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经若干方法处理黄土地基抗液化性状的研究 摘要 用二维有限元方法对黄土碎石桩复合地基的抗液化性状进行了数值分 析。结果表明，碎石桩在黄土地基中具有明显的抗液化效果，但由于黄土的 低渗透性，即使增加碎石桩的直径，其抗液化影响范围也很有限。 在野外人工饱和黄土地基上实施了液化爆破试验，获得了在爆破地震波 作用下人工饱和黄土地基中的超孔隙水压力和加速度资料。 对野外人工饱和黄土液化爆破试验进行了室内模拟和数值分析。对比分 析显示，由室内模拟试验和数值分析给出的孔压比和应变与野外爆破试验的 结果很接近。同时，等幅循环荷载与野外爆破地震荷载在荷载类型、荷载强 度和频率方面对试验结果有定的影响。 采用现场试验和室内动力试验，对强夯法、化学灌浆法、挤密桩法、换 土垫层法和预浸水湿陷处理后的黄土地基的液化性状进行了综合研究。结果 表明，只有化学灌浆处理法能在减少黄土的震陷性、湿陷性和提高黄土地基 +， 的承载力的同时，能彻底消除黄土的液化势并能增强黄土地基的抗变形能力。 关键 司：有限元黄土液化碎石桩爆破试验动三轴试验化学灌浆 s t u d i e so nt h ea n t i l i q u e f a c t i o nb e h a v i o r o ft h e l o e s sg r o u n d i m p r o v e db y s e v e r a lm e t h o d s a b s t r a c t t h e a n t i l i q u e f a c t i o nb e h a v i o ro f l o e s sg r o u n di m p r o v e db yg r a v e lc o l u m n si s s t u d i e db y2 df i n i t ee l e m e n tm e t h o d i ts h o w st h a tt h ee f f e c to fg r a v e lc o l u m n s o n a n t i ，l i q u e f a c t i o n i s o b v i o u s ，b u tt h ei m p r o v e d a r e ai s q u i t e l i m i t e de v e n i n c r e a s i n gt h ed i a m e t e r s o ft h eg r a v e lc o l u m n sb e c a u s eo ft h el o wp e r m e a b i l i t yo f l o e s s a ne x p l o s i o nt e s tw a sc a r r i e do u to na na r t i f i c i a l l ys a t u r a t e dl o e s sg r o u n d a c c e l e r a t i o na n d p o r ew a t e rp r e s s u r ed a t aa r ec o l l e c t e d a1 a bs i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fe x p l o s i o nt e s t0 na r t i f i c i a l l ys a t u r a t e d1 0 e s s a n di t sn u m e r i c a la n a l y s i sa r em a d e b yc o m p a r i s o n i ti ss e e nt h a tt h ep o r e p r e s s u r er a t i oa n ds t r a i nb yl a bs i m u l a t i o na n dn u m e r i c a la n a l y s i sa r ev e r yc l o s e t ot h o s co b t a i n e db ye x p l o s i o nt e s t m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t so fl o a dt y p e s ，1 0 a d s t r e n g t ha n df r e q u e n c i e so f t h eu n i f o m c y c l i cl o