黄土微观结构特征差异与其动力特性作用机制研究

The Loess microstructure difference has an important relationship on its dynamic deformation peak strength and earthquake response spectrum. This Project is to research in view of the hot issues in geotechnical earthquake engineering. The main research object is China loess (especially of west Gansu loess) which has strong structural and abundant aerial pores. Through analysis kinds of loess with obvious microstructure differences, including: sandy loess，loess，clayey loess, to research the loess dynamic characteristics. From different loess fields and its sedimentary depth to sample,by microstructure test of electron microscopy at high magnification, analyze the microstructure characteristic parameter extraction; Combined with CT scan, dynamic triaxial test, used by Structural mechanics and Crystal geometry method,set up the loess microstructure particle volume element model, and build the mechanism associated with microstructure parameters and its’dynamic stress - deformation relationship; Using the particle theory method to establish the calculation method of loess displacement and acceleration response waveform and spectrum under shock loading, and check analysis by carry out large scale shaking table test simulation; Finally set up the comprehensive analysis method of the loess field design. This Project research results will reveal the evolution mechanism of the loess microstructure features and its frequency response and deformation under seismic loads .It will provide the theory basis of microscopic difference analysis on loess field’s seismic resistant design.

黄土微观结构差异与其动变形和地震响应峰值及频谱大小有重要的相关关系。项目拟针对岩土地震工程的热点问题，以结构性强且架空孔隙丰富的黄土（尤其是陇西黄土）为主要研究对象，通过分析微结构类型差异较大的黄土（包括：砂质黄土，粉质黄土，粘黄土等）场地，开展反应微结构特征差异的黄土动力特性研究。针对不同场地及沉积深度的黄土取样，采用高倍电子显微镜微观结构测试，分析提取微观结构特征参数；同时结合CT扫描、动三轴等试验，利用结构力学及晶体几何学构造颗粒体积元模型，建立微结构模型参数与动应力-变形的关联机制；利用颗粒理论建立土层地震动荷载作用下位移及加速度响应波形及频谱计算方法，并开展大型震动台试验模拟验证；最后建立黄土场地设计的综合分析方法。研究成果将揭示黄土微结构特性与地震动荷载作用下的频率响应以及震动后产生变形的演化机制，为黄土场地抗震设计提供微观差异性分析的理论依据。

项目所取土样地点囊括我国主要黄土沉积区域土样，除陇西黄土外，还包括陇东，陕北，山西，以及河西走廊，新疆等多个地区代表性黄土。包含低粘性粉质黄土，粘黄土，砂质黄土等类型，涵盖了各类丰富多彩的微观结构类型。项目完成土样基本物理性质测试，粒度分析，液塑限、动三轴、共振柱，大型振动台试验，高倍电子显微镜、土样CT扫描等试验419多组。获得多个地区微观结构照片，以及动三轴和共振柱数据等。. 完成研究内容及成果包括：1）获得黄土主要沉积区域及不同深度的微观结构，建立多因素和单因素方差统计分析微观参数差异性方法。研究表明同一探井不同深度土样由于形成气候年代有显著差异。2）完成动三轴颗粒流刚度计算（刚度计算公式与长轴和角度均值和围压有关）的关键问题，颗粒流模拟动三轴试验的应力应变曲线基本符合试验结果；3）引入颗粒长轴粒径及角度均值，动模量参数a，b，以及试验围压，架空孔隙面积，获得一系列动本构计算关系式：微观参数-动应力-应变曲线关系式；微观参数-动剪切模量-应变计算式；动荷载下位移时间关系式， 动应力-时间关系计算式；一维土波动响应加速度计算公式。4）通过振动台试验和频谱分析，建立微观分析土层响应波形及反应谱的数值模拟方法。项目发展土场地设计的微观性态差异性分析，为岩土工程场地设计提供创新性的计算方法。基本完成预期研究成果，发表见刊论文16篇，其中EI论文5篇，还有SCI核心等待刊论文16篇以上；依托本项目培养硕士研究生2名，完成硕士毕业论文2篇。项目填补了岩土工程领域的技术空白，取得了重大突破。