砂土液化大變形的熱力學機理與本構模型研究

《砂土液化大變形的熱力學機理與本構模型研究》是依託清華大學，由宋世雄擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：砂土液化大變形的熱力學機理與本構模型研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：宋世雄
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

飽和砂土地震液化大變形問題，是岩土工程抗震領域研究的重點和難點之一。本研究採用非平衡態熱力學方法，以飽和砂土為研究對象。首先，將飽和砂土簡化為固液兩相連續介質，構建其熱力學理論框架，得到砂土液化大變形行為的控制偏微分方程組；其次，探索合理的自由能和遷移係數模型，再現砂土液化大變形的基本規律，建立其與熱力學模型參數之間的內在聯繫，標定模型參數；以張建民等的大量的試驗數據為基礎，再輔助開展一系列複雜應力路徑試驗和砂土材料聲學、蠕變試驗，檢驗模型參數的正確性；採用COMSOL Multiphysics 軟體進行砂土地基震動液化行為分析。旨在探究和揭示不同條件下的砂土動力學行為及其內在規律，發展和完善計算模型和方法，以期豐富飽和砂土液化問題的動力學理論體系，深化其熱力學理論基礎，為飽和砂土地震液化大變形分析和預測提供更加系統、全面和科學的理論依據。

結題摘要

飽和砂土地震液化大變形問題，是岩土工程抗震領域研究的重點和難點之一。本研究採用非平衡態熱力學方法，以飽和砂土為研究對象，構建了飽和砂土固液兩相熱力學理論框架，得到了砂土液化大變形行為的控制偏微分方程組。研究了自由能參數和耗散參數對飽和砂土力學行為的影響，給出了合理的應變能模型，該模型得到的彈性波速表達式能夠揭示密度和各向異性對波速的影響，同時能夠反映各向異性條件下剪下波的劈裂現象，並通過聲速試驗對模型參數進行了標定；分析了砂土材料蠕變和鬆弛行為，通過非平衡態熱力學基本框架，給出了研究砂土材料的流變行為的簡化模型，得到了如下結論：a.該模型能夠較好地反映和預測砂土側限壓縮和各向同性壓縮條件下的蠕變和鬆弛行為；b.砂土在外力載入過程中，顆粒熵（顆粒溫度）被激發不斷增大直至穩定值，在停止載入後的流變過程中，顆粒熵（顆粒溫度）逐漸衰減，排除外界擾動引發的顆粒熵波動，理論上最終衰減為零；c.顆粒熵衰減過程，伴隨著顆粒溫度引起的彈性弛豫，引發的不可逆變形巨觀上表現為砂土的流變行為，隨著顆粒熵衰減到零，理論上流變最終停止在一個穩定值。本研究給出了砂土流變行為的熱力學機理並標定了耗散模型參數，可以為砂土流變行為的研究和工程實踐提供理論依據。初步揭示了飽和砂土液化大變形行為的熱力學機理，飽和砂土在循環剪下作用下，砂土顆粒熵（顆粒溫度）被持續激發，顆粒溫度引發的不可逆體積變形、球應力壓縮體積變形以及剪下引起的可逆體積變形共同作用，控制了飽和砂土液化後大變形力學行為。