a da n dt h ef i e l de x p l o s i o n1 0 a d o i lt h et e s tr e s u l t sa r eo f i m p o r t a n c e l i q u e f a c t i o nb e h a v i o ro ft h el o e s sg r o u n di m p r o v e db yd y n a m i ct a m p i n g ， c h e m i c a lg r o u t i n g ，c o m p a c t i o np i l e ，r e p l a c e m e n ta n dp r e i m m e r s i o nm e t h o d sa r e s y n t h e t i c a l l ys t u d i e db yf i e l dt e s t sa n dl a bd y n a m i c a le x p e r i m e n t s ，i ts h o w st h a t o n l yc h e m i c a lg r o u t i n gc a nc o m p l e t e l ye l i m i n a t el i q u e f a c t i o np o t e n t i a l i nl o e s s a n ds t r e n g t h e nt h e1 0 e s sc a p a b i l i t yo fa n t i d e f o r m a t j o n m e a n w h i l ei tc a nr e d u c e s e i s m i cs e t t l e m e n ta n ds u b s i d e n c ed u et ow e t t i n go fl o e s sg r o u n da n di m p r o x r e t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fl o e s sg r o u n d k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ，l o e s s ，l i q u e f a c t i o n ，g r a v e lc o l u m n ，e x p l o s i o nt e s t d y n a m i c t r i a x i st e s t ，c h e m i c a lg r o u t i n g l j 浙江大学博士学位论文何开明2 0 0 1 年5 月 第一章绪论 11 黄土及其地震灾害概述 黄土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪地质时期以来的特殊沉积物，分布 范围很广。我国一些大、中城市( 如兰州、西安等) 都位于黄土地区，许多 中、强地震都发生在黄土地区，并造成了严重的人员伤亡和财产损失。因此， 研究黄土的抗震措施，无论对社会稳定还是经济发展，都具有及其重要的意 义。为此，中国地震局把黄土地震灾害列为“九五”重点项目开展研究，本文 工作即为该项目的其中一个子课题( 子专题编号：9 5 - 0 5 - 0 2 0 3 0 3 ) 。 一、黄土的物理特性 根据现有的土工试验结果，黄土的物性指标见表1 1 所示( 据王兰民 1 9 9 9 ) 。从该表可知，黄土的容重小，孔隙发育，以粉粒为主要组成成份， 其塑性指数位于1 0 附近，属于弱粉土和强粉质粘土类。 表11 黄土的物性指标及粒径分布( 据王兰民，19 9 9 ) 物理y u g 1 u bi ，土粒组成( ) 指标( k n m3 )( )( )( ) 砂粒粉粒粘粒 下限值 1 359 827 007 5 32 4 】 1 38951 004 789 3 上限值 】842 l527 2】2 1 12 941 88 1 253 0l7 532 33 平均值1 551 3027 ll0 2 42 7l1651 0 6 11 6 5 16 9414 】 二、 黄土的分布 黄土广泛分布于亚洲、欧洲、北美和南美等1 0 多个国家。我国的黄土 具有分布面积最广、层厚最大、成因类型最复杂等特点。包括黄土类土在内， 其分布面积达6 4 万k m 2 ，约占我国陆地面积的7 ，其中厚层典型覆盖面积达 2 7 3 万k m 2 ( 】i u ，t s e ta 1 ，1 9 8 5 ) 。