（岩土工程专业论文）液化大变形条件下桥梁桩基的反应与对策研究.pdf

j 墼l 一 摘要 饱和砂土在地震荷载作用下发生液化从而诱发地面大变形对公路、铁路、桥梁桩基、地下管线 等生命线工程产生严重的破坏。自上个世纪八十年代第一次发现了地震液化导致大范围的地面永久 大变形发生的事实后，液化大变形便成为岩土工程界的一个热点和难点，主要原因在于液化大变形 产生的机理及其影响因素比较复杂，同时场地条件的特殊性更增加了液化大变形的不确定性。本文 的主要工作内容为： l 、归纳和总结了液化大变形发生规律及其震害事铡，分析了产生液化大变形的机理和影响液化 大变形发生发展的因素；对液化大变形的国内外进展进行了归纳，对液化大变形的现有计算方法进 行了总结和评价。 2 、在前人试验研究的基础上，利用有限元对液化大变形进行了系统的研究。分析三层土和二层 土体在不嗣的地震加速度、不同倾角、不同液化层厚度等情况下液化大变形的规律、沿断面深度方 向的分布形式、液化大变形距离临空面不同水平距离时的空间变化等，并对二层土体和三层的计算 结果进行了对比和分析；分析了液化层空间位置的变化、液化层边界条件的变化、有无临空面等情 况下液化大变形规律；对液化层为局部分布时及其空间变化、多层液化土层情况下液化大变形的分 布形式进行了研究。 3 、总结和归纳了国内外液化条件下桥梁桩震害的事例，其中液化大变形是造成桥梁桩基破坏的 最主要原因之一。液化大变形条件下，桥梁桩基破坏是由于饱和砂土液化后土体的抗剪强度极低， 不能有效地抵抗土体的侧向移动，桩体在土体的侧向移动下发生破坏，是由于土体侧向位移产生的 附加静应力所引起。 4 、总结了桩在水平萄载下的计算方法以及在水平大变形下的基于离心模型的u 法，其用于计 算桩在液化大变形下位于二层和三层土体时的极值弯矩；利用有限元法，分析了桩在二层、三层土 体时的桩体位移及在不同土层交接处的弯矩等，对于二层土体液化土层和非液化土层交接处的弯矩 是桩身弯矩极值，是控制桩身破坏的关键因素：三层士体时桩身弯矩的极值发生在上覆非液化土层 和下覆非液化土层之中，液化土层对桩身弯矩的影响很小。 5 、对抵御液化大变形的措施进行了总结。对碎石桩的进行液化处理的现状进行了分析提出了 用碎石桩处理含有一定倾角液化土层的岸坡地带时存在的主要问题：利用有限元法，采用四种桩长 情况，对碎石桩处理液化大变形地基深度进行了分析：碎石桩长度应穿过整个液化层，当碎石桩没 有穿过液化层时整个土体会出现沿没有处理的液化层滑动现象：当碎石桩的长度穿过液化层时， 再增加桩长并不能更加有效地城小永平位移，要进一步较小水平位移只能增加处理区的宽度。 6 、采取处理宽度为3 0 m 、5 0 m 、8 0 m 三种情况对液化大变形场地的处理宽度进行了分析，研究 表明：处理区位移随着处理宽度增加而显著减小；并对桥梁桩基位于处理后不同位置进行了桩身受 力分析，不同的处理宽度存在一个桩身所受弯矩比较小范围，而当桩位于该范围之外时，桩身所受 弯矩显著增加。 关键词液化；大变形；桥梁桩基；有限元；碎石桩 垒! 塑型 a b s t r a c t t h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n ti n d u c e db yl i q u e f a c t i o no f e a r t h q u a k em a yr e s u l ti ns e r i o u sd a m a g e st o t h el i f ee n g i n e e r i n gs u c ha sh i 曲w a y ，r a i l w a y ，b r i d g ep i l e sa n du n d e r g r o u n dl i n e s s i n c ej9 8 0 si tw a s f i r s t l yd i s c o v e r e dt h ef a c t so ft h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n to fl i q u e f a c t i o n ，t h er e s e a r c ho ft h el a t e r a l d i s p l a c e m e n to fl i q u e f a c t i o nh a sb e c o m eab i gp r o b l e mi nt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g s i xa s p e c t sa r e s t u d i e di nt h i sp a p e r 1 、t h er u l e so ft h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n to fl i q u e f a c t i o na n dt h ed i s a s t e r sc a u s e db yt h el a r g e g r o u n dd i s p l a c e m e n to fl i