强震作用下黄土液化的流固耦合灾变力学机制及危险性评判

In this application, loess samples, which could be extracted from many typical districts of the loess plateau, could be used to carry out physical and mechanical tests, liquefaction tests and microstructural tests to study the soil’s properties and load parameter in condition of liquefaction. Characteristics of loess’s 3D microstructure in different liquefaction stages could be analyzed to study the evolutionary process of 3D microstructure, contact system and force chain structure, based on which the catastrophic mechanics mechanism of seismic liquefaction of loess could be explored. The generation, growth and dissipation of pore pressure of loess under earthquake could be studied to propose a pore pressure model which including a structural parameter of loess. Based on the theoretical framework of dynamic consolidation method, the pore pressure model could be introduced into the seepage continuity equation, with which a fluid-solid coupling dynamic model of seismic liquefaction of saturated loess could be established. The seismic response of typical loess site could be studied by means of shaking table test and numerical simulation. A method for evaluating liquefaction risk could be proposed based on the fluid-solid coupling dynamic response of loess site.

本项目拟在我国黄土高原不同分区选取典型黄土试样，开展原状和重塑黄土的物理力学试验、液化试验、微结构试验研究，确定饱和黄土地震液化的土性条件及荷载条件；分析不同液化阶段黄土的三维微结构特征，阐明黄土地震液化的微结构演化、接触体系及力链结构演化过程，揭示黄土地震液化的灾变力学机制；研究强震作用下超孔压的产生、增长和消散规律，建立包含黄土结构性表征参数的孔压模型；基于动力固结法的理论框架，将孔压模型引入渗流连续条件方程，建立饱和黄土地震液化的流固耦合动力学模型；采用振动台试验、数值模拟等手段开展典型黄土场地地震反应研究，建立基于黄土场地流固耦合动力响应的液化危险性评判方法。

本项目采用微结构试验、黄土动力学试验、大型振动台试验、理论分析和数值模拟等方法，紧密围绕研究目标和内容开展了系统性工作，在 “黄土液化机制、黄土液化模型、场地液化评价”三个层面取得系列创新性成果。（1）黄土液化机制：重构了黄土高原不同区域和地层的黄土三维微结构，阐明了黄土三维微结构特征和类型的时空分布规律及成因机制；研究了不同液化阶段黄土的三维微结构特征及微结构参数演化规律，揭示了黄土地震液化的微观机制。（2）黄土液化模型：阐明了地震作用下黄土的孔压增长和消散规律，确定了黄土孔压模型参数的取值方法和范围；确定了复杂应力状态下黄土的强度理论参数取值原则和范围。（3）场地液化评价：①基于动力固结法理论框架，建立了饱和黄土场地地震液化的流固耦合动力响应分析模型；结合双剪统一强度理论，开发了基于FLAC3D的流固耦合动力响应计算程序，并研究了典型黄土场地的流固耦合动力响应规律。②针对黄土水平场地，采用大型物理振动台试验，研究了地震作用下饱和-非饱和黄土场地的动力响应，确定了黄土场地加速度、动孔压、动土压力等矢量场的响应规律，并与数值模拟结果进行对比分析；阐明了场地地震液化的变形破坏机制，建立了基于黄土场地流固耦合动力响应的液化危险性评判方法。③针对黄土斜坡场地，阐明了液化型黄土地震滑坡的形貌及运动特征、参数范围及变形破坏机制；基于机器学习理论，建立了海原地震黄土滑坡类型判定的随机森林模型，确定了黄土地震滑坡分类模型的参数。.本项目在黄土地震液化机制及评价方面取得创新性研究成果，应用于引汉济渭输配水工程跨断裂带抗震设防、富平县地震地质灾害小区划评价中，服务于黄土地区防灾减灾。研究成果出版学术著作2部；发表学术论11篇（其中SCI收录8篇，国内核心期刊3篇）；授权发明专利2项；培养博士2名（在读），培养硕士12名（已毕业10名）；支撑陕西省科学技术进步一等奖1项。