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基于流体力学的砂土液化研究 进展与探讨

江苏省力学学会2006学术大会暨第二届苏港力学及其应用论坛. GeoHohai. 基于流体力学的砂土液化研究 进展与探讨. 报 告 人：陈育民 指导教师：刘汉龙 教授. ymch@hhu.edu.cn 2006 年 5 月 28 日. 背景. 印尼爪哇岛地震 2006 年 5 月 27 日凌晨 5 点 54 分 ( 北京时间 6 点 54 分 ) 左右，印尼爪哇省发生里氏 6.2 级地震，由于震中位于人口密集区，震源较浅，造成了巨大的人员伤亡。目前印尼爪哇岛地震死亡人数升至 3500 人. 报告内容. 研究背景 基于流体力学的研究思路

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基于流体力学的砂土液化研究 进展与探讨

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  1. 江苏省力学学会2006学术大会暨第二届苏港力学及其应用论坛江苏省力学学会2006学术大会暨第二届苏港力学及其应用论坛 GeoHohai 基于流体力学的砂土液化研究进展与探讨 报 告 人：陈育民 指导教师：刘汉龙 教授 ymch@hhu.edu.cn 2006年5月28日

  2. 背景 • 印尼爪哇岛地震 • 2006年5月27日凌晨5点54分(北京时间6点54分)左右，印尼爪哇省发生里氏6.2级地震，由于震中位于人口密集区，震源较浅，造成了巨大的人员伤亡。目前印尼爪哇岛地震死亡人数升至3500人

  3. 报告内容 • 研究背景 • 基于流体力学的研究思路 • 液化(后)砂土的流体力学分析 • 基于流体力学的液化变形计算方法 • 结论

  4. 砂土液化 • 典型的流固耦合问题 • 震害的主要原因之一 • 液化后性状成为热点 • 新的国际抗震标准(ISO23469) • 土与结构的相互作用以及液化效应是地震作用的主要问题 • 在一个协调的框架下系统讨论这些问题 • 基于性态的抗震设计方法(Performance-based Method)

  5. 砂土液化 • 定义：任何物质转化成液体的行为或过程。 • 美国土木工程师协会(ASCE)岩土工程分部土动力学专业委员会 • 研究进展 砂土液化 土动力学 Newmark法(Lee, 1974) 软化模量法(Yasuda et al., 1992) BSHM (Wang et al, 1990) 双曲线模型(刘汉龙等, 2002) Viscoelastic model(张建民等, 2004) 流体力学 粘性流体(Sasaki et al., 1992) 宾汉流体(Uzuoka el al., 1998, Hadush et al., 2000, Towhata et al., 2005) 假塑性流体(陈育民,刘汉龙等, 2006) 固体 流体

  6. 砂土液化?流体?

  7. 砂土液化?流体? Good idea! • 现实生活中存在大量的流体： • 泥石流；地幔；泥浆；高含砂水流 建筑物沉降与倾倒 地面大变形 地下管线上浮 地下管线扭曲

  8. 流体力学方法 • 主要是日本学者 • 借鉴了流体力学中的常规试验方法和理论 • 落球粘度计试验方法 • 平面绕流理论 • 空间绕球流动理论 • 试验方法 • 振动台试验(最多) • 动三轴试验 • 离心机试验 • 粘度计试验 v F Towhata et al., 1999

  9. 流体力学方法 近似流体 假设流体 牛顿流体 不同与… 1999年 Towhata等进行了振动台拖管试验，按照流体动力学中的公式，由施加在圆柱物体上的阻力来反算粘性流体的表观粘度 2002年 Nishimura等采用三轴扭剪试验来研究低围压条件下液化土的粘滞特性，提出“不同于正常牛顿流体”的说法 1992年 Sasaki等利用振动台对液化变形的发生机理进行一系列试验，得到的主要结论之一就是：液化砂土与流体“非常类似” 1992年 Towhata 等将液化后砂土假设为流体，由振动台试验结果将液化土体的侧向变形曲线假设为正弦函数曲线

  10. 液化后大变形试验(周云东,2002) sc 初始液化 EPP t Stage 2: 动荷载 Stage 3: 静荷载 Stage 1: 固结 Time

  11. 液化后流体力学分析 . t = 1.446g 0.247 液化 液化后 sc EPP Stage 1: 低强度 大变形 Stage 2: 强度恢复 t & EPP t - g 0 g 剪切稀化 log(m)=6.775(1-PPR)0.135 Excess Pore Pressure Ratio

  12. 液化后流体模型 • 流体模型 • 液化： • 液化后： • 三维推广 • qt, 

  13. 液化后流体模型的实现 • 模型的实现 • 简单验算 • 编程实现 • 商业程序的再开发(Adina, Abaqus, FLAC) • FLAC3D的优点 • 国际通用的岩土工程专业软件 • 完全动态运动方程使得模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍 • 显示求解具有较快的非线性求解速度 • 大应变模拟 • 强大的动力分析功能 • 可以自定义本构模型

  14. 液化后流体模型的实现 For all gridpoints Velocity Force Equilibrium equation (Motion equation) Integrate Gauss law For all zones Constitutive model (UDM) Strain rate New stress Begin Initial liquefaction? NO Normal Finn Model YES Liquefied calculation YES Liquefaction? NO Post-liquefied calculation Dynamic time finished? NO YES End • 编译方法 • VC++编程环境(UDM) • 增量本构方程 • PL-Finn模型 • Post Liquefaction Finn Model

  15. 液化后流体模型的验证 • 单zone测试 • 仅用一个单元(zone) • 速度控制边界条件

  16. 结论 • 引入流体力学的观点可以很好的解释各种液化震害现象，有着较好的研究前景 • 液化砂土在一定条件下是一种剪切稀化非牛顿流体 • 根据液化后变形试验结果提出一种液化后砂土的本构模型并在FLAC3D中得到实现 • 需要更多的试验和数值分析来进行新方法和新模型的验证

  17. 谢谢！请大家批评指正！

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