q u e f a c t i o na r es u m m a r i z e d a n dt h em e c h a n i s ma n dt h ef a c t o r sw h i c hc o u l da f f e c t t h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n to f l i q u e f a c t i o na r es t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l y ；t h el a t e s td e v e l o p m e n t sa n d t h e c a l c u l a t i o nm e t h o d so f t h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n to fl i q u e f a c t i o na r es u m m e du p 2 、b a s e do n t h e t e s t so f f o r m e rr e s e a r c h e r s ，t h i sp a p e ru s ef e m ( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) t o m a k ea c o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho nt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to f l i q u e f a c t i o nm a i n l ya b o u t ：h o wi tc h a n g eu n d e rt w o o r t h r e e l a y e r ss o i l w h e n i t i ss u f f e r e d d i v e r s ea c c e l e r a t i o na n dv a r y i n g h e i g h to f l i q u e f a c t i o ns o i l s ，a n d h o w t h ed i f f e r e n c eo ft h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n to fl i q u e f a c t i o nb e t w e e nt w oo rt h r e el a y e r ss o i li s ；w h e n t h eb o u n d a r i e sa n dl o c a t i o no fl i q u e f a c t i o ns o i li sc h a n g e d ，t h ea f f e c t sa r ed i s c u s s e d ；w h e nt h el i q u e f a c t i o n s o i li sl o c a lo rt w op a r t s t h er u l e so f t h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n to fl i q u e f a c t i o na r ea l s od i s c c u s e d 3 、t h ed i s a s t e r so fb r i d g ep i l e su n d e re a r t h q u a k el i q u e f a c t i o nf i r es u m m a r i z e da n dt h el a r g eg r o u n d d i s p l a c e m e n t o f l i q u e f a c t i o n i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e a s o n s i nc a s eo fl a r g eg r o u n d d i s p l a c e m e n t s ，t h eb r i d g ep i l ed e s t r o yi si n d u c e db yt h ea d d i t i o n a ls t a t i cp r e s s u r ew h e nt h el i q u e f i e ds o i l h a sav e r yl o ws h e a rs t r e n g t hw h i c hc o u l dn o tr e s i s tt h es o i lm o v e m e n t 4 、t h em e t h o d sa r ec o n c l u d e dw h e np i l es u f f e r e d 血e1 e v e lf o r c ea n dt h el em