含粘粒砂土地震液化灾变定量评价的多尺度试验研究

本课题以含粘粒砂土为研究对象，通过土颗粒微细观结构观测、动三轴单元体试验、土工离心机振动台模型试验和地震液化现场调查测试相结合的多尺度试验研究，以剪切波速为土体结构性的表征参数，揭示粘粒含量对含粘粒砂土结构及动强度和剪切波速的影响，从而发展含粘粒砂土液化判别的剪切波速方法。发展了含粘粒砂土制样控制方法，以福建石英砂和萧山粘土为土样材料配置不同粘粒含量的含粘粒砂土，开展了测量剪切波速的固结试验和渗透试验，研究粘粒含量对含粘粒砂土孔隙比、压缩性及渗透性等物理力学参数的影响规律，揭示不同固结应力状态下含粘粒砂土剪切波速变化规律。在此基础上，利用光学显微镜技术观测不同粘粒含量含粘粒砂土微细观特征，发现随着粘粒含量的不断增加，含粘粒砂土结构发生了从“类砂土”到“类粘土”的演变，其粘粒临界含量约为20-25%。据此改进了含粘粒砂土微观结构演化的概念模型，用于解释粘粒含量对砂土结构性及剪切波速等宏观参数的影响机理。开展测量剪切波速的动三轴液化试验，研究重塑含粘粒砂土动应力应变关系及超静孔隙水压力变化模式，揭示粘粒含量对砂土抗液化强度和剪切波速的影响规律。研究发现，当粘粒含量低于临界含量时，与相同骨架相对密度的洁净砂相比，含粘粒砂土表现出更大的剪缩势、更易液化，且该规律可用结构性概念模型很好的加以解释。建立了含粘粒砂土抗液化强度（CRR）与剪切波速(Vs1)之间的相关关系，发现该相关性曲线随粘粒含量增加而上升。研发了超重力环境下的弯曲元波速测试技术，开展了4个测量剪切波速的离心机振动台液化模型试验。通过洁净砂与含粘粒砂土对比试验，揭示了含粘粒砂土场地在地震荷载下的动力响应及超静孔压变化规律。建立了基于离心机振动台试验的模型场地液化数据处理方法，获得了34组液化实例数据（CSR,Vs1），验证了基于单元体试验获得的CRR-Vs1相关关系的正确性。对1999年我国台湾地区集集地震、1999年土耳其Kocaeli地震开展地震液化实例研究，建立含粘粒砂土场地液化数据库（包含地震剪应力比CSR、剪切波速Vs1和粘粒含量CC），从场地尺度验证了基于单元体试验获得的CRR-Vs1相关关系可靠性。最后基于Seed 简化方法框架，提出含粘粒砂土场地液化判别的剪切波速方法。本项目研究成果共发表论文11篇，授权或申请专利5项，并获得多项省部级奖励。 2100433B

饱和砂性土地震液化灾变及其判别是岩土地震工程领域的重要研究课题。迄今已有的砂土液化判别研究主要集中在洁净砂上，很少涉及含粘粒砂土。近年来全球地震中出现了大量含粘粒砂土液化震害实例。含粘粒砂土地震液化是一个涵盖了从土颗粒微观结构损伤、单元体动力特性弱化到场地液化破坏的多尺度灾变问题，粘粒种类、含量和塑性对砂土结构性及不排水动力特性影响机理是研究含粘粒砂土地震液化灾变的关键科学问题。本项目拟通过土颗粒微观结构观测、动三轴单元体试验、土工离心机振动台模型试验和地震液化现场调查相结合的多尺度试验研究，利用剪切波速表征含粘粒砂土结构性，揭示含粘粒砂土结构性对抗液化强度和剪切波速的影响规律，建立抗液化强度与剪切波速间的相关关系。据此发展含粘粒砂土地震液化判别剪切波速法，完善现有的考虑细粒影响的砂土液化判别方法以指导实际场地液化评价，从而为我国地下基础设施防震减灾及工程抗震设计提供科学依据。