黄土的主要分布区西起青藏高原东 侧日月山东麓的湟水流域和乌鞘岭南麓，东至太行山西麓：北起腾格里毛乌 素沙漠南缘，大致以长城为界，南到秦岭；范围位于北纬3 4 4 0 。，东经 l0 0 。1 l5 。之间，面积为3 3 5 1 万k m 2 ( 陕西省地质矿产局第二水文地质队， 】9 8 6 ) 。分布的范围包括甘肃中部和东部，青海东部，宁夏南部，内蒙古河套地 区，陕西的关中和陕北，山西中、西部和河南的西部，其中心地带构成著名的 黄土高原或秦晋高原( 张振中，1 9 9 9 ) 。 第一章绪论 三，黄土的地貌形态 黄土地貌的基本类型有：黄土高原和黄土盆地两大类。可进一步划分为 许多次一级地貌单元，其主要形态有塬、梁、峁三种( 张振中，1 9 9 9 ) 。 1 、黄土高原 黄土高原北界长城，南抵汾渭盆地北缘，东起吕梁山西麓，西止陇西盆 地西缘及青海省东北部湟水流域，包括青海东北部、陇西、宁夏南部、陇东、 陕北、晋西等地区，呈东西向展布。总面积近2 3 万k m 2 。主要地貌类型有黄 土塬、梁、峁。 2 、黄土盆地 黄土盆地主要分布于吕梁山以东、渭北北山之南的东南隅以及黄河沿 岸。按其类型可分为黄土台塬盆地和黄土丘陵盆地。 黄土台塬盆地主要有汾渭、太原及洛阳等盆地。黄土丘陵盆地多为山间 拗陷构造形成的盆地，最典型的分布在黄河中上游及湟水河谷之内，如兰州 盆地、靖远盆地等。 黄土盆地地势平坦，土地肥沃，灌溉便利，重要的大、中城市都坐落在 黄土盆地内，是黄土抗震研究的重要场地。 四、黄土的时代分类 黄土为第四纪以来的堆积物，其形成时代从第四纪一直延续到现代。按 其形成时代可划分为早更新世古黄土( q 1 ) 、中更新世老黄土( q 2 ) 、晚更新 世新黄土( 0 3 ) 和全新世近代黄土( q 4 ) ( 张振中，1 9 9 9 ) 。各时代黄土有各 自的特性。 1 、早更新世古黄土( q 1 ) 早更新世古黄土相当于刘东生先生划分的午城黄土，主要分布于各大塬 及台塬地带，多在厚层黄土的底部，直接出露于地表的很少。多呈褐黄、橙 黄或棕红色粉质土夹多层古土壤及钙质结核层，个别地段有砂砾石夹层。 2 、中更新世老黄土( q 2 ) 中更新世老黄土相当于刘东生先生划分的离石黄土，和q l 黄土相同， 主要分布于黄土塬及部分黄土台塬。q 2 黄土一般整合或假整合于q 1 黄土之 上，处于整个黄土层的中上部，直接出露于地表的地段也不多。 q 2 黄土具有致密和大孔隙不发育等特性，敲碎后呈棱角块状，基本上 属于抗震较稳定的土层。 浙江大学博士学位论文 何开明 2 0 0 1 年5 月 3 、晚更新世新黄土( q 3 ) 晚更新世新黄土( q 3 ) 相当于刘东生先生划分的马兰黄土。厚度不超 过十几米到2 0 余米，最大厚度如在兰州地区可达3 4 米。其分布面积广且直 接出露于地表，具有大孔隙发育、结构疏松、垂直节理发育和很强的湿陷性 等主要特性。当遭遇地震时，常产生地基的不均匀震陷和液化、斜坡失稳引 起的崩塌和滑坡以及局部地区震害加重等现象，这都与马兰黄土有关。 4 、全新世黄土( q 4 ) 全新世黄土多分布于大河谷地，构成河谷l 、i i 级阶地的表层，或覆盖 于新洪积扇的表面，多系次生黄土，厚度不大，一般在1 0 米以内。该层土 的分布面积较小，但都具有湿陷性，而且随着含水量的增大，该土层在遭遇 地震时将产生震馅、液化等灾害现象。 五、黄土地区的地震活动与地震灾害( 张振中，1 99 9 ) 黄土高原地区发育有南北地震带、华北地震带和祁连地震带，曾有许多 中、强地震发生在该地区。黄土地区的主要地震灾窖有地震滑坡、液化和震 陷。截止1 9 7 6 年，该地区共记载到6 级以上( 含6 级) 的破坏性地震5 1 次， 其中7 级以上的强震2 2 次，8 级及大于8 级的特大地震6 次( 见表1 2 ) ， 造成了不同程度的人员伤亡和财产损失。 发震时间震中位置震级震中烈度 年月臼北纬东经地名 m 前7 8 03 451 0 78觖西岐山 7x l4 310 3 501 0 40甘肃甘谷面 7 5 1 20 52 l3 891 1 2 8山西原平代县闻7 1 2x 7 3 40 31 93 461 0 56甘肃天水附近7 1 0 3 80 10 93 841 1 29山西定襄忻州闻7 1 4x 1 1 2 50 83 03 611 0 37甘肃兰州一带7d ( 1 3 0 30 9l73 631 1 17山西洪洞赵城8 】3 5 20 41 83 561 0 53甘肃会宁东南 7i ) ( 】j 0 10 】1 93 48l 】0 】陕西朝邑 7i x 15 5 60 12 3”5】0 97陕西华县8 1 4 1 5 6 】0 7 z 53 