e t h o db a s e do nt h e c e n t r i f u g a lm o d e lt e s t si sr e c o m m e n d e dt oc a l c u l a t et h em a x i m a lm o m e n tu n d e rt w oo rt h f e es o i ll a y e r s u s ot h ef e mt os t u d yt h ep i l ed i s p l a c e m e n ta n dm o m e n t ：t h em a x i m a lm o m e n tw h i c hc e n t r e lt h ep i l e d e s t r o yi sp r o d u c e db e t w e e nt h eu pl i q u e f i e ds o i la n db l o wn o n l i q u e f i e ds o i li nt h ec a s eo ft w ol a y e r s o i l s ；t h em a x i m a lm o m e n ti sl o c a t e di nt h eu pn o l i q u e f i e ds o i la n db e l o wn o n l i q u e f i e ds o i li nt h ec a s eo f t h r e el a y e rs o i l s 5 、d i f f e r e n tm e t h o d so fg r o u n di m p r o v e m e n t sa g a i n s tl a t e r a ls p r e a da n dl a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n ta r e c o n c l u d e d t h eg r a v e lc o l u m n sa p p l i c a t i o n si n l i q u e f i e d s o i li m p r o v e m e n ta r es u m m a r i z e da n dt h e p r o b l e m sw h e ni ti su s e dt oi m p r o v ef i e l d sw h i c hh a v et h es m a l ld e g r e el i q u e f i e ds o i la r eb r o u g h tu p t 1 e f e mm e t h o di su t i l i z e dt os t u d yt h e g r a v e l c o l u m n d e p t hw h i c hc o u l d r e s i s tt h el a r g eg r o u n d d i s p l a c e m e n t ，t h i sp a p e ru s ef o u rd i f f e r e n tl e n g t ho fc o l u m n st om a k er e s e a r c h t h er e s u l ti s ：t h eg r a v e l c o l u m ns h o u l dd r i l lt h r o t l g lt h el i q u e f i e ds o i l ；w h e nt h eg r a v e lc o l u m nd o e sn o td r i l lt h r o u g ht h el i q u e f i e d s o i l ，t h ew h o l ei m p r o v e d s o i ll a y e r sh a v el a r g ed i s p l a c e m e n ta l o n gt h el i q u e f i e ds o i l ；w h e nt h eg r a v e l c o l u m nl e n g t hc o m eu pt ot h eb o t t o mo ft h el i q u e f i e ds o i ll a y e r , m u c hl o n g e rg r a v e lc o l u m n sc o u l dn o t m a k et h el e v e ld i s p l a c e m e n te f f i c i e n t l y ，m u s te n l a r g et h ei m p r o v e ds o i l st or e d u c et h ed i s p l a c e m e n t 6 、3 0 m 、5 0 m 、8 0 mw i d t ho f i m p r o v ef i e l d sa r eu s e dt os t u d yt h ea p p r o p r i a t ew i d t ht or e