地基液化是工程结构地震破坏的重要原因之一。1964年日本新泻地震和美国的阿拉斯加地震中发生了大量的场地液化引起的砂沸、地基承载力丧失、不均匀沉陷、边坡流滑等灾难性的破坏。此后地震液化问题广泛引起学术界和工程界的重视，学者们针对砂土液化开展了大量的研究工作。室内试验是饱和砂土液化研究不可或缺的手段，也是揭示地震液化机理的重要手段。除大型振动台和离心振动台试验外，国内外很多学者也利用动单剪仪、动三轴仪、动扭剪仪及竖向-扭剪耦合剪切仪开展了大量的试验研究，探讨了其液化机理、孔隙水压力发展模式、抗液化强度及其影响因素等，并将室内试验得到的孔隙水压力计算公式、抗液化强度等结果直接用于实际场地液化评价中。而已有常规动三轴、动扭剪试验研究表明，非均等固结条件下饱和砂土的液化状态、极限孔压与固结比、循环动载幅值相关，小幅循环动载作用下常不能实现土体液化过程模拟，这与某些实际场地在小幅动载作用下产生的土体液化情况不符，也为土体抗液化能力和孔压增长评价带来了不确定性。 本项目在临界状态土力学框架下，分析了常规试验中非均等固结条件下饱和砂土液化状态与固结比、循环动态幅值的关系，并通过试验验证了其正确性。结合实际场地土体的受力状态和液化过程分析，提出了非均等固结条件下饱和砂土液化试验的变围压控制方法，对比分析了常规动三轴、动扭剪和变围压土体液化试验揭示的不同液化过程机理，提出了“持续液化”的概念，并与常规试验中的“瞬时液化”情况进行了比较。在此基础上，针对非均等固结条件下饱和砂土液化试验的孔隙水压力增长特征，建议了基于统一液化定义的孔隙水压力增长模型确定思路。 2100433B

近些年全球范围内频繁发生地震，砂土液化现象作为地震灾害的一种主要形式，常常会引起建筑物基础的不均匀沉降及结构的破坏，造成严重灾害和人员伤亡，给人类带来巨大灾难，尤其是2011年2月发生的新西兰6.3级地震造成了罕见的大面积液化，使人们重新认识到土体液化问题的复杂性和深入研究的必要性。关于土体液化问题在室内一般采用常规动态三轴或动态扭剪等实验手段，但其结果往往无法解释实际液化现象。主要原因在于室内试验土单元的应力状态和实际土体应力状态并不一致。.本项研究拟联合运用先进土工试验、理论分析与数值计算等技术手段，以利用室内小尺寸单元试验探讨土体在侧限条件下的液化特性为主线，研究土体初始应力状态和应力重分布对动力特性的影响，包括研究新的孔隙水压力模型等；在此基础上，发展适合描述侧限约束条件下的土体应力应变关系的弹塑性本构模型，最后借助有限元计算方法评价液化场地地下结构抗震性能。

采用散粒介质力学与细观机理分析方法，通过三轴数值试验，模拟在地震荷载作用下饱和砂土液化过程，探讨液化过程中状态转换面的产生、稳态变形、循环活动性发展等的细观机理。在此基础上，发展一个颗粒-流体耦合的饱和砂土细观力学模型，模型中颗粒运动采用散粒介质的离散单元方法模拟，流体运动采用计算流体动力学（CFD）技术计算，通过一定的边界条件实现流固两相的耦合。采用建立的细观模型研究饱和砂土液化时土体的局部渗流特性，分析渗透系数与应力、细观组构演化与宏观应力应变发展之间的定量关系。在振动模型试验中引入先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，测量分析饱和砂土液化时土体细观组构参数的演化规律，并与数值结果进行对比分析。最后根据上述流体-颗粒耦合细观模拟、组构演化规律分析以及模型试验结果，建立一个基于细观机理分析的饱和砂土液化模型。 2100433B

本项目以5.12四川汶川地震后我国广大地震液化地区的防震减灾需求为背景，鉴于当前缺乏对饱和砂土液化后流动特性的认识，开展基于流体力学理论的饱和砂土液化后流动特性试验研究，分析液化后砂土的流体类型，建立流动本构模型和大变形分析方法。首先，利用自行设计的试验装置，开展饱和砂土液化后流动特性试验，得出零有效应力状态和非零有效应力状态下砂土的流动变形规律；然后基于流体力学理论，建立饱和砂土液化后流动本构模型，并确定液化后砂土的流体类型；再将建立的流动本构模型开发到岩土工程专业程序FLAC3D中，根据典型震害的模拟，对模型进行验证和修正，最终建立正确、有效的饱和砂土液化后流动大变形分析方法。研究成果将丰富并创新地震液化机理和变形分析理论，对阐明饱和砂土液化后的流体类型、揭示液化后流动大变形规律具有重要的理论意义，对我国广大地震液化地区的防震减灾工作具有重要的社会意义和实用价值。

饱和松散土体往往会发生静态液化（扩散性失稳）现象，造成边坡等发生流滑灾害。本研究针对松散砂土等离散介质的特性，采用离散元方法模拟和理论推导等研究砂土的静态液化等宏观力学特性，以及其微观机理。主要研究内容和成果包括：（1）利用离散元方法模拟室内单元试验，并研究土体微观结构在剪切过程中的演化，建立微观结构和土体宏观力学行为的内在联系，从根本上阐释静态液化失稳的机理。离散元模拟研究结果表明：砂土的宏观力学有很强的状态相关（包括初始围压和孔隙比）特性，饱和松散砂土才会出现静态液化现象。土体的微观结构决定着土体的宏观力学特性，特别是颗粒接触配位数和接触法向的分布。静态液化发生时，颗粒的接触配位数为4.0左右，然后突然降为0，表示砂土结构的崩解。同时砂土的微观结构也存在临界状态线，跟土体的宏观临界状态线相对应。（2）研究了边坡渐进破坏过程中剪切带的形成和发展，研究结果表明：剪切带从加载初期许多的细微潜在剪切带发展而来。剪切带中土体由于强剪胀性而导致大孔隙结构，伴随着很大的颗粒累积转动位移。（3）研究了影响土体初始应力状态（静止土压力系数K0）的主要因素，研究表明土体的K0跟土体的颗粒接触配位数存在着本质联系。（4）推导了基于推导的离散介质中的Hill稳定条件，研究了土体初始应力状态对土体失稳的影响。研究结果表明：系统二阶功的减小量约为系统动能的增量。在不等向应力（或者有偏应力）条件下，二阶功跟应变路径角度有明显的相关性。只有应变方向处于失稳域（一般分布角度为130°-190°）中，试样才会发生失稳。砂土试样失稳的微观表现形式是系统动能的突然性爆发式增加，表明了Hill稳定条件在离散介质中的适用性。 2100433B