基于单相流的减饱和砂土流固耦合改进算法

减饱和法是一种通过减小饱和砂土地基中水的饱和度来处置可液化砂土地基的方法。基于单相流-固耦合理论,将减饱和砂中水-气两相流体等效为单相流体,提出一种可以考虑加载过程中孔隙流体体积模量变化的减饱和砂土静态液化的单相流改进算法,用其进行单调荷载作用下三轴不排水压缩试验数值模拟研究,分析了不同饱和度条件下的减饱和砂土的不排水反应并与饱和砂土三轴不排水试验结果进行对比。研究结果表明,单相流改进算法能够很好地反映减饱和法的抗液化特性。此外,对比不同数值分析方法模拟结果,得出以下结论：采用单相流简化算法分析减饱和砂土的不排水反应时,因为不考虑加载过程中的孔隙流体体积模量变化,所以初始的流体体积模量取值会影响减饱和砂土的强度,初始围压为100 kPa、饱和度为96%的减饱和砂土在单调荷载作用下,气体体积模量取值从100 kPa增加至200 kPa时,减饱和砂试样的峰值偏应力会减小约30%,孔隙压力会增加约40%;通过对比同等条件下的单相流改进算法和两相流算法的应力-应变关系曲线以及饱和度和体积应变变化曲线,两者结果相近,误差在5%以内。综上所述,单相流改进算法是一种较为合理而简洁地模拟减饱和砂土静态液化的计算方法。     

基于应变空间多机构CG模型的地震液化大变形数值分析

砂土液化导致的地基侧向大变形是地震中许多重要的工程设施和建筑物破坏的主要原因之一。简要介绍了可进行液化大变形分析的散粒体材料本构模型--应变空间多机构CG模型,基于FLIP ROSE程序平台,建立了预测和研究倾斜地基砂土液化导致侧向大变形的二维有限元数值分析方法。采用该模型对相同工况的土工动态离心模型试验进行了模拟,通过对比超孔隙水压力、剪切波水平加速度以及地基侧向位移发现,数值预测与试验结果吻合良好,从而验证了该有限元数值分析模型的可靠性。最后利用该数值分析模型预测了倾斜率不同的地基受到相同剪切波作用时,倾斜地基不同深度产生的侧向位移。预测结果显示,随着地基深度的减小,倾斜率对于地震液化导致倾斜地基侧向大变形的影响越来越显著。     

减饱和松砂静态液化的水-气两相流耦合分析

减饱和法是一种通过减小饱和砂土地基中的饱和度,提高地基抗液化强度的新方法。基于水-气两相流反应与土体骨架变形的耦合模拟方法,建立了单调加载条件下减饱和砂土静态液化的数值分析模型。开展了减饱和松砂的三轴不排水试验数值模拟研究,与室内试验结果对比,发现两相流模型能够准确描述减饱和砂土加载过程中的应力-应变关系、应力路径及孔隙水压力增长规律,验证了两相流模拟方法的正确性。数值分析结果还表明,加载过程中减饱和松砂中的饱和度会增加,直至达到一个稳定值,当围压一定时,减饱和松砂加载结束时的饱和度与初始饱和度呈线性关系;且砂土中气体会在荷载作用下被压缩,使得减饱和砂土在不排水条件下发生剪缩。计算发现,当砂土饱和度从100%减小到94.5%时,孔隙水压力系数B值会减小约80%,最大孔隙压力值会降低40%~50%,不排水剪切强度提高2.0~2.5倍,残余强度会提升10倍以上,由此可知,此为减饱和法抗液化的主要机制,而基质吸力不是减饱和法提高砂土抗剪强度的主要原因。     

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用简化分析方法

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用分析属于桩基桥梁抗震设计中的一个关键科学问题,而目前尚缺乏合理的简化分析方法。鉴于此,直接针对振动台试验,基于Penzien模型,建立了液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用的数值分析模型与相应的简化分析方法。通过振动台试验验证了数值建模途径与简化计算分析方法的正确性,可用于液化场地桩基桥梁结构地震反应的分析,并且特别考虑砂层中孔压升高引起的砂土承载力衰减效应,推荐了计算参数的合理选取方法;据此进行了桩径、桩土初始模量比、砂土内摩擦角、上部桥梁结构质量等重要参数对液化场地桩-土地震相互作用影响的敏感性分析。研究表明：在液化场地条件下,随桩径和桩土初始模量比的增大,桩的峰值加速度、峰值位移减小,而桩的峰值弯矩则增大;随砂土内摩擦角增大,桩的峰值加速度、峰值弯矩、峰值应力均增大,而桩的峰值位移则减小;随上部结构配重增大,桩的峰值位移、峰值弯矩均增大。     