751 0 62宁夏中卫东7 l 日d ( x 】6 2 21 02 53 651 0 63宁夏固原北 7 1 6 2 60 6 2 83 94l l42山西灵丘7d ( 3 43l0 55甘肃天水南8 1 6 8 3 】l2 23 871 1 27山西原平附近7i x 1 6 9 50 51 83 601 1 l5 山西临扮 7 l 4x 】7 0 9l o143 741 0 53宁夏中卫7 1 2x l7 1 80 61 93 501 0 52甘肃通滑南7 l 2x i7 3 90 】0 33 881 0 65宁夏平罗银j i i 间8x 强 1 9 2 01 2t 63 671 0 49宁夏海原8 5 1 9 2 01 22 53 661 0 52甘肃靖远7 0 】9 2 70 52 33 7710 22甘肃古浪8x f 第章靖论 1 2 黄土液化概念的提出及其国内外研究现状 1 2 1 黄土的动力特性研究 黄土地区的地震灾害无不与黄土的动力特性有关。黄土的动力特性研究 是抗震科学的基础。动荷载作用下的本构关系是黄土动力特性的重要方面。 动荷载作用下黄土具有应力一应变特性、波速、动弹性模量和阻尼( 比) 随 应变而变化的各种非线性特征( 张振中，1 9 9 9 ) 。 用于研究黄土动力特性的仪器有振动三轴仪、振动单剪仪、共振柱试验 仪和动力扭剪仪等，其中振动三轴仪试验是室内试验中最常见的方法。在等 幅正弦循环荷载作用下黄土的应力一应变关系、强度和震陷问题的研究已经 获得很大进展( z h a n gz h e n g z h o n g ，e ta i ，1 9 8 6 ；张振中、段汝文，1 9 8 7 ： 张振中、段汝文、王兰民，】9 9 0 ；段汝文，1 9 7 9 ；段汝文等，1 9 9 0 ；巫志辉、 方彦，1 9 9 0 ；h a r d c a s t l ea n ds h a r m a ，1 9 9 8 ) 。但等效循环荷载与实际的地震 荷载在幅值、频谱和有效持时方面存在很大差异，因此，以等幅正弦循环荷 载作用下黄土的动力特性为基础的抗震设计，还达不到期望的抗震效果。为 此，一批学者开展了随机地震荷载( 包括爆炸荷载) 作用下黄土动力特性试 验研究( z h e n gh e n g l i e ta 1 ，1 9 8 8 ：王兰民等，1 9 9 1 ：w a n gl a n m i ne l ； a 1 ，1 9 9 4 ：王兰民等，1 9 9 2 ：王兰民、张振中，1 9 9 3 ) ，已取得可喜的成果。 122 黄土液化概念的提出及其国际研究现状 黄土液化的研究是近十多年的事，这方面的资料较少。据已有的文献， 美国密苏里大学教授p r a k a s h 等在1 9 8 2 年首次提出黄土液化问题( p r a k a s h a n dp u r i ，l9 8 2 ) ，其依据源于美国中部的黄土状土在等幅循环荷载下的振动 三轴液化试验结果，并给出了饱和黄土起始液化的轴向应变标准和孔隙水压 力标准。 p u t j ( 1 9 8 4 ) 在完成他的博士论文期间，对美国中、西部原状黄土和重 塑黄土进行了等幅循环荷载下的振动三轴液化试验，发现循环荷载施加于饱 和黄土试样将引起试样中的孔隙水压力升高，同时发现土的塑性增加将减少 孔压的升高，并提出了饱和黄土的破坏标准和液化标准。 p r a k a s h 等( 1 9 9 8 ) 对美国中部粉土和粉一粘混合物的振动液化问题进行 了深入研究，认为影响粉土的循环应力比( c s r ) 的主要因数有塑性指数、 初始孔隙比以及触发液化的周次。为研究塑性指数的单独影响，p r a k a s h 等 浙江大学博士学位论文 何开明2 0 0 1 年5 月 将所有原状粉土试样的循环应力比( c s r ) 归一化到在2 0 周次时的同一孔隙 比上。其结果见图1 1 所示。从试验结果中发现，塑性指数对循环应力比有 重要影响；同时发现塑性指数存在临界值，即当小于此临界值时，循环应力 比随着塑性指数的增加而减小；当大于此临界值时，循环应力比随着塑性指 数的增加而增加。对于美国中部粉土而言，其临界塑性指数大概在4 d 5 之间。 04 0 2 ， ， ， 一 一。 00 o o 塑性指数j p 图1 】塑性指数1 p 对循环应力比c s r 的影响( 据p r a k a s h 等，1 9 9 8 ) 日本著名教授i s h i h a r a ( 1 9 9 0 ) 透彻地揭示了前苏联塔吉克境内的黄土 地震液化引起的流滑现象的机理。