实际场地液化评价中。而已有常规动三轴、动扭剪试验研究表明，非均等固结条件下饱和砂土的液化状态、极限孔压与固结比、循环动载幅值相关，小幅循环动载作用下常不能实现土体液化过程模拟，这与某些实际场地在小幅动载作用下产生的土体液化情况不符，也为土体抗液化能力和孔压增长评价带来了不确定性。 本项目在临界状态土力学框架下，分析了常规试验中非均等固结条件下饱和砂土液化状态与固结比、循环动态幅值的关系，并通过试验验证了其正确性。结合实际场地土体的受力状态和液化过程分析，提出了非均等固结条件下饱和砂土液化试验的变围压控制方法，对比分析了常规动三轴、动扭剪和变围压土体液化试验揭示的不同液化过程机理，提出了“持续液化”的概念，并与常规试验中的“瞬时液化”情况进行了比较。在此基础上，针对非均等固结条件下饱和砂土液化试验的孔隙水压力增长特征，建议了基于统一液化定义的孔隙水压力增长模型确定思路。 2100433B

近些年全球范围内频繁发生地震，砂土液化现象作为地震灾害的一种主要形式，常常会引起建筑物基础的不均匀沉降及结构的破坏，造成严重灾害和人员伤亡，给人类带来巨大灾难，尤其是2011年2月发生的新西兰6.3级地震造成了罕见的大面积液化，使人们重新认识到土体液化问题的复杂性和深入研究的必要性。关于土体液化问题在室内一般采用常规动态三轴或动态扭剪等实验手段，但其结果往往无法解释实际液化现象。主要原因在于室内试验土单元的应力状态和实际土体应力状态并不一致。.本项研究拟联合运用先进土工试验、理论分析与数值计算等技术手段，以利用室内小尺寸单元试验探讨土体在侧限条件下的液化特性为主线，研究土体初始应力状态和应力重分布对动力特性的影响，包括研究新的孔隙水压力模型等；在此基础上，发展适合描述侧限约束条件下的土体应力应变关系的弹塑性本构模型，最后借助有限元计算方法评价液化场地地下结构抗震性能。

本项目系统地研究了面向CAD的图形多约束理论、方法及其应用，提出了多约束关系识别、理解与自组织的三大基本原理，提出了约束关系自组织的一系列新概念和新方法，提出并实现了8大基本约束种类及其形成的一系列新算法，应用图形多约束理论与方法进行工程图扫描图象整体识别，应用图形多约束理论与方法进行零件图装配图一体化设计，提出并实现了基于约束关系自组织的离线参数化技术。上述各项研究成果中，应用图形多约束理论与方法进行工程图扫描图象整体识别与基于约束关系自组织的离线参数化技术是两项实质性的突破，已得到学术界同行的肯定与认可。本项研究在国内外学术期刊和学术会议上共发表论文十六篇。 2100433B

为了深入研究面内约束作用下混凝土板火灾行为，本项目开展约束作用下混凝土双向板火灾试验、数值模拟和理论分析。 试验方面：通过十块不同面内约束工况混凝土双向板火灾试验，获得炉温、混凝土和钢筋温度、板平面外（内）变形、板角（平面内）约束力等随时间变化规律，观测了试验中混凝土板裂缝及破坏特征。 研究表明，由于板角约束作用，简支板及单（双）向面内约束板均出现板角弧形斜裂缝；与火灾下简支板不同，单（双）向面内约束板板顶均易出现通长裂缝，且单（双）向约束作用倾向于增加试验板竖向变形，原因在于约束作用引起的P-δ效应。 数值方面：根据热弹塑性理论和板壳单元，考虑面内约束作用和含水率影响，建立了混凝土双向板数值模型，发展程序对面内约束混凝土试验板进行数值分析，获得了几何(非)线性和混凝土膨胀应变对约束试验板变形、弯矩分布和薄膜机理影响规律。此外，通过参数分析研究了约束类型、约束水平、长宽比、配筋率和板厚等对面内约束混凝土板温度场、变形、破坏模式和耐火极限等影响。研究表明，对任一约束工况，较大混凝土膨胀应变导致约束板较大变形，且几何非线性影响不可忽略；面内约束作用倾向于降低跨中弯矩和增大板边负弯矩，且不利于板大变形阶段受拉薄膜效应发展；约束板火灾行为取决于约束类型、约束水平和长宽比等相互作用。 理论方面：基于塑性铰线理论，考虑受拉薄膜效应，提出钢筋应变差概念和应变破坏准则，结合板块内力平衡方程，建立常温及火灾下面内约束混凝土双向板承载力计算方法。研究表明：钢筋应变差理论所得薄膜效应阶段混凝土双向板荷载-位移曲线较为合理，且能够确定混凝土双向板极限状态及相关参数。 本项目研究成果可为实际工程中提高混凝土双向板抗火性能提供参考。 2100433B