液化模拟(Liquefaction Modeling)

土在单调或循环荷载下剪切强度的损失称之为液化(Liquefaction)【基于剪切波速的地震液化判别(Shear Wave Velocity)】，这是由于松散的土在剪切荷载下逐渐压实引起的。液化一词最初是由Mogami和Kubo(1953)创造的，这个定义包括了静态液化和动态液化，有效应力不一定为零才能使土液化，尤其是当饱和无粘性土承受快速静态或循环荷载时，土致密化的趋势导致有效应力降低【检查和评价土的有效应力(Evaluate the effective stress of soil)】，从而导致土发生液化。

在循环剪切荷载期间，某些砂中的孔隙压力可能会大大增加【液化分析数值模型(Numerical Models for Liquefaction Analysis)】，最终当有效应力降低时，该过程可能导致液化。虽然超孔隙压力通常与液化有关，但这并不是液化的直接原因。在没有施加载荷的恒定体积测试中，颗粒之间接触力的减小是导致有效应力降低的原因。Dinesh等人(2004)使用离散元方法模拟了这个测试(其中孔隙压力没有变化)。另外一种情况是在常压下的不排水、简单剪切试验中，循环压实过程中孔隙率不可恢复的降低会产生孔隙压力，从而降低了有效应力。膨胀在液化过程中起着重要作用。由于土在重复剪切循环下致密化，可能会阻止颗粒重新排列，从而导致土颗粒被迫向上移动，导致土发生膨胀，有效应力增加，孔隙压力减小。

本文讨论了FLAC中内置的3个液化模型【本构模型(Constitutive Models)选择】：Finn、P2PSand和NorSand。

2 Finn Model

Finn模型[Finn(2000) State-of-the-art of geotechnical earthquake engineering practice)]是FLAC发展最早的液化模型(Earthquake Loading of a Pile-Supported Wharf), Finn模型是一个动态的孔隙压力产生弹塑性模型，使用了Martin/Byrne建议的公式。 

model configure dynamiczone cmodel assign finn

Finn模型主要输入参数:

bulk---elastic bulk modulus 

cohesion---cohesion 

constant-1---constant 

constant-2---constant 

constant-3---constant 

constant-4---constant 

dilation---dilation angle. The default is 0.0.

flag-switch---= 0 for Martin，and = 1 for Byrne

friction---internal angle of friction 

poisson---Poisson's ratio 

shear---elastic shear modulus 

tension f---tension limit. The default is 0.0.

young f---Young's modulus 

number-latency---minimum number of timesteps between reversals. The default is 0.

strain-shear-plastic---accumulated plastic shear strain

strain-tensile-plastic---accumulated plastic tensile strain

strain-volumetric-irrecoverable---accumulated irrecoverable volume strain, which is positive in compression, an interval variable used in Martin and Byrne formula

3 P2PSand Model

P2PSand模型是基于边界面理论的有效应力砂塑性模型。P2PSand(Practical Two-surface Plasticity Sand)模型与PMP4Sand类似，旨在捕获基本的土动力特性。该模型是由Dafalias和Manzari(2004)开发的与织物膨胀相关的砂塑性DM04模型的改进与扩展。修改后的模型将所有与空隙率相关的组成成分切换为相对密度，并采用原位数据(例如标准贯入试验而非实验室中的实验数据)进行更简便的校准程序，该模型遵循DM04模型的一般多轴公式，因此可以用于一般3D边界值问题。该模型保留了以下特征：一组模型常数可以模拟具有不同初始相对密度和初始应力状态的不同响应。P2PSand模型有大约42个属性值。

model configure dynamiczone cmodel assign p2psand

4 NorSand Model

FLAC的NorSand模型是一种适用于砂的临界状态模型，用于模拟静态液化，该机制被认为是最近几个尾矿坝溃坝的原因。砂颗粒间的相互作用是通过接触力和滑移而不是粘结来控制，并入了状态参数以便捕获颗粒状土的行为，各种限制应力和密度。NorSand所需的土特性相对较少，可以通过常规实验室或原位测试进行估算。从非常松散的土的静态液化到非常致密的土的膨胀，能够显式地捕获整个砂土的行为。【原始Norsand模型的参数回顾(Jefferies's Excel VBA code)；Norsand模型刚度(弹性)参数的输入】Plaxis也内置了NorSand模型。

zone cmodel assign norsandzone property density 1.6 zone property shear-reference 2.097e4 exponent 0.47 poisson 0.15 zone property c-s-1 1.2 c-s-2 0.06zone property ratio-critical 1.47 hardening-0 75.0 hardening-y 400.0  zone property factor-dilatancy 3.2 factor-coupling 0.5 zone property state-parameter-initial [psi] o-c-r 1.1

5 参考

[1] Shaking Table Test with Finn Model: Simulation of the Liquefaction of a Layer

[2] Cyclic Undrained DSS Tests with P2PSand Model