针对大跨度斜拉桥风致灾变研究中亟待解决的基础性问题，从理论分析、数值模拟、试验研究和现场测试、工程应用四个方面，深入研究强（台）风场作用下大跨度斜拉桥的动力学行为、损伤破坏演化机理及其过程，主要包括：1) 揭示大跨度斜拉桥的多尺度物理机制及其耦合机理，建立强（台）风场作用下大跨度斜拉桥基于物理的、一体化的动力行为描述与分析方法；2) 研究大跨度斜拉桥在强（台）风场作用下材料尺度的损伤演化行为及损伤累积效应，揭示损伤演化从材料尺度向构件尺度发展的机理和特性，在此基础上研究构件尺度的损伤演化规律及其失效破坏机理；3) 研究大跨度斜拉桥构件尺度破坏与整体结构尺度破坏之间的关系，建立大跨度斜拉桥风致灾变破坏的预测方法，并将研究成果进一步应用于国家重点工程苏通长江大桥的结构整体状态预警系统。. 本项目内容是重大工程结构损伤积累、健康监测与安全评定研究中亟待解决的核心问题，具有重要的学术价值。

针对大跨度斜拉桥风致灾变研究中亟待解决的基础性问题，从理论分析、数值模拟、试验研究和现场测试、工程应用四个方面，深入研究了强（台）风场作用下大跨度斜拉桥的动力学行为、损伤破坏演化机理及其过程，主要包括：1) 揭示了大跨度斜拉桥的多尺度物理机制及其耦合机理，建立了强（台）风场作用下大跨度斜拉桥基于物理的、一体化的动力行为描述与分析方法；2) 研究了大跨度斜拉桥在强（台）风场作用下材料尺度的损伤演化行为及损伤累积效应，揭示了损伤演化从材料尺度向构件尺度发展的机理和特性，在此基础上研究了构件尺度的损伤演化规律及其失效破坏机理；3) 研究了大跨度斜拉桥构件尺度破坏与整体结构尺度破坏之间的关系，建立了大跨度斜拉桥风致灾变破坏的预测方法，并将研究成果进一步应用于国家重点工程苏通长江大桥的结构整体状态预警系统。 本项目内容是重大工程结构损伤积累、健康监测与安全评定研究中亟待解决的核心问题，具有重要的学术价值。 2100433B

