倾斜液化场地地下管线破坏机理和试验研究

地基液化对管线的破坏作用主要有：液化使地基抗剪强度减小，管线上浮破坏；液化后地基不均匀沉降造成管线破坏；液化层局部侧向流动导致管线大变形。这三种情况下，倾斜地基均会加剧地震破坏作用，对地下管道更为不利。针对实际上更为普遍的倾斜液化场地中地下管线地震破坏的问题，首先从单元体尺度深入认识初始物理状态和应力状态（特别是初始驱动剪应力）影响的土单元体动力特性，深刻认识初始剪应力造成的液化过程中土体应变积累＂优势流＂现象，在此基础上提出考虑初始驱动剪应力影响的弹塑性土体动力本构模型，发展更具普遍意义的有一定坡度的倾斜液化场地地下管线有效应力动力反应有限元数值分析方法，研究液化场地大变形条件下管道的地震响应和灾变，对地下管线的地震反应进行全过程模拟，通过数值模拟和土工离心机振动台模型试验的对比研究，验证数值模拟理论的合理性，进一步揭示其破坏机理，完善、优化地下管道抗震设计方法，并提出工程对策。

地下管线在液化场地中的上浮破坏常因地表自然倾斜而加剧，现有的研究却很少针对带有一定坡度的场地。本项目综合采用理论分析、数值模拟、室内试验和离心机振动台试验等手段对该问题开展研究，主要工作和进展如下：. （1）基于朗肯土压力理论和半无限弹性空间的地震波传播理论，推导了倾斜场地中一点的应力状态及地震波斜入射产生的复杂动力路径；利用空心圆柱扭剪仪开展了饱和福建砂不同初始应力状态和剪切路径下的静、动力试验；定义等效动剪应力指标量化复杂路径下剪应力水平；重点分析了初始主应力方向和加载方向不一致产生的非共轴塑性流动规律，提出相应的塑性应变增量计算模型。. （2）研发了包括倾斜场地模型制作及饱和、场地变形PIV测试、管道上浮力测试在内的离心模型试验技术；通过超重力离心手段恢复应力场，研究了浅埋管道埋深及场地倾斜模式、密实程度、饱和条件、地震波幅和波形等因素下场地和管道的响应；分析得到倾斜场地管周土体在非液化时呈不对称楔形向地表延伸破裂，而液化时呈“心”形流动、管顶土体局部侧向滑移这一截然不同的变形模式；观测结果推翻了部分学者对管道液化上浮在振动开始时发生、振动结束后停止的观点，以土体饱和重度和结构物体积的乘积计算浮力的方法，仅在场地完全液化时才准确，在场地并未完全液化时将高估浮力作用；揭示管道上浮机理：管道运动是上覆土重、管底支承力和上覆土抗剪力综合作用的结果，当液化打破管道平衡条件，管周超静孔压比超过临界值时才发生上浮。. （3）从非液化倾斜场地中管道隆起问题出发，推导管道竖向隆起抗力计算式、非对称破裂滑面与场地倾角的关系；提出了考虑振动过程中管底支承力变化影响的浮力计算方法、管道最终上浮位移量与土体最大孔压比呈幂函数关系的经验式；利用FLAC软件开展了地震荷载作用下倾斜场地中管道数值分析，比较不同激励幅值和埋深的影响，获得浅埋和深埋情况下管道内力的不同分布模式：随激励幅值增长，浅埋管道内力增长速率更快，管道在低烈度下有小幅下沉，而高烈度下则明显上浮，与试验现象吻合；同时，为评价结构与场地响应间的关系，还进行了考虑动剪弹模附加衰减影响下的自由场地动力响应分析。. 本项目研究成果已发表SCI和EI收录论文13篇（均标注资助），申请发明专利2项，授权软件著作权1项，培养博硕士研究生6名。