基于纳米凝胶体系的砂土液化防治机理研究

According to the requirement of earthquake liquefaction disaster prevention in the vast seismic liquefiable regions in China and the trend of multidisciplinary nanotechnology in the 21st century, a new method of liquefaction mitigation should be proposed with integrated means of nano materials science and engineering geology. This project focuses on sand liquefaction mitigation mechanism based on nanogel system. The nanoparticles, nanogel system and nano composite sand compose the three different scale levels of the research. The microscopic tests are conducted to build up the structural characterization description of nanoparticles used in liquefaction mitigation. The rheological tests are used to analyze the rheological properties of the gel system. The reasonable soil dynamic tests and centrifuge simulation test are designed to verify the liquefaction resistance of the nano composite sand under cyclic loading. The microscopic characteristic changes are obtained by comparison between the nano composite sand after dynamic loading and before. Overall, this project achievements would reveal the sand liquefaction mitigation mechanism for nanogel to realize the cross fusion of nanoscience and engineering geology. It would provide a strong promotion to the innovation and application of the new high-performance nano materials in the field of geological disaster prevention, especially in the seismic liquefaction prevention and mitigation. Therefore, this project possesses enormous academic value and broad prospect in engineering applications.

本项目根据我国广大地区地震液化灾害防治需求，顺应21世纪纳米科技多学科交叉的发展趋势，融合纳米材料科学与工程地质学研究方法，开展基于纳米凝胶体系的砂土地震液化灾害防治机理研究。针对在地震荷载作用下的可液化饱和砂土，综合采用微观试验、流变试验、室内土动力学试验以及动态离心机模型试验等先进研究手段，通过纳米颗粒、纳米凝胶体系、纳米复合砂土等三种不同尺度层次的研究，建立防治砂土液化所用纳米颗粒的结构表征特性描述，分析纳米凝胶体系的流变特性，验证与确认地震荷载作用下纳米复合砂土体系的抗液化性能，并对比其在动力荷载作用前后的微观特性变化，揭示纳米凝胶体系的砂土液化防治机理。本项目研究成果将有助于实现纳米科学与工程地质学的交叉融合，有力推动纳米材料在地质灾害防治领域，尤其是地震液化防灾减灾中的应用与创新，具有重要的科学理论价值及广阔的工程应用前景。

本项目根据我国广大地区地震液化灾害的防治需求，顺应纳米科技多学科交叉的发展趋势，融合纳米材料科学与工程地质学的研究方法，以合成锂藻土（Laponite）为代表性的抗液化纳米材料，综合采用微观试验（TEM、XRD、TGA和Cryo-SEM）、流变试验、室内土动力学试验（环剪试验、共振柱试验和动三轴试验）以及动力离心模型试验等先进研究手段，从纳米颗粒、纳米凝胶体系、纳米复合砂土三种不同的尺度，开展了基于纳米凝胶体系的砂土地震液化灾害防治机理研究，取得了以下成果：.（1）研究了纳米复合砂土的宏观力学行为，验证了纳米凝胶体系用于抗地震液化的有效性：通过大量土体单元试验获得了纳米复合砂土的抗剪强度参数、抗液化强度，以及超孔压和应变的动力响应规律；首次采用了先进的动力离心模型试验，从近场尺度再现了地震荷载作用下纳米复合地基的时空演化规律，如超孔压的形成和传递模式、变形发展趋势，验证了其抗液化性能。（2）进一步揭示了纳米凝胶抗液化的微观机制：用于液化防治的纳米颗粒相较于天然粘土颗粒，尺寸和晶格间距小、初始层间含水量高、水合作用强，易于形成自渗性良好的纳米颗粒分散液；其粘度具有时间效应，随时间增长会形成具有网状微观结构和特殊流变特性的凝胶体系，并在剪切作用下表现出固-液相变和粘弹性响应。（3）在此基础上，创新性地提出了基于土体孔隙流体改性的纳米凝胶抗液化机理：纳米凝胶的形成使孔隙流体固化，从而抑制了超孔压的产生和传递；纳米凝胶的粘弹性改变了复合土体的弹性应变阈值，因此限制了土体应变；此外纳米凝胶的包裹粘结作用也有利于提高土体的抗液化强度。.本项目已发表学术论文10篇，其中SCI收录7篇，EI收录2篇；应Springer出版社邀请出版英文专著2部；申请国家发明专利2项，已获授权1项。相关研究成果有助于实现纳米科学与工程地质学的交叉融合，有力推动纳米材料在地质灾害防治领域，尤其是在地震液化防灾减灾中的应用与创新，具有重要的科学理论价值及广阔的工程应用前景。