饱和混合土的动力特性及其结构效应

The proposed research is focused on the dynamic behavior of liquefiable mixture soils under seismic conditions. Based on physical modeling, theoretical development and numerical analysis, we propose to investigate the effect of local structures on the seepage process, skeletal deformation and shear strength of the soils, and to develop an innovative soil dynamic model which can properly address the effect of local structures. Based on the finite element procedure, the new dynamic model will be used to analyze the dynamic response of mixed soils, and an effective numerical procedure will be developed. The outcome of the proposed research will provide theoretical and methodological support for design of infrastructure in earthquake-prone areas and seismic disaster mitigation.

许多重大建筑物均建在混合土地基上，这类土在我国沿海地区常被广泛用来当做围海造地的填料，同时它也常出现在河流三角洲的冲积区。由于目前对这类土的动力特性缺乏充分的认识，因此在许多重大工程建筑物的抗震设计方面面临着重大挑战。本项目围绕混合土的动力特性及其内部结构特性问题，基于室内试验、物理模拟试验、理论推导、数值分析等手段，阐明混合土在振动作用下的变形与强度特性及其变化机理，揭示土中细粒成分含量和内部结构对混合土孔压的增长与消散过程过程的影响规律，建立能够描述局部结构对土工程力学特性影响的混合土动力学模型和应力应变本构关系模型，在此基础上提出地震作用下饱和混合砂土的动态反应数值模型与分析方法，为有效分析在地震等动荷载作用下复杂土层的变形破坏问题提供理论依据和技术支持。

建筑物及其地基的震动破坏是人类面临的重大威胁之一。据已有的震后调查表明，许多按设计规范预计是安全的地基和建筑物都纷纷发生了破坏；这类破坏在沿海围垦区域表现得尤为突出，而人工回填或吹填土地基的震动液化则是导致这些区域的建筑物以及地基破坏的最主要原因之一。人工回填土和吹填土均可视为由砾石、砂、细粒土（粘土和粉土）等按某种比列混合而成的、具有内部结构的可液化混合土，在沿海地区大量被用于围海造地。因此，对混合土的动力学特性开展深入和系统的研究，建立起有关混合土动力灾变问题的可靠评价分析方法是目前土动力学急需解决的重要课题。项目组围绕这一课题，在大量试验的基础上，对振动台试验相关设备的进行了研制，并对混合砂砾土液化机理进行了初步分析，以及对混合砂土动力反应进行数值模拟分析，取得以下主要成果：1、在振动台模型箱的研制方面。针对项目要求对振动台模型箱进行了研制，通过振动台试验证明该层状剪切模型箱能满足试验要求，为同类型研究提供了物质基础；通过试验总结和理论分析，提出了振动台用于定量测试饱和混合土动力特性的改进思路。2、在混合土的微观结构和动力强度方面。①根据不同放大倍数的SEM照片，利用Imagepro-Plus图像处理软件对其进行处理和分析，对每个孔隙进行分析，最终整理得到各放大倍数条件下软土微观孔隙的形态参数及数学统计结果。在等向固结情况下，该土样的动应变随着振动次数的增加而不断增长，但增长的速率亦不尽相同。在偏压固结情况下，由于土体在不等向围压固结下，土颗粒结构处于各向异性条件下，固结阶段土体的结构性已经发生改变，在这种情况下施加动应力，发现施加较小的动应力土体就会达到较大的变形，整体结构性降低。3、在饱和混合土动力反应的数值分析方面。项目组成员自主研发了u-p 格式的二维程序动力学有限元程序PorousDyn。其中，时域积分采用Newmark算法，单元类型包含线性和二次四边形等参单元。经过测试，在计算精度和效率方面该程序都有较好的表现。