海洋液化地基中输水管道变形特性的振动台试验研究

埋地管道应用广泛,而在管道铺设过程中穿越的大范围可液化土层,面临着地震作用下管道液化上浮和变形破坏等风险。依托某临海火电站直埋管道工程,采用室内振动台模型试验方法,分析了海洋液化地基中输水管道的变形特性和动力响应,探究了砾石压重法和排水板加固法的抗液化效果。结果表明:海洋饱和砂土地基在动力荷载作用下发生液化,不同深度土层加速度出现不同程度的衰减,上部土层加速度衰减幅度最大且沿深度减小;不同土层中土体超孔压先快速上升达到峰值并维持稳定直至振动停止;在振动过程中,管道发生了明显上浮,且上浮速率逐渐降低,当振动停止时达到最大上浮位移;砾石压重法对于管道抗液化效果不佳,加速度和超孔压时程曲线与标准工况基本一致,中上层砂土出现明显液化现象,但超孔压峰值存在一定下降,且管道上浮与标准工况相比下降65.4%;而宽、窄排水板加固法效果更加显著,整体土层液化现象得到抑制,超孔压峰值与标准工况相比较小,且在振动期间持续降低,平均峰值与标准工况相比分别下降48.30%和38.91%,同时管道竖向位移与标准工况相比降幅均超过100%。在实际工程应用中,推荐使用排水板加固方案,同时需要选择适当的排水通道宽度。     

液化自由场地震响应大型振动台模型试验分析

开展了含上部黏土层、饱和砂土层、密实砂土层的可液化自由场地在水平地震动激励下的大型振动台模型试验研究,分析了地震动激励时饱和砂土液化后场地加速度、位移、孔压比时空响应等动力响应。试验结果表明：在小震激励时,场地动力反应较小,加速度反应自下而上不断放大,各深度处孔压比均较小,模型地基整体处于弹性反应阶段;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,孔压积累迅速,可液化土体最上部土层孔压比达到1,饱和土体液化,模型地基表现出明显的非线性反应特征,加速度反应在饱和砂土层中未有明显放大,土体卓越周期对应的反应加速度自下而上有不断增大趋势。该研究是土-群桩-上部结构体系大型振动台系列试验中可液化自由场动力反应部分,可供今后做对比分析和验证数值模拟参考。     

夯扩挤密碎石桩加固液化砂土地基的动力数值分析

砂土液化问题一直是土动力学与岩土地震工程研究领域的重要课题之一。基于南水北调中线某工程,通过现场和室内试验获取土体的物理力学参数,利用岩土数值分析软件FLAC3D对夯扩挤密碎石桩加固干渠液化砂土地基进行了动力数值分析。结果表明,由于夯扩挤密碎石桩的排水作用,干渠底部饱和砂土地基中的超静孔隙水压力和孔压比与加固前相比明显减小;干渠渠道底部饱和砂土中的监测曲线表明,随着地震荷载持续时间的增加,饱和砂土地基中超静孔隙水压力和孔压比峰值较加固前大幅值降低,且时程曲线达到峰值之后也由加固前的基本保持不变改为迅速消减降低;由于夯扩挤密碎石桩的排水和挤密作用,有效消除了干渠渠道底部以及渠堤坡面外侧平台至坡脚底部砂土层的液化现象,加固后干渠底部饱和砂土地基中没有液化现象产生。     

排水刚性桩群桩抗液化性能的振动台试验研究

排水刚性桩是一种将竖向排水体与刚性桩相结合的新型抗液化处理措施。为研究排水刚性桩群桩的抗液化作用效果,开展了桩顶竖向荷载作用下排水刚性桩处理可液化地基的振动台试验研究,分析了地基土体的超孔压响应、加速度响应及桩顶结构的水平位移响应,并与未设置排水体的普通桩群桩工况进行对比。结果表明：加载开始后,排水桩桩身排水通道有大量超孔隙水排出,普通桩桩身没有排水现象。采用排水桩时超孔压比峰值比普通桩中减小12%,孔压消散稳定后超孔压比减小13%左右,排水桩桩身的排水通道对超孔压的消散作用集中在振动作用的前期。排水桩桩顶的侧向永久位移较普通桩桩顶侧向永久位移减小约27%。试样土体液化前,剪应力-应变滞回圈包络面积较大,土体呈现一定的剪胀特性。液化后,排水桩的剪应力-应变滞回圈的割线模量更大。上述试验结果均表明了排水刚性桩在抗液化方面的有效作用。     

