含粉粒夹层饱和层状砂土液化的宏细观机理研究

鉴于自然界的砂土特别是水力冲填形成的砂土，大都为具有一定分选性的层状结构，本课题利用自动数码摄像实时跟踪技术和数字图象变形量测及处理技术，进行了含粉粒夹层饱和层状砂土地基液化宏细观机理研究，获取了层状砂土液化发生和发展过程中砂粒和粉粒层孔压变化、砂粒和粉粒接触层面变化以及相应各细观参数的变化规律，揭示了相对弱透水粉粒夹层的存在对砂土液化宏细观特征影响的内在规律。研制了可用于研究散粒体细观特征的可视化动三轴试验系统，并利用所研制的可视化动三轴试验系统，从宏细观结合的角度对单调和循环荷载作用下饱和均匀及含粉粒夹层层状砂土液化的宏观特性、颗粒运动规律及细观特征进行了研究，得到了土体中粉粒层存在对砂土液化宏细观特性影响的基本规律。在此基础上，引入散粒介质的颗粒流理论及PFC分析方法，开发了非圆颗粒和基于散体介质理论的流体-离散颗粒耦合动力分析方法，建立了饱和均匀及层状砂土液化流固耦合细观数值模型，从离散颗粒和孔隙流体二者之间的相互作用出发，探讨不同厚度粉粒夹层的出现对层状砂土液化及液化后变形宏细观机制影响的规律及细观力学机理,揭示了含粉粒夹层层状砂土与均匀砂层液化过程中宏细观特征差异的内在原因。通过自主改装的可视化动力离心模型试验系统，直观的观察了层状砂土液化过程中砂层与粉粒层界面变化和颗粒细观结构变化，验证了颗粒流数值仿真模拟结果的可靠性。并通过与均匀砂土液化的比较，分析了不同厚度粉粒夹层对层状砂土地基液化特征的影响机制，获得了层状砂土液化过程中砂土颗粒细观组构变化与液化宏观特性的内在联系，揭示了含粉粒夹层的饱和砂土液化与均匀砂土液化宏细观机理的不同规律及内在机理。本项目的研究成果不仅能够为层状砂土液化特征研究提供新思路，提升人们对含粉粒夹层饱和层状砂土液化机理的新认识，而且还能为今后实际工程中的液化防治及抗震减灾提供参考。 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。

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

泥石流研究是当前热点课题之一，而泥石流机理比较复杂，单从宏观或连续角度研究泥石流机理可能会遇到瓶颈。本申请项目在前期研究的基础上，利用可视化细观测试分析系统，通过室内模型试验、离心机模型试验和非饱和数值模拟，从细观层面揭示滑坡型泥石流形成及局部护坡治理的宏细观机理：(1)研究滑坡型泥石流形成的关键因素，揭示缩尺条件下滑坡型泥石流的宏细观力学机理；(2)揭示接近实际应力场条件下滑坡型泥石流形成过程的颗粒细观组构演化规律和宏观力学特性，建立滑坡型泥石流细观和宏观力学参数之间的联系；(3)考虑泥石流的非饱和特性，建立能反映非饱和特性的分析模块，提出泥石流非饱和离散-连续耦合数值分析方法；(4)从细观角度研究滑坡型泥石流局部护坡治理的宏观力学特性，揭示滑坡型泥石流局部护坡治理的宏细观机制。本研究可为滑坡型泥石流形成机理和治理机制的深入研究提供细观力学基础，还可为泥石流减灾提供理论依据。