s i s tt h el a r g e g r o u n dd i s p l a c e m e n t t h er e s u l t sa r e ：t h ed i s p l a c e m e n to f t h ei m p r o v e da r e a si sr e d u c e dg r e a t l yw h e nt h e i m p r o v e dw i d t hi n c r e a s e s ；t h ed i f f e r e n ti m p r o v e dw i d t hh a saw i d t hw h e r et h eb r i d g ep i l e i ss u f f e r e d s m a l lm o m e n t s ；b u tw h e ni ti sl o c a t e de d g e so fi m p r o v e da r e a s ，t h eb r i d g ep i l ep r o d u c e sv e r yl a r g e m o m e n t s k e yw o r d s ：l i q u e f a c t i o n ：l a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n t ；b r i d g ep i l e ；f e m ；g r a v e lc o l u m n i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墨援金盘日期：幽2 0 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：毯金盗导师签名挑 期：一r 寻即 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 在过去的几十年时间里世界范围内发生了多次大地震，这些频繁发生的大地震引起了包括山崩、地陷、 山体滑坡、泥石流、土坝失事、饱和砂土地基液化等震害。其中砂土液化是最为常见一种现象。而砂土液 化引起的大变形对结构物产生危害极为严重，是造成液化地区公路、铁路、桥梁、码头、大坝、房屋、水 利设施、地下管线等生命线工程破坏的最主要原因之一。液化引起的大变形起初并没有引起人们的注视， 直到1 9 8 6 年日本学者滨田政则( h a r a a d a ) 等通过对比1 9 6 4 年新泻地震和1 9 8 3 年日本海中部地震前后的 航空照片，才第一次发现了地震液化导致大范围的地面永久大变形发生的事实。依此为起点，液化产生的 大变形逐渐成为岩土工程和地震工程的热门课题。 1 2 液化大变形引起的震害调查 与单纯的砂土液化相比而言，砂土液化后引起的大变形对结构物的破坏更大而它的发生却极其广泛， 几乎每次地震导致的砂土液化都会伴随大变形的发生，在国内外多次大地震中均有记录和和报道，见表 1 严”， 通过对以往强震震害的调查，特别是近年来日本、美国地震震害的调查，地面大位移的产生、发展具 有下列些基本特点： 一、凡液化地区，几乎都有地面大位移的问题，且造成的后果比液化地基失效更为严重。 二、砂土液化大变形的原因是土体液化土的侧向扩展，重力在地面移动过程中起了一定的作用。当下 层土体液化时，坡度仅1 度或更小就有可能产生很大的侧向大变形。 三、砂土液化大变形易发生于含有液化砂层的滨海、滨河、三角洲等地带。这些地方往往都含有地质 成因上原生的层箍稍有倾斜的液化土层，地表通常也带有一定的缓倾角o 5 。，在地震导致砂层液化后，极 易发生向河心方向的大位移，加之河流或海边的冲积带往往是建设桥梁的地方，因此地面大位移是桥梁常 见的威胁。 四、砂土液化大变形常导致地表出现裂缝，裂缝长度数十米至数千米不等，地裂缝常分布于距河心几 百米的范围内，在距水线5 0 m 范围内，水平位移及竖向位移均很大；在5 0 1 0 0 m 范围内，水平位移仍较 显著；大于1 5 0 m 以后水平位移趋于减小，基本不构成震害。而且随着地裂缝的产生地表还将形成一系列 的竖向错落。根据地震导致的液化程度、砂层的密实度、地层的倾角不同发生的大变形量值从数十厘米至 数十米不等。 五、大变形常导致桥梁的长度缩短、落梁，地基中的桩体被折断、墩台位移倾斜、地下管线破裂、公 路铁路位移或产生裂缝，导致结构破坏或使结构产生大的位移而丧失使用功能。 图i - i1 9 9 5 神户地震码头堤岸滑移造成桥墩移位 图1 21 9 9 9 土耳其地震时河床变形导致跨河公 路桥梁跨塌 变查奎堂堡主堂垡造塞 地震时间地震名称 震害情况 s a g a m i 铁路桥地表永久位移达3 m ，桥倾斜、位移 1 8 c m ，2 7 根桩位移、倾斜、断裂：神奈l # 左右两岸护 日本关东地震 堤分别向河心倾斜，桥倾斜、位移、上浮； 1 9 3 2 9 ( m = 8 2 ) 东京f u r u s u m i d ac r e e k 区沿f u r u s u m i d a 河地 裂、冒砂严重； k a s u k a b e 市k a w a k u b o 区大量地裂、喷冒。 