地震发生在1 9 8 9 年1 月2 3 日5 时0 2 分， 55 级，震中位于前苏联塔吉克共和国杜上别市西南约3 0 公里的吉萨尔村， 地震在当地形成了四大滑坡，它们是沙拉拉滑坡、菲尔马滑坡、五一滑坡和 奥库里滑坡。这些滑坡汇成了一个巨大规模的泥流，将1 0 0 多栋房屋埋在5 米厚的泥中，造成2 2 0 名村民丧生或失踪。is h i h a r a 分析了前三大滑坡后， 重点分析了奥库里滑坡。因为该滑坡最大( 估计滑坡体的总体积近2 0 0 0 万 立方米) 并形成了巨大规模的泥石流，在附近平坦的地表面流过两公里长的 距离。i s h i h a r a 经过调查、现场试验和计算后认为，风成黄土中存在垂直 解理面，用于农业灌溉的水通过绝大多数没有水泥帮衬的水渠渗入到风成黄 土中，再经过其中的垂直解理面向深处渗透，致使在深度7 米17 米之间 的黄土的含水量超过4 0 。而该黄土含有8 0 的粉粒和15 的粘粒，不含砂 第一童绪论 粒，其液限和塑限分别为3 0 和2 0 ，塑性指数大约为l o 。因此当黄土的含水 量超过液限时，则土中的孔隙处于准饱和状态，此时黄土处于湿陷即将来临 的不稳定状态。地震一旦发生，引起黄土结构的全面崩溃，导致粉粒物质的 液化，加之粉土的低塑性，导致液化的粉土在近乎平坦的地面上长距离的流 动。 123 黄土液化的国内研究现状 白铭学、张苏民( 1 9 9 0 ) 分析了19 2 0 年海原8 5 级地震的震害，指出石 碑黄土塬上覆土体沿缓斜坡坡降方向向前滑移了1 ，5 公里，其主要原因是地 震使石碑塬1 1 2 5 米深度范围内的砂质黄土层发生了液化。 刘公社、巫志辉( 1 9 9 2 ) 1 对饱和黄土的孔压演化规律进行了研究，并 将其应用于地基的地震动力分析中。 张振中( 19 9 9 ) 、w a n gl a n m ine ta 1 ( 19 9 6 ) 、 1 w a n g ，h e ta 1 ( 1 9 9 9 ) 、 石兆吉和王兰民( 19 9 9 ) 以及王兰民等( 2 0 0 0 ) 对黄土地震液化进行了大量 研究，尤其在试验方面，王兰民等对孔压增长模型和应变增长模型、液化机 理及其标准等方面进行了卓有成效的研究。 ( 1 ) 饱和黄土孔压模型与应变模型的建立与验证 王兰民等( 1 9 9 9 、2 0 0 0 ) 在大量室内试验的基础上，发现饱和黄土在液 化时的最大孔压比不超过0 7 ( 见图1 2 ) 并有较大的残余应变产生( 见图 1 3 ) ，建立了黄土液化的孔压增长模型( 见式】1 ) 和应变增长模型( 见式 】2 ) ，并用试验分别对孔压模型和应变模型进行了验证，其结果分别见图 1 4 和1 5 所示。从这两图中可清楚地看出，计算曲线与试验曲线极为接近， 误差甚小。对孔压增长曲线来说其相对误差小于5 ，对应变增长曲线来说 其相对误差小于1 0 ，这说明上述两种模型对我国西北饱和黄土是适用的。 1 刘公社、巫志辉( 】9 9 2 ) ，往返荷载作用下饱和黄土的孔压演化规律及其在地基动力分析中的应 用，见：全国土工建筑物及其地基抗震学术会议论文集，海口 图12 饱和黄土液化时的最大孔压比( 据王兰民等，1 9 9 9 图13 饱和黄土液化产生的残余应变( 据王兰民等1 9 9 9 ) 静= 薹( - 1 ) ”_ q ( 告) d 式中，u 。和u ，分别表示孔压和液化最大孔压，其比值u 。u ，称为孔压比；n 和 n ，分别表示振次和液化振次，其比值n n ，称为振次比；。a 为试验系数。级 数m 和指数l 可根据围压和液化振次确定如下： 1 当o 。7 2 0 f 1n ， 5 0 7 2 1 1 i = 1 ，2 ，4 4 5 n ，5 0 1 0 i = 3 , 5 7 式中，o 。为有效围压，o ，为土样所受的原有上覆土层应力。 詈= 旦n i + 砉卜w “一。万n - o 一番门坞- 可n - e 5c u - 等j - 0 _ 7 ) 刈一矽n z ， 式中，f ：1 1 0 盯0 以；e 。和e ，分别表示动应变和液化应变。 口0 仃， n ，n 图14 饱和黄土孔压增长模型的试验与计算对比( 据王兰民等，1 9 9 9 ) n ，他 图15 饱和黄土应变增长模型的试验与计算对比( 据王兰民等，1 9 9 9 ) b 浙江大学博士学位论文 何开明2 0 0 1 年5 月 ( 2 ) 饱和黄土的液化机理与标准 依照孔隙成因和半径的大小，将黄土中的孔隙分为微孔隙、小孔隙、中 孔隙和大孔隙( 关文章，1 9 9 2 ) ，各自的孔隙半径和主要成因见表1 3 所示。 其中，微孔隙形成于胶结物中，杂乱分布，连通性差，透水性弱；中、小孔 隙均为粒间孔隙，小孔隙由骨架颗粒相互穿插，紧密排列组成，又称镶嵌孔 隙：而中孔隙由骨架颗粒相互支架构成，又称支架孔隙。