序

Preface

前言

第1章导论

1.1材料的特性源自材料的原子结构与微观结构

1.2多尺度分析的研究目标、内容及串行式与并行式的研究方法

1.3材料设计中多尺度分析方法的选择

1.4两类空间多尺度问题及时问多尺度

1.4.1两类空间多尺度问题

1.4.2两类问题的基本区别

1.4.3时间多尺度问题

1.5不同应用背景下多尺度问题的示例

1.5.1珠光体钢轨钢力学行为的微、细、宏观多尺度分析

1.5.2生物活跃材料与人体医疗植入物的多尺度分析

1.5.3纳米陶瓷涂层抗腐蚀的多尺度分析

1.5.4波形蛋白质纤维的嵌套结构与多物理、多尺度性能

1.5.5材料脆韧转换分析中原子尺度与连续介质尺度的连接

1.6国际上多尺度分析的发展概况

1.6.1总的态势

1.6.2跨原子/连续介质(第一类)多尺度分析

1.6.3跨连续介质微/细/宏观(第二类)多尺度分析

1.6.4时间多尺度分析

1.6.5存在的问题及所作的努力

1.7兼顾前瞻性的内容设置

思考与探索

参考文献

第2章分子动力学要义及其与量子力学的能量连接

2.1分子动力学的发展概况及其重要性

2.1.1从发展趋势看研究分子动力学的意义

2.1.2分子动力学的一些研究领域

2.1.3分子动力学的时空尺度

2.2分子动力学的运动方程、势能函数、力与应力

2.2.1质点运动的拉格朗日方程

2.2.2势能函数U及作用于原子上的力与应力

2.3分子动力学的算法及其精度

2.3.1数值积分过程

2.3.2差分表达式

2.3.3Vetlet数值算法、精度分析及简例

2.3.4其他常用的算法

2.4力的计算与边界条件的处理

2.4.1分子动力学程序中力的计算算法

2.4.2分子动力学程序中力的并行算法

2.4.3分子动力学中边界条件的处理方法

2.5多体交互作用与嵌入原子法

2.5.1考虑多体作用的Tersoft与Brenner对势

2.5.2嵌入原子法

2.6陶瓷材料分子动力学模拟

2.6.1引言

2.6.2Born固体模型与考虑极化的壳体模型

2.7如何确定经验势中的参数

2.7.1LJ对势函数参数e与a的估算

2.7.2LB混合律对指数势及Morse势三参数的估算

2.7.3陶瓷氧化物势函数及其参数的确定

2.7.4用于研究磷酸盐生化活跃材料的势函数

2.7.5分数式离子键固体势函数

2.8如何确定分子动力学模型的原子结构坐标及进行图形显示

2.8.1分子动力学模型原子结构坐标的确定

2.8.2分子动力学的图形显示

2.9如何采用软件进行分子动力学的计算

2.9.1DL_Poly软件简介

2.9.2DL_Poly_2.18的文件库及输入文件的内容

2.9.3DL_Poly_2.18的输出文件

2.10量子力学与分子动力学的能量连接

2.10.1原子内的能量平衡及量子力学的基本概念

2.10.2分子动力学与量子力学的耦合

2.10.3薛定谔方程求解孤立原子的能量

2.10.4耦合系统的能量

2.10.5求解量子力学基本方程实现耦合的三种基本方法

2.10.6紧束缚方法

2.10.7Hartree-Fock理论及其相关的方法

2.10.8电子密度泛函理论

2.11实例：纳米涂层及植入物与液体界面分析中的分子动力学计算

2.11.1基本方法

2.11.2对势函数的确定

2.11.3氮化铁与基体铁界面剪切抗力的计算

2.11.4植入物与水一蛋白质系统界面的分子动力学计算

参考文献

第3章跨原子/连续介质多尺度分析

3.1引言

3.2跨第一原理/原子/宏观多尺度变形与破坏分析

3.2.1模型区域的分割及其耦合

3.2.2系统的总哈密顿量及其分解

3.2.3握手区的一般设计及MAAD的特点

3.2.4MAAD存在的问题

3.3一维模型

3.3.1FE/MD耦合运动方程的推导

3.3.2分子动力学与有限元耦合的数值例子

3.4Cauchy-Born法则及跨原子一连续介质尺度的解析方法

3.4.1Cauchy-Born法则

3.4.2关于Cauchy-Born法则精度的讨论

3.4.3基于Cauchy-Born法则的跨原子/连续介质尺度的解析方法

3.4.4解析方法的应用

3.5变形与破坏的拟连续介质多尺度分析

3.5.1QC方法的基本模型及能量计算

3.5.2QC方法边界的不协调性及鬼力

3.5.3QC方法的特殊贡献

3.5.4全部非局部化的QC方法