日本福井地震 多座桥粱坍塌，河堤上朝河心方向有大量地面位 1 9 6 4 ( m = 8 2 ) 移，最大3 9 m ，y o s h i n o 河道变窄，喷冒严重。 s h i n a n o 河两岸大面积液化。地裂，y a c h i y o 桥、 s h o w a 桥、e c h i g o 铁路桥、k a w a g i s h i 桥等处地面壤大 新泻大地震 位移达1 2 ，7 1 m ，大量挡墙及生命线工程遭到严重破坏。 1 9 6 4 6 ( m = 7 5 ) a g a n o 河左岸o g h a t a 区、e b i g a s e 区、m a t s u b a m a 区、s b j n a k a w a 及s h i t a y a | 1 l a 区地面最大水平位移达 7 m 。 美国圣费尔南多地震 坡度1 5 3 的液化地段发生严重位移，最长 1 9 7 1 2地裂1 2 k m ；生命线系统严重破坏；儿条穿过大位移 ( m = 6 4 ) 区的管线遭破坏。 海城温家沟地裂带宽l o o n 2 0 0 m ，距河1 0 0 - - 2 0 0 m 海城地震的铁路滑移2 0 3 0 c m ：营口辽河公路桥桥墩普遍倾斜 1 9 7 5 2 ( m = 7 3 ) 位移；盘山公路桥地裂带宽4 0 m ，8 m 高路堤向河心滑 移2 0 3 0 c m 。 陡河、滦河、海河故道、及月牙河等河岸滑移、 唐山地震她裂，滑移带宽度1 0 0 1 5 0 m ；胜利桥、越河桥等多座 1 9 7 6 7 ( m = 7 8 ) 公路桥长度缩短( 最大9 1 m ) ；天津毛巾厂等数家单位 的房屋被拉断或开裂。 能代市南部地表坡度2 - - 3 ，有大量垂直于等高 日本海中部地震线的地面位移，最大水平位移超过5 ；大量民宅被破 1 9 8 3 5 ( m = 7 8 ) 坏，生命线工程严重破坏；秋田港码头仓库向海位移， 护堤及基础桩被破坏。 台湾九二一大地震 造成台湾中部地壳地表大变形河扭曲：台湾地理 1 9 9 9 9中心南投埔里虎子山三角原点平面位移2 8 m 高 ( m = 7 2 ) 度约下陷5 0 c m 。 l 。3 液化大变形的研究现状 1 _ 3 1 地震液化大变形的机理 历史上，液化研究主要集中在由地震引起的剪切应力和剪切变形作用下超孔压形成和液化触发的课 题，这些方面已经为我们深入了解，并有了可靠的评估计算方法；另一方面，关于土体对液化发生后的反 应机理所知的却还相当少。 具有易液化砂土沉积物两且水平地面临近自由面或微倾斜面的地区，地震大变形导致大量地下结构和 生命线工程的严重破坏。但是，由于控制大变形的因素复杂，要采用包含大量参数的复杂方法来预测地面 大变形却相当困难。近2 0 年来，一些研究小组( 如s a s a k ie ta l “，1 9 9 2 ：t a b o a d a ”“1 e ta l ，1 9 9 5 、 2 第一章绪论 2 0 0 2 ) 通过室内循环三轴试验或单剪试验、l g 振动台试验和动力离心模型试验等来研究地面大变形的机理。 基于以往可用的地震资料基础上，近1 0 年来在地面大变形经验法及其影响因素方面取得了很大的进步 ( t t a m a d ac ta l 1 9 8 6 ：b a r t l e t ta n dy o u d ”11 9 9 5 ：r a u c ha n d m a r t i n ”12 0 0 0 ；g u a n g w e az h a n g “，2 0 0 1 ) 。 然两+ 对于液化触发后的大变形发生机理的基本方面，不同的研究者之间认识并不统一。弄清液化引起地 面大变形的产生机理是正确预测液化地面大变形的首要条件。目前，主要通过室内循环三轴试验、单剪试 验、振动台、动力离心模型试验和以往地震现场观察资料等来讨论液化地面大变形的产生机理和控制参数。 目前关于液化地面大变形机理，一般有以下几种认识。一种观点( d o b r y 和b a z i a ”“，1 9 9 5 ) 认为大变 形主要产生在因应变集中而发生破坏的表面，变形不液化受层的厚度影响，其中一个控制侧向变形的主要 参数是破坏区土的最小不排水抗剪强度。另一观点( s a s a k ie ta l ”1 1 9 9 2 ：y a s u d ae ta 1 1 1 2 1 9 9 2 ) 是侧 向变形受控于液化层中的分布残余剪应变，液化层的厚度在侧向变形模型中起到非常重要的作用。第三种 观点( s h a m o t o ，张建民等“，1 9 9 8 ) 认为研究液化大变形的机理，不能忽略土体液化后的变形、孔压特 性，液化后土体孔压消散、重力静加载过程中产生的再固结大变形占大变形的重要部分。实际j 二前丽神观 点可归结为残余强度理论，液化大变形受控于液化层的残余强度或分布残余剪切应变和液化层厚度。 1 3 2 液化大变形主要控制因素 为了解地基液化大变形的机理及其主要控制因素，美国、日本研究人员进行了大量循环应力三轴试验、 单剪试验、振动台试验和土工动力离心试验，并利用航片、卫片对历史地震资料进行了调查统计，认为地 面大变形主要受控于三方面的因素： 一、土体特性因素 1 土体特征的影响 理论上，影响土体液化的因素，同样影响液化后大位移，包括土体密度、组成、级配、颗粒形状、结 构和年代等。