剪切应变历史对砂土地震液化特性的影响机理及其数值模拟研究

本项目针对当前砂土地震液化风险性评估及危害性评估中尚未考虑剪切应变历史这一重要影响因素的现状，探索剪切应变发展过程中砂土各向异性状态等内在性质的变化及其对砂土液化行为的作用效应，揭示剪切应变历史对砂土液化特性的影响机理，建立具有剪切应变历史的砂土地基地震液化动态数值模拟方法。首先通过室内空心扭剪三轴试验和振动台模型试验分析和总结不同程度大小的剪切应变历史对饱和砂土液化特性的影响规律，积累基础试验资料；然后在试验数据的基础上，建立考虑剪切应变历史影响的砂土液化本构模型，从理论上分析剪切应变历史对砂土液化特性的影响机理；再利用本构模型结合有限元方法对具有剪切应变历史的砂土地基在地震液化时的动态反应进行数值模拟，并根据模型试验结果和震害调查资料验证和校正数值模型，最终建立正确、有效的考虑剪切应变历史影响的地震液化数值模拟方法。其研究成果将完善地震液化分析理论，具有重要的理论价值和工程应用前景。

本项目针对研究目标和要求，按照研究方案，顺利完成和实现了下述研究内容，包括：.1.室内空心扭剪三轴试验. 将砂土试样先预剪产生一定的剪切应变，然后施加循环荷载直至砂土液化。观察不同预剪条件下砂土的液化特征变化。试验结果表明具有剪切应变历史后，砂土的有效平均主应力下降得非常快。而且预剪应变越大，有效平均主应力下降得越快。这说明，剪切应变历史可以极大地降低砂土的抗液化能力。此外，对于同样的预剪应变，如果循环荷载从顺时针方向开始施加和从逆时针方向开始施加得到的结果有明显的不同。如果从顺时针方向开始施加，砂土的有效平均主应力在第一个循环中基本上不变；如果从逆时针方向开始施加，则在第一个循环内有效应力就会产生明显的下降。这说明砂土内部在预剪阶段会产生显著的各向异性，而这种各向异性会改变有效平均主应力下降的速度，从而影响砂土的抗液化能力。.2.考虑剪切应变历史影响的土体液化本构模型. 对本人在以往研究中已提出的本构模型进行了改进，主要是对本构模型中超固状态的发展函数进行了修正，使之能更好地反映砂土的超固结状态在先期剪切应变历史发展中的变化，以及更符合液化过程中的状态变化。然后将新、旧本构模型的数值模拟结果与实验数据进行了对比。对比结果表明，修正后的本构模型能较好地反映剪切应变历史对砂土液化特性的影响。.3.小型振动台模型试验. 研制了可调节倾角的剪切模型箱，然后利用通过控制模型箱的倾角给砂土地基施加预剪切应变，然后进行振动液化试验。试验结果表明剪切应变会显著改变模型地基的液化特征，但是影响并不如室内试验显著，这主要是由于室内试验和模型试验的边界条件存在显著的差异造成的。