可液化倾斜场地的侧向扩展机制分析

针对已完成的液化水平自由场大型振动台试验,采用OpenSees有限元平台,建立了振动台试验的数值分析模型,并验证了该模型的可靠性。基于此,建立了地基整体倾斜的自由场数值模型,重点讨论了场地土体的非循环地震响应和液化侧向扩展机制。结果表明,建立的数值模型可以有效地模拟可液化场地的地震反应。倾斜场地中,可液化松砂与上覆非液化层界面处具有显著的相对位移,饱和砂土的应变累积从松砂层浅层开始,逐步向深层发展,超孔隙水压力增长和土体非循环应变累积未表现出耦合的现象,场地的中部土体控制非循环横向位移的发展。另一方面,土体液化过程中,当沿滑动面的剪切应力小于初始静剪应力时,液化侧向扩展启动。此时饱和松砂层的剪应力比在0.04～0.06范围内,略小于初始静剪应力比。此外,还发现液化诱导侧向扩展需要场地具有一定的倾斜度（大于0.5°）;土的侧向位移符合余弦分布模式;随着场地倾斜度的增大,可液化深层土对整体侧向位移的贡献更显著。     

强震作用下液化场地群桩动力响应及p-y曲线

为研究液化场地中群桩在强震作用下的动力响应特征及桩侧土抗力-桩土相对位移（p-y）曲线规律,依托海文大桥实体工程,基于振动台模型试验,开展了0.15g～0.35g地震动作用饱和粉细砂土层不同埋置深度下的砂土孔压比、桩身弯矩及p-y曲线动力响应研究。结果表明：地震动强度达到0.25g时,不同埋置深度下的饱和粉细砂土层孔压比均大于0.8,产生液化现象,且随埋置深度增加,孔压比增长时刻明显滞后;不同埋置深度下,桩身弯矩最大值均位于液化土层和非液化土层分界面处;同一埋置深度时,随地震动强度的增大,p-y曲线所包围的面积逐渐增大,其整体斜率逐渐变小,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐增大,桩周土体刚度逐渐减小;随埋置深度增加,p-y曲线所包围的面积逐渐减小,其整体斜率逐渐增大,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐减小,桩周土体刚度逐渐增大。因此,液化场地桥梁群桩抗震设计时,应综合考虑液化土层与桩基础的相互位置关系,确保桩基础在液化土层与非液化土层分界处的抗弯承载能力。     

常剪应力路径下含气砂土的三轴试验

天然气水合物完全分解时,产生的气体使得能源土孔隙压力急速增加,有效应力减小,进而引起土体液化破坏。此时深海能源土斜坡的应力状态与静力液化失稳过程可简化为含气土在常剪应力排水(或不排水)应力路径下的破坏问题。以此为背景,提出了制备含气砂土试样的改进充气管法,并开展了含气砂土的常剪应力路径三轴试验。22组试验结果表明:同一孔隙比的含气密砂在不同围压与常剪应力下具有相同的失稳线;含气砂土试样失稳时的应力比和体变均随初始相对密实度的增大而增大;含气密砂在常剪应力路径下饱和度对失稳特征影响的规律性在排水与不排水条件下均不明显,但在不排水条件下含气砂土的孔压(或体变)对变形的敏感性降低;含气密砂在常剪应力路径到达失稳点之后,排水条件下是瞬变的液化鼓胀破坏,不排水条件下是渐变的剪切破坏。     

Liquefaction potential of coastal slopes induced by solitary waves

Tsunami runup and drawdown can cause liquefaction failure of coastal fine sand slopes due to the generation of high excess pore pressure and the reduction of the effective over burden pressure during the drawdown. The region immediately seaward of the initial shoreline is the most susceptible to tsunami-induced liquefaction failure because the water level drops significantly below the still water level during the set down phase of the drawdown. The objective of this work is to develop and validate a numerical model to assess the potential for tsunami-induced liquefaction failure of coastal sandy slopes. The transient pressure distribution acting on the slope due to wave runup and drawdown is computed by solving for the hybrid Boussinesq—nonlinear shallow water equations using a finite volume method. The subsurface pore water pressure and deformation fields are solved simultaneously using a finite element method. Two different soil constitutive models have been examined: a linear elastic model and a non-associative Mohr–Coulomb model. The numerical methods are validated by comparing the results with analytical models, and with experimental measurements from a large-scale laboratory study of breaking solitary waves over a planar fine sand beach. Good comparisons were observed from both the analytical and experimental validation studies. Numerical case studies are shown for a full-scale simulation of a 10-m solitary wave over a 1:15 and 1:5 sloped fine sand beach. The results show that the soil near the bed surface, particularly along the seepage face, is at risk to liquefaction failure. The depth of the seepage face increases and the width of the seepage face decreases with increasing bed slope. The rate of bed surface loading and unloading due to wave runup and drawdown, respectively, also increases with increasing bed slope. Consequently, the case with the steeper slope is more susceptible to liquefaction failure due to the higher hydraulic gradient. The analysis also suggests that the results are strongly influenced by the soil permeability and relative compressibility between the pore fluid and solid skeleton, and that a coupled solid/fluid formulation is needed for the soil solver. Finally, the results show the drawdown pore pressure response is strongly influenced by nonlinear material behavior for the full-scale simulation.     