其中，相对密度是控制潜在侧向位移一个主要因素。s e e da n dl e e ( 1 9 6 6 ) 通过循环三轴试验发 现砂土在初始液化后，随着应力循环的增加，相对密度影响应变增长幅度的增长比率。随着密度增大，应 变增加的速率变慢，砂土由松散逐渐变为密实的现象比较明显。 土体组成和颗粒特性同样对液化后大变形产生影响。大部分研究只集中在砂土中细颗粒( 粒径小于 0 , 0 7 5r a m ) 对侧向位移的作用，但目前尚不能就该方面的作用进行全面评估。一般认为，细颗粒的含量和 颗粒的塑性在土的抗液化能力中都起到重要的作用。细颗粒含量越高，现场c p t 或s p t 测试贯入阻力越 高，抗液化能力越高( s e e d ，1 9 8 5 ) 。 土体结构和历史对抗液化能力的影响都非常显著。因水泥土或沉积土的约束在液化过程中遭到破坏， 所以，结构和历史对液化后土体的影响作用与其对液化发生的潜在可能性的影响作用不同。具有同样贯 入阻力的水泥土( 或老沉积土) 与无粘结( 或新近沉积) 土相比，其它条件相同，液化后前者将产生较大的 位移。 2 、大应变引起的土体膨胀的影响 大应变时土体膨胀造成的剪切应变发展受限制的现象，得l j s e e da n dl e e ( 1 9 6 6 ) 、i s h i h a r a t 4 1 ( 1 9 8 5 ) 、 m o u r a dz e g h a le ta 1 “( 1 9 9 9 ) 、s h a m o t oe ta 1 1 1 4 【1 9 9 8 ) 等进行的室内不排水循环试验、1 9 振动台 试验、离一t l , 模型试验和现场地震响应试验的证实。所有证据都表明大应变引起的土体膨胀可能导致大剪切 应变循环中剪切强度和剪应力显著恢复，这可能导致对侧向扩展中永久剪应变聚集产生很强的抵抗作崩。 可以相信，对于密实的砂土，膨胀反应比边坡角、输入加速度增加、输入频率减小的作用要显著的多。 二、地震特性 地震的震级、距震源或断层的距离是评估液化发生的可能性和估算地震中液化大变形的两个重要参 数。高震级的地震导致震源附近的中等或高液化土产生很大的分布广泛的地面破坏，液化侧向位移随着距 断层距离的增加呈对数减小的趋势( y o u da n dp e r k i n s “1 9 8 7 ) 。 最大水平地面加速度( a 。) 经常用来描述强烈的地面水平运动，液化后大位移随，值的增加而增加 ( b a r t l e t t 1 ，1 9 9 0 ：t a b o a d aa n dd o b r y “，1 9 9 8 ) 。然而，对于一个给定的地震当没有地震加速记录时， 很难确定。的值，因为a ，。随着地层结构、砂土性质和其它地震性质甚至地面的几何形状而改变。 t a b 。a d a ( 9 9 5 ) 在1 9 振动台和离心试验中都发现侧向位移永久变形在砂发生液化后随循环次数的 增加而积聚。强烈地面运动的持续时间随着震级增加。可用经验公式根据震级和距震中的距离估计持续日寸 东南大学硕士学位论文 间。 地震中惯性力对液化发生后的影响( 如液化侧向位移的发展) - 5 触发砂土侧移的原理不同。s a s a k i “c t a 1 ( 1 9 9 1 ) 进行了一个特殊模型的振动台试验，认为惯性力的影响是间接的，决定了砂士液化的范围，可 b 控制土体侧向运动的发展程度。 另外，d o b r ya n da b d o u n “( 1 9 9 8 ) 在1 9 振动台试验和离心模型试验证据的基础上认为：地震中 砂土的惯性力在液化侧向位移中对控制地面运动起着直接作用，在震动停止后地面删向变形也跟着停止， 除非液化层在很陡的斜坡上或接近很陡的自由面，此时存在着很大的静剪应力。尽管过去亲眼看到过地震 侧向扩展的人证实液化引起的侧向运动有时可能在地震后还会继续，d o b r ya n da b d o u n ( 1 9 9 8 ) 相信继续 发生的地面变形可能是由于余震引起的这些余震强度太弱以至于现场的人无法感觉，但是对于已经液化 的砂土却足够强。 现在关于侧向扩展中惯性力的作用还不是很清楚，需要进行更多的研究去评估惯性力对液化侧向变形 的影响。一般认为静力和惯性力在推动侧向扩展中沿斜坡向下的运动都起了作用。 三、场地几何特征和现场剪应力的影响 1 、场地几何特征的影响 现有的振动台试验、离心模型试验和现场观察的结果都表明现场地形对侧向位移大小起着主要的作 用。 b a r t l e t t 和y o u de ta l 口“82 1 1 ( 1 9 9 2 、1 9 9 5 、1 9 9 9 ) 基于美国和日本过去地震液化侧向扩展的案例提出 m l r 模型，认为微倾地面的侧向位移大小与地面坡度的o 3 4 3 次幂成正比，当临近自由面时侧向扩展位移 将显著增加，并随着离自由面距离的增加而呈对数衰减。i s h i h a r ae ta l l 2 2j ( 1 9 9 6 ) 曾经报道过，在1 9 9 5 年 h y o g o k e n - n a r n b u 地震侧向扩展中清楚观察到这一现象。