3.6QC与离散位错动力学耦合的多尺度分析

3.6.1基本模型

3.6.2解法：三种边值问题的叠加

3.6.3过渡区的处理及位错穿越过渡区

3.7用于动力学模拟的搭接区多尺度分析

3.8用于动力学模拟的桥接区多尺度分析

3.8.1位移场在两个不同尺度的分解

3.8.2运动的多尺度方程及其讨论

3.8.3桥接法多尺度框架及广义朗之万方程

3.8.4数值例题

3.8.5对桥接法的简短评论

3.9几种模型界面不协调性的比较

参考文献

第4章广义质点动力学多尺度模拟方法

4.1引言

4.2广义质点动力学方法的多尺度几何模型

4.2.1多尺度区的形成

4.2.2广义质点的级别与其表征的原子数的定量关系

4.2.3模型实例

4.3逆映射法求解广义质点系动力学方程

4.3.1对等价刚度规则的质疑

4.3.2映射与逆映射

4.4多尺度区的自然边界条件

4.4.1原子区与连续介质区边界的内禀不协调性

4.4.2广义质点动力学各尺度区问的自然边界

4.5广义质点动力学方法的验证

4.6广义质点动力学方法的初步应用

4.6.1相变

4.6.2相变的机制

参考文献

第5章串行嵌套式多尺度方法及复相材料循环弹塑性多尺度分析

5.1引言

5.2跨微/细/宏观三尺度分析的基本框架及尺度间的信息传递

5.3基于改进的自洽模型的细一宏观定量关系

5.3.1改进的自洽模型

5.3.2基于改进的自治方法的宏/细观定量关系

5.4非均质材料组成相的弹塑性本构关系

5.4.1带耗散的弹簧滑块模型对弹塑性材料本构关系的描述

5.4.2描述塑性响应的遗传型本构方程

5.4.3经典塑性理论及其非经典塑性理论的比较

5.5基于微观分析的微一细观定量关系

5.6基于原子位错分析的微观尺度塑性参数及其尺度效应

5.7由细观塑性应变决定宏观参量的数值方法

5.8复相材料循环弹塑性尺度效应的试验研究

5.9多尺度分析数值结果及其与试验结果的比较

参考文献

附注5A

附注5B

第6章串行耦合式多尺度方法及损伤层合复合材料的多尺度分析

6.1引言

6.2通过中间单元体联系大小尺度的串行嵌套式多尺度模型

6.2.1无损伤的条件下层合板(宏观)与片层(细观)的连接

6.2.2微观单元体等效本构方程与基体、纤维特性的关系

6.3损伤层合复合材料串行耦合式多尺度分析

6.3.1复合材料迭层方式对损伤起始及演化影响的试验结果

6.3.2含损伤时层合复合材料多尺度分析的特点

6.3.3损伤层片等效本构方程的形式

6.4细/宏观耦合模型及在位损伤函数的确定

6.4.1等效约束模型

6.4.2沿每一片层厚度的平均

6.4.3沿单元体宽度方向的平均过程，二维剪切滞后模型

6.4.4在位损伤函数的确定与表达式

6.4.5串行耦合式与串行嵌套式多尺度分析方法的区别

6.5基于损伤准则的串行耦合式多尺度破坏分析

6.6计及基体开裂演化的多尺度分析的计算结果及讨论

6.6.1沿纵向(y向)受拉伸时[O/90]s类型层合板就地损伤函数Azz及A66的确定

6.6.2沿纵向受拉伸载荷时[O/90]s类型层合板刚度的下降

6.6.3损伤裂纹的起始与演化

6.6.4多尺度模型的预言及其与试验结果的比较

参考文献

附注6A

附注6B

附录A原子与生物大分子的结构、排列及其运动

A.1原子的基本结构与电子结构

A.1.1原子的结构

A.1.2原子的电子结构

A.2原子的键连接

A.2.1金属键

A.2.2共价键

A.2.3离子键

A.2.4范德瓦耳斯键

A.2.5混合键连接

A.2.6键能量与原子间距

A.2.7对原子结构的小结

A.3原子的排列布置与单元晶胞

A.3.1三种级别的原子布置

A.3.2单元晶胞

A.4晶体结构的点、方向与平面

A.4.1点的坐标

A.4.2晶体的方向

A.4.3晶面的表征

A.4.4滑移系

A.5原子的稳定性与扩散

A.5.1扩散的描述

A.5.2扩散的机制

A.6蛋白质材料的结构

A.6.1蛋白质的多肽(polypeptides)链结构

A.6.2由侧链R决定的20种氨基酸的三组类型

A.6.3氨基酸的其他结构特点

A.7脱氧核糖核酸(DNA)的结构

A.7.1生物大分子与结构形成的一般规则

A.7.2核糖核酸(RNA)与脱氧核糖核酸(DNA)的结构

参考文献

附录B对比与评鉴：RCMM多尺度分析工作学术评论汇集

卷后语2100433B