中孔隙和部分小孔 隙连通性好、透水性强。而大孔隙主要是黄土中次生的根洞、虫孔、鼠穴、 节理和裂隙以及溶蚀孔洞。 表13 黄土中孔隙的分类( 据关文章，1 9 9 2 ) 大孔隙 1 6 根洞、虫孔、裂隙 中j l 艨 4 1 6 支架孔隙 小孔障 1 4 肇嵌孔隙 徽孔隙 l 胶结物孔隙 王兰民等( 1 9 9 9 、2 0 0 0 ) 根据液化试验的应力、应变及孔压时程曲线( 见 图1 6 ) 、液化前后的孔隙微结构的电镜照片( 见图1 7 ) 和液化前后孔隙水 中离子浓度的变化( 见表1 4 ) ，分别从土动力学、水电化学和微结构角度 透彻分析了黄土液化的机理：当黄土浸水处于饱和状态时( 未湿陷前) ，饱 和度一般为8 0 一9 5 ，通常低于砂土的饱和度，中、大孔隙中充满了水，部 分小孔隙和绝大多数微孔隙未充水，易溶盐( n a c l ，k c l ，n a 。s o 。和n a 。c o ，) 部 分溶解，中溶盐( c a s o 。等) 也有溶解。在一定强度的动荷载作用下，开始 时由于原有微结构未遭破坏，应变以弹性为主，其孔压为弹性孔压( 图1 6 ) 。 随着振次增加，易溶盐继续溶解，溶出的c l 一离子又加速了中溶盐的大量溶 解( 表1 4 所示) ，而中溶盐多呈次生结晶分布在黄土孔隙中，它的溶解会 使中、大孔隙结构强度降低而崩溃，粉粒物质散离，落向这些孔隙中( 图 1 8 所示) 。在此过程中，一方面孔隙体积减小，孔隙水来不及排出而导致 孔压上升，作用于土骨架的有效应力急剧降低，土的强度大幅度丧失，应变 急剧增大。特别是残余应变由于微结构破坏而得到充分增长，这时的孔隙水 压力称为结构孔压( 或残余孔压) 。它对应于轴向动应力幅值开始减小到开 始趋于稳定之间的阶段。另一方面，随着孔压的继续升高，中溶盐的进一步 溶解，原来未充水的小孔隙和微孔隙由于孔壁隔水物质和胶结物质溶解而充 水，这在一定程度上消散了原先充水的大、中、小孔隙中的水压力。即表现 第一章绪论 为这一阶段轴向动应力幅值开始趋于稳定，而残余应变急剧增长。由于孔压 的传递，使孔压上升受到一定的制约而达不到有效围压( o 。) 。在均压固 结条件下，其孔压最高仅为0 。的7 0 左右( 图1 2 所示) 。在图1 2 中，n ， 和o 。，分别为液化振次和液化动应力。尽管孔压达不到有效围压，但由于多 孔隙结构的破坏，颗粒的相互位移和重新排列，使颗粒间的密度增大( 图 1 7 中b 图所示) ，因此，黄土仍产生较大的残余应变，( 图1 3 所示，l 9 4 2 x 和6 6 9 5 一l x 为试样编号) ，使黄土表现出低抗剪性和高流动性，从而导致大 面积的下沉或流动。图1 9 所示的液化前后各类孔隙含量变化，从微观角度 支持了液化过程中大、中孔隙破坏被粉粒物质填充，而使微、小孔隙含量增 加的推断；而地震触发液化，继而形成滑移、泥流或大面积沉陷的震例则从 宏观角度证实了这一机理( 王兰民，】9 9 9 ) 。 图i6 液化试验中的应力、应变、孔压时程曲线( 据王兰民，19 9 9 ) a 、液化前 b 、液化后 圈l7 饱和黄土液化前后孔隙微结构电镜照片( 据王兰民菩，19 9 9 ) 浙江大学博士学位论文 何开明2 0 0 1 年5 月 表4 液化前后孔隙水中离子浓度变化( 据王兰民等，19 9 9 ) 离子种类 c 1n o ?n o 。s o 2 akc a m g 饱和水p p m ) ( o5( o50 5o 5( 050 5o it o5 饱和1 小时棱化前( p p m ) 1 2 4 05 052 2 0 2 1 1 16 4 4 9 2 07 饱和】小时液化后( p p m ) 6 0 82 0 84 3 53 9 0 05 7 0l08 3 02 j 0 长斯饱和液化前( p o m ) 1 1 72 0o2 0 5 78 0 d 83 7 52 43 长期饱和液化后( p p m ) 14 921123 7 1 6 l2 28 2 7 2 3 4 0 8 图18 大孔隙结构破坏形成的塌陷坑 ( 据王兰民等，2 0 0 0 ) 图19 液化前后孔隙含量的变化对比 f 据王兰民等，2 0 0 0 ) 由于饱和黄土在液化机理上与砂土和粉土不同，从而使其在达到完全液 化时表现两种主要差异：孔压最大仅能上升为有效围压的7 0 左右，液化时 相应的残余应变可达3 一1 0 。考虑到黄土的结构破坏应变值为3 ，饱和黄 土起始液化的孔压标准可定为：u 。0 。= 0 7 ；而破坏应变标准应为：u 。0 。 0 2 且ed = 3 。