b a r t l e t ta n dy o u d 1 ( 1 9 9 5 ) ，r a u c h 等”“( 1 9 9 7 ) 也发现自由面的高度( 或水渠的深度) 对位移有影响。当其它条件相同时，自由面高度越大，侧向位移也 越大。 2 、现场静剪切应用的影响 g u a n g w e n z h a n g ( 2 0 0 1 ) 等【2 42 ”认为上述场地几何特征( 场地边坡、离自由面的距离、自由面高度) 对 侧向位移的重要影响可部分或全解释为现场最大静剪应力对侧向位移的作用。比如，场地坡度对液化侧向 位移的影响可被部分或全部解释为平行于地表面的静剪切应力对侧向位移的作用。这是因为静剪应力与场 地坡度成比例关系。尽管临近自由面的地面存在更多复杂的应力分布，一般平行与地表面的静剪切应力照 着离自由面距离的增加而减小。这与侧向位移随着离自由面距离的增加而减小的趋势一致。当然，自由面 提供了一个无限制的边界，导致该处发生更大的水平位移，这一点不能用静剪应力来解释。临近自p h 面的 地方可能局部滑动破坏，因为自由面陡坡导致存在高静剪应力。局部滑动破坏可能引起临近自由面的地方 产生大位移，这种大位移不能用前面讨论的液化侧向位移来解释。在这种情况下，需要进行边坡稳定性分 析来计算其稳定性。此外，当临近自由面发生局部滑动破坏，现场还可能触发溯源性的滑动破，其发生机 理完全不同于液化引起的侧向扩展。 四、其他因素的影响 1 、液化层空间分布的影响 液化层的垂直分布可能也对侧向位移的大小有影响。比如，假设两个现场具有相同的地面边坡、液化 砂土、相同的土体条件( 如相同的液化层厚度、相同的抗液化参数) ，但是具有不同的垂直位置- 其中一 个液化层靠近地表面，另一个则位置较深，则理论上认为，这两处场地在相同的地震作用下产生的侧向位 移应该不一样，因为上面非液化层的作用不一样。具有自由面的地面侧向扩展可以进行相同的解释，如所 示的三种情况，其它条件保持相同，但是液化层的垂直分布不同。可以想象由于所受的侧向限制条件不一 样。相同的地震作用下这三处地方的侧向位移大小可能不同。( a ) 中的位移可能最大，( c ) 可能最小- 4 ( c ) 水位线 液化土层 图1 - 3 液化屡不同空间分布 以上讨论的几种假设情况都只含有一层液化土，事实上，一些场地可能存在多层液化士，从而使得液 化层的垂直分布的影响变得更加复杂。另外，现场液化层性质和液化层厚度在水平方向上分布的显著变化 也会给计算液化侧向位移带来了更多的困难。 2 、边界的影响 侧向扩展中位移的大小和方向受附近的天然和人工构造物特性的影响。挡土墙、码头、桩、桥墩、管 道和其它结构都能约束侧向位移，这在过去很多地震现场得到证实。但关于液化层下伏层边界影响规律的 研究，无一致观点( h a m a d ae ta 一，1 9 8 6 ：y a s u d a ! “1 s a s a k ie ta 1 1 4 1 9 9 2 ) 侧向扩展的边界通常用液化沉积的大致界限来确定，场地表面破坏可能会扩展到边界以外的地方， o r o u r k ea n dl a n e 【z “( 1 9 8 9 ) 将这种破坏命名为边缘流动。 3 、不排水液化层孔隙水重新分配的影响 振动台试验( l i ua n dq i a o1 2 8 1 9 8 4 ) 1 心试验( f i e g e la n dk u t t e r f 2 9 3 0 1 9 9 4 ) 都表明从松砂层的空隙中 排出的孔隙水聚集在弱透水层之下并形成水膜。如果上覆层为弱透水土层，砂土层不断沿潜在滑动面形成 水膜，上面的砂土将可能以块体形式沿着水膜移动，这可用于解释离心模型试验中侧向位移集中沿着上面 淤泥层和下砂土层之间的分界面的现象。 4 、液化层中超孔隙压力消散的作用 在部分排水条件下孔隙水的转移会对侧向位移有非常大的影响，因为在天然情况下经常发生孔隙水在 一定程度上的消散( r a n c h l 2 3 1 1 9 9 7 ) 。s t a r ka n d m e s r i 【3 1 ( 1 9 9 2 ) 指出，部分超孔隙压力的消散能导致滑动过程 中抗剪强度的增加，从而减小侧向位移的大小。另一方面，液化砂土中超孔隙压力的产生会增加邻近砂土 的孔隙压力。s e e da n d l e e ( 1 9 6 6 ) 指出超孔隙压力的转移会导致邻近砂土的液化，本来认为邻近的砂土在这 样的地震中不会发生液化的。孔隙水的向上运动甚至会导致在地下水位以上的毛细区域砂土发生液化或变 软。 5 ，下层砂土液化引起的加速度隔离 o ，r o u r k ea n dp e a s e1 3 2 1 ( 1 9 9 2 ) ，t a b o a d a 5 ( 1 9 9 5 ) 、m o r i 【3 3 1 ( 1 9 9 8 ) 通过现场观测及振动台、离心模型试 验认为，地震中液化区域会阻止上部区域产生更强烈的地震影响；在水平地面或微斜坡上( 小于5 ) 下 面土层的液化层会导致上层土体中的地震加速度下降，而加速度的下降会影响上层土的剪切应变，从而限 制液化侧向扩展中最终的侧向位移。