液化型路堤边坡动力数值模拟分析

液化型路堤边坡动力稳定性问题涉及岩土工程与工程地震两个学科领域,是边坡工程与砂土液化的交叉课题。采用天然地震记录为输入条件,应用Finn本构关系模型,运用有限差分法,对填土+砂土+卵砾土地层组合的路堤边坡进行了全时程动力分析,探讨了地震作用下路堤边坡的液化初步规律和稳定性。数值模拟结果表明:地震作用引起了路基饱和砂土有效应力急剧减小,并导致路基砂土液化,引起路堤变形破坏。孔隙水压力的积累与消散不仅与地震记录序列存在对应关系,也与砂土所处的位置和深度有密切关系。地表变形破坏主要表现为路堤顶面发生震陷和拉裂破坏,坡底面产生挤压隆起变形。地面以下的变形破坏主要包括土体剪切破坏和深部砂土液化引起的侧向流动破坏。     

液化后砂土流体特性测试装置的研发及试验研究

为研究液化砂土的流动变形特征,开展了液化砂土的流体特性试验研究。基于边界层理论研发一套液化砂土表观黏度测试装置,主要由调速电机、电机调速器、圆柱转子、扭矩传感器等部分组成,该装置能有效测试液化砂土的表观黏度;开展了不同孔压比、转速下饱和砂土表观黏度及圆柱转子所受摩擦力矩特性研究,着重分析了液化后砂土的表观黏度特性。结果表明,液化前孔压发展及液化后孔压消散阶段摩擦力矩均受到孔压比及转速的影响;液化后砂土孔压逐渐消散,强度恢复,流动能力衰减,表观黏度升高,表观黏度与孔压比呈现出一定的线性相关性;表观黏度随着剪应变率的增大而降低,且两者呈现出幂函数关系,表明液化后砂土具有典型幂律型剪切稀化非牛顿流体特征。     

循环荷载下复合筒型基础地基孔隙水压力变化及液化分析

复合筒型基础是一种新型的宽浅式基础型式。在风、波浪、海流等动力荷载的作用下,复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化对结构安全产生影响。模拟了复合筒型基础受到的风浪流荷载,并将风浪流荷载合理叠加,采用三维有限元方法分析了风浪流联合作用下复合筒型基础地基动力响应规律。同时对复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化规律及液化范围进行了系统分析,通过分析发现：复合筒型基础附近海床液化深度随着饱和度、渗透系数、波浪周期、水深的增大而增大,随着泊松比的增大而减小。     

小坡度海底土层地震液化诱发滑移分析方法

地震可使海底砂质、粉质土层液化并导致上部土层的滑移。基于有效应力有限元动力分析方法和Newmark刚性滑块理论,提出了一种计算海底小坡度（≤5o）土层地震液化引起侧向滑移的简化方法。该方法将波浪荷载简化为海底恒定的上覆压力和初始孔压,忽略了海水粘性对海底土层地震反应的影响,利用改进的Seed孔压模型进行动力分析和液化判别,用Newmark滑块理论计算了土层侧向滑移。通过算例和对比分析,研究了海水深度和土层坡度对侧向滑移的影响,表明该方法的有效性,可为近海工程场地地震地质灾害评价提供参考数据。     

水平动载下饱和砂土地基液化区扩展

对一侧受沿深度分布的水平振动载荷时 ,半无限饱和砂土地基液化区域的扩展进行了数值分析。结果表明 :在水平振动载荷作用下 ,砂土地基液化区域从载荷端由近到远逐渐发展 ;随载荷强度和频率的增加 ,以及土体模量的减小 ,液化发展逐渐加快。在考虑的频率范围内 ,随着载荷频率的增加 ,土体表面的变形和土中的孔隙压力上升速度增加。