在进行液化判别时，哪个标准先达到就以哪个为准( 王兰 民，1 9 9 9 、2 0 0 0 ) 。 王兰民等( 1 9 9 9 ) 对黄土液化的产生条件和影响因素进行了研究，得到 了下述结论。黄土液化产生的充分必要条件包括场地条件、物性指标条件和 地震动强度条件。其中，场地条件包括两条：一是具备地形较为平坦的上更 新世以来的完整黄土层：二是具有较浅的潜水面或其它水源补给。物性指标 条件为含水量高于塑限。对于一定深度的饱和黄土层，地震动强度条件主要 依赖于粉粒含量，触发液化所需的峰值地面加速度与粉粒的百分含量有较好 的线性单减函数关系。影响黄土液化的因素方面的研究主要考虑了固结应力 和地震荷载类型、幅值、卓越周期和有效持时的影响。固结应力方面的影响 主要探讨了在均压固结下固结围压对孔压的影响以及在偏压固结下固结比 第一章绪论 对孔压的影响。试验结果还表明，冲击型地震荷载和往返型地震荷载作用下 在孔压增长方面存在差异。 13 本文的主要工作 综上所述，黄土地震液化的研究时间总共不到2 0 年，国内外有关学者 通过室内动力试验、震后灾害调查与反演等方法，在黄土液化的破坏机理及 破坏标准、孔压模型与应变模型的建立与验证、液化的产生条件与影响因素、 液化预测及抗液化措施等方面取得了很大进展。但和研究较成熟的砂土液化 相比，还有大量的工作要做，如大尺度黄土试样的动力试验；二、三维黄土 液化标准、液化预测和抗液化措施的地震检验；考虑黄土地基与结构相互作 用的地震反应分析( 包括多方向地震波输入) ：黄土液化的数值分析等等。 本文主要在黄土液化的数值分析和黄土地基处理方法的抗液化试验方面开 展工作。本文的工作主要包括以下几部分内容。 ( 1 ) 先将现有的饱和砂土液化有限元计算程序中的饱和砂土的孔压增 长模型替换为饱和黄土的孔压增长模型，然后用此程序对碎石桩一黄土复合 地基的抗液化性状进行数值计算，以此来研究该复合地基的抗液化效果。 ( 2 ) 实施人工饱和黄土地基的野外爆破试验，以此来研究在不规则爆炸 荷载作用下饱和黄土地基的超孔隙水压力、地面变形等与地震加速度之间的 关系，探讨该人工浸湿黄土地基的抗液化性能。 ( 3 ) 在爆破试验现场埋置孔压计深度处制取原状黄土试样，在室内将其 饱和，并将爆炸波由动三轴仪直接施加于该室内饱和黄土试样上，实现爆炸 试验的室内模拟，以此来研究室内试验与野外爆破试验的差异。 ( 4 ) 依据爆破试验中观测得到的数据，用已修改的有限元计算程亭对人 工饱和黄土场地爆炸试验进行数值分析。并将其计算结果与爆破试验现场记 录数据以及室内模拟结果进行对比分析。 ( j ) 对强夯法、化学灌浆、( 灰) 土挤密桩、换土垫层和预浸水处理后 的黄土地基的抗液化性能进行现场和室内试验，由试验结果对各自处理方法 的抗液化性能进行综合评价。 浙江大学博士学位论文 何开明2 0 0 1 年5 月 i i 第二章基本原理及其计算程序 2 1 墨本原理 根据已有的研究成果( 孙广中，1 9 8 9 ) ，黄土中的渗流仍然满足达西定律， 因此，黄土中的渗流可用如下控制方程描述( p e s t a n ae ta 1 ，1 9 9 7 ) ： l v k v - - el - o s n( 2 1 ) l弘j o t u 是超孔隙水压力，k 是渗透系数张量，v 是空间梯度因子，弦是水的重度， s 是饱和度，n 是粒状介质的孔隙度，t 是时间。假设黄土为完全饱和，即s = 1 。 则由液化土层的压缩引起孔隙比的变化将产生小应变，孔隙的变化等于体积 应变s 的变化，即：_ o n = 害，则： o to t 联旦l ：丝( 2 2 ) l弦j 西 假设平均总应力的变化可以忽略，则体积的变化与超孔隙水压力的净变化相 关： 丝：。，陋丝 ( 2 3 ) a t - 8 l 8 t l 朋，是体积压缩系数，“。是循环荷载引起的超孔隙水压力。于是，粒状介 质可以用垂向和水平向渗透系数风和“来描述。 旦o x 虬o x l 搬卦搬y o , 亟o z h 丝a t 一丝o t 。， l 扣砂l 弘砂j 瑟ljl j 对于轴对称情况： 旦l 旦! 丝i + 旦l 生塑| = 。一o u 一丝 ( 2 5 o rl 弘r o r j o zl 扣& j l o t a t j 2 1 1 饱和黄土的孔压增长模型 地震荷载产生的超孔隙水压力是依靠将不规则地震荷载转换成等效的均 匀循环次数来模拟的( p e s t a n ae ta 1 ，l9 9 7 ) 。