土层液化对上面土层加速度的作用也取决于液化层的水平长度和坡 度；在狭窄液化场地上传递到表明非液化层的能量大部分是通过水平边界( 或边缘) 。 东南大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 一一 圈图鬻黜i _ ! 叁竺逛 图1 - 4 二层液化层不同空间分布 在多层液化土中，这种作用将更加复杂。例如，假设两处具有两层相同液化层的轻微斜坡经历相同的 地震作用，但是可液化层的竖向分布不同，见图( a ) 、( b ) 。对于图中( a ) 的场地，上层松砂十层的液化 不影响下面中等密实砂层。如果地震荷载足够大，下面中等密实砂层也会发生液化。对( b ) 中的场地，由 于下面松砂层会先被触发液化，从而对上面中等密实砂土层的地震加速度产生隔离，上面中等密实砂土层 就可能不发生液化。因此，多层液化土的液化顺序也会影响液化侧向位移。 1 3 3 地麓液化大变形的预测 液化后大变形的计算方法总的来讲有经验法、简化法和数值模拟法。经验法和简化法一般用于近似的 估计液化后地面大位移的量级。主要在日、美等国的基础上得到的统计公式，以日本的h a m a d a 、美国的 b a r t l e t t 、y o u d 等人的研究为代表，该方法已研究的比较成熟，并用于实际的应用，取得了比较好的结果。 另一个比较成熟的计算方法是n e w m a r k 滑块法，6 0 年代n e w m a r k 提出了已屈服加速度概念为基础的滑块 体位移就算方法，主要用于坡体位移的计算。d o b r y 等把n e w m a r k 滑块法运用到地面大位移的计算重，将 液化后土体仍视为固体，其抗剪强度为残余强度，在此基础上计算液化大变形。第三种方法是t o w h a t a 将 土体视为流体的方法，此法主要用于穿越地下液化土层管道的计算。 1 、经验法 1 ) h a m a d a 等【3 4 】在1 9 6 4 年日本新泻地震和1 9 8 3 年日本海中部地震的基础上，提出一个计算液化大变 形的计算公式 d = 0 7 5 4 h v 0 ( 1 - 1 ) 式中：d 。( m ) 水平方向的地面大位移；h ( m ) 为液化层厚度；o ( 度) 为液化层或地面的倾斜角，取 最大值。 2 1 多元线性回归法( m l r ) 以b a r t l e t t 、y o u d 等2 0 、2 “”3 6 1 所提出的公式最具有代表性，所用液化大变形的历史资料如下：共有 4 6 7 个液化大变形资料用于拟和最后的m l r 模型。在这4 7 6 个资料中3 3 7 来自日本1 9 6 4 年新泻地震和1 9 8 3 年日本海中部地震资料，1 1 1 个来自美国的资料，1 9 个来自a m b r a s e y s 数据。这些资料的获得主要依靠 震前和震后的航空照片的资料分析，实际地形测量，桥梁、建筑物及管道等的偏移来获得。在此基础上得 出两个计算公式。 当河岸边有挡土结构时公式为 l o g ( d , ) = 一1 6 3 6 6 + 1 1 7 8 m 一0 9 2 7 1 0 9 r 一0 0 1 3 r + 0 6 5 7 1 0 9 w + r 1 ，。、 o 3 4 8 1 0 9 正5 + 4 5 2 7 l o g ( 1 0 0 一f j s ) 一o 9 2 2 d 5 0 1 5 缓坡地带的液化大变形公式为 1 0 9 ( d h ) = 一1 5 7 8 7 + 1 1 7 8 m 一0 9 2 7 1 0 9 r 一0 0 1 3 r 十0 4 2 9 1 0 9 s + ( 1 2 b 、 0 3 4 8 1 0 9 正5 + 4 5 2 7 l o g ( 1 0 0 一f l5 ) 一o 9 2 2 d 5 0 1 5 式中d h 水平方面的地面位移( m ) ；m 震级ir 距震中的水平距离( k m ) ；w 一一i 腐空面高 度与距离临空面的水平距离之比：s 地表倾斜率( ) ；正，标准贯入锤击数小于1 5 的饱和砂土层 6 第一章绪论 的累计厚度( m ) ；曩，一一墨5 中细砂的平均颗粒( ) ；d 5 0 l5 t 5 中的平均粒径( m m ) 。 该公式的回归系数，2 为8 2 6 ，所有相关系数的置信度为9 9 9 。 2 董缚 猖 3 缁 羹t 林猫 峙 o 籀 n 预测值( ) 图1 5 使用公式1 - 2 预测值与实测值 但是y o u d 、b a r t l e t t 等口6 1 随后发现在所用1 9 8 3 曰本海中部地震资料有误，导致预测值偏大，重新进行计 算；剔除掉一些原有阻止液化大变形发展的边界点资料；增加了一些新的重要地震资料( 1 9 8 3b o r a hp e a k ， i d a h o ；1 9 8 9l o m ap r i e t a , c a l i f o m i a ；1 9 9 5k o b e j a p a ne a r t h q u a k e s ) 。对原有公式进行了修正，得到新的计算公式： 当河岸边有挡土结构时公式为 l o g ( d h ) = - 1 6 7 1 3 + 1 5 3 2 m 一1 4 0 6 l o g r 一0 0