孔压梯度驱动饱和砂土液化流动大变形机理和分析方法研究

饱和砂土液化大变形对工程结构物的影响评价是实践中的难点和要点。分析现有资料，提出饱和砂土液化大变形可视为孔压梯度驱动下发生的流动变形的观点。通过室内三轴试验，研究液化饱和砂土作为非牛顿流体的率相关性；通过小型振动台试验，研究饱和砂土液化流动大变形的孔压相关性。建立大应变下液化饱和砂土孔压相关非牛顿流体本构模型；定义液化流动大变形触发和终止条件。提出将液化大变形过程分为流动开始－初始液化、初始液化后－地震结束、震后－流动变形结束三个阶段和各阶段孔压演变过程模拟方法，建立孔压梯度驱动饱和砂土液化非稳态流动大变形全过程分析方法。通过大型振动台试验及数值模拟圆柱体沉入、动力离心机试验，验证分析方法的可靠性，证明孔压梯度驱动饱和砂土液化流动大变形现象的存在，应用流变学理论解释液化大变形机理。为饱和砂土液化大变形分析提供新的方法和手段，为进一步研究抗液化大变形破坏工程措施提供理论依据。

饱和土体液化流动大变形及其对工程结构物稳定性的影响是岩土地震工程领域的热点研究问题。本项目采用多种试验手段结合理论分析研究了液化土体的流体特征及其流动变形特性，主要工作如下：(1) 协助研制和开发了振动台土工试验用大型剪切型模型土箱、基于WFI动三轴仪改装的小型土工振动台实验系统等仪器设备，完善了本项目研究需要的硬件条件；(2) 开展了循环荷载下粒状土体流动特性研究，分析了循环荷载下土体的固-液相变特征，提出并定义了平均流动系数、流动曲线和相变孔压比、流动性水平等概念，发现了循环荷载下土体的流动性演变规律；指出了固-液相变的孔压比与有效固结压力、相对密度和循环应力比等因素不相关，相变孔压比可作为土体液化大变形的触发条件的判断指标；发现初始动应力比对不同级配下的土体平均流动系数—孔压比关系曲线无影响；相对密度越大、含砾量越大，土体的流动性水平越低；有效固结压力对土体平均流动系数—孔压比关系曲线的影响具有阶段性特征，且与含砾量相关。推测饱和砂砾土在循环荷载下的流动性由其粗粒接触状态和数量决定；提出了基于流动性的饱和砂砾土液化机理；(3) 研究了饱和砂土在孔压增长过程中表观动力粘度的变化规律，证明了孔压累积上升到一定程度后，饱和砂土具有典型的“剪切稀化”非牛顿流体的特征及显著的率相关性，发现描述饱和砂土“非牛顿”流体特性的表观动力粘度与孔压比具有良好的幂函数关系；(4) 利用空心圆柱扭剪仪开展了饱和砂土震动液化及液化后的静扭剪试验。发现未受动载作用的土样在静扭剪下先剪缩后剪胀，液化后试样剪胀特性明显，且静剪应变速率具有显著的孔压相关性；利用小型振动台试验系统开展的液化饱和砂土中规则圆柱体下沉试验和液化土体中的管体拖拽试验也发现饱和砂土液化流动效应具有显著的孔压相关性，且证明了液化后土体抗剪强度性能的速率相关性；(5) 考虑相变后饱和砂土动力表观粘度的孔压相关性，提出了一个描述相变后饱和砂土应力-应变率关系的半经验模型，该模型参数意义明确且易测定。由于引入了相变概念，模型可考虑初始液化前高孔压状态下的流动变形特性；(6) 开展了饱和砂土液化流动大变形效应的振动台模型试验，包括可液化土中三层三跨地下结构和液化土体流滑推桩振动台试验，获得了地下结构周边饱和砂土中孔压空间梯度分布特征，初步证明了孔压梯度分布与地下结构反应的关联性。