设在时间t a 内有等效的均匀 循环次数，有： 第二章基本原理及其计算程序 钿g 一3 u g a n aa na l a n q t e( o t d ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 在大量室内实验的基础上，饱和黄土的孔压增长模型被描述如下( 王兰民 等，2 0 0 0 ) ： 瓷= 扣i + t ，c n s ， 式中，u 为由循环荷载产生的超孔隙水压力 u ，为黄土液化时的孔压 为积累的循环次数 ，为达到液化所需的循环次数 为试验系数。 相关参数的含义及常数的确定规则参见第一章中第1 2 3 节。 上述孔压增长模型见图2 1 示。图中2 号线对应于oo o ，条件，液化 振次范围为4 8 3 5 0 ；其余5 条线( 1 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 对应于oo o ，条件，各 条曲线所对应的液化振次见图中的图例所示。 n ，n f 图2 1 饱和黄土的孔压增长模型 2 1 2 土的压缩性 土的体积压缩系数m ，可从循环荷载三轴压缩试验中得到。对于低i l 压比 4 浙江大学博士学位论文 何开明2 0 0 1 年5 月 而言，m ，基本上为常数( l e ea n da 1 b a is a ，1 9 7 4 ) 。对饱和黄土，由于其孔 压比较低，液化时的最大孔压比仅为o 7 左右。因此，黄土的体积压缩系数m ， 在整个计算中被作为常数。 2 1 3 有限元近似( p e s t a n ae ta i 。19 9 7 ) 解决上述问题的关键在于寻找一个孔隙水压力场u ，使其满足下述方程： v 去v ， 鲁 。， 在适当的边界条件下，可用下述有限元方法近似求解( p es a r ae t a 1 1 9 9 7 ) ： 掣一掣 = 。 u ) 和( u 。 分别表示超孔隙水压力结点值矢量和由于地震荷载( 即强迫函数) 产生的超孔隙水压力，矩阵 a 和 d 表示如下： a = a 。； n e d = d 。 ( 2 j1 ) 帆= j e t k e 3 d j d y( 2 】2 ) 7w q 。 d 。= m 。a er i _ t r a c e ( 1 ) ( 2 13 ) 式中，p 为单元的面积， a 。和 d 。是单元矩阵，r l 。为单元个数，等 于1 ( 对于平面应变情况) 和等于从面积质心到对称轴的距离( 对于轴对称 情况) ， k 是渗透系数张量，! 是致张量，其列数与单元的结点数相等， 矩阵 e 由下式给出： 2 翰朗 这里，m ，是结点i 的一般基函数，用来描述整个感兴趣区域( q 。) 上的超孔 隙水压力场的近似值。 方程( 2 10 ) 表示一套常微分方程，在时间增量，一，+ 出上可被近似表示 如下： 第二章基本原理及其计算程序 a “) ，+ f + 口缸) ，) 血+ d 缸) ，+ f 一缸l 一 d ! 警d f = o ) ( 2 15 ) 这里，为了一致近似，令口+ = 1 。在时刻，+ 血的超孔隙水压力场可作为前 一时刻值的函数而求得。 a a q 缸 f + & = b ( 2 1 6 ) 其中， a a q = a t a 十 d ( 2 17 ) e b ：( d 协a t a ) 缸) f + d 掣h t ( 2 1 8 ) 如果土体的压缩性不随孔压比而变化，则矩阵 d 为常数；否则，将用迭代程 序来达到收敛。在目前的推导中，c r a n k n ic h o s o n 近似法仁= = 0 5 ) 被用 来传播时域解。当缺少产生项( 例如u 。) 时，可以证明这种近似是二次的。 否则，这种近似是超线性的。 因为矩阵 a 是对称矩阵，矩阵 d 是对角矩阵，因此，可能使用对称贮 存方法，并且用优化结点编号方案可使结果矩阵的带宽为最小。f e q d r a i n 程 序对对角矩阵 d 使用矢量存贮，而对于矩阵 a 的存贮则使用了上三角带宽 矩阵。这样使得内存最优。 一、单元积分 程序f e o d r a in 使用种自动网格技术来代表土剖面和排水空间( 如 k o p t = 3 4 ) 。图2 2 表示一个一般四边形狄卡尔单元。在这个单元中，所有 边的连接都是在水平( 径向) 和垂向。单元的局部连接矩阵( 编号方案) 见 图所示，并且从右上角开始逆时针方向进行。 超孔隙水压力场可用线性函数来近似表示，即： d ：y $ ，“， ( 2 1 9 ) 啪川= 鼍能高 ( 2 zo ) 这里，u ，是超孔隙水压力的结点值，巾，是结点i 的线性基函数，i 是 超孔隙水压力场的近似值。基函数可被改写为： m ，b ，y ) ! 立堡兰生兰型 d l ( 2 2 1 ) 假设渗透系数张量是正交各向异性的，即主要值分布在水平方向k n 和垂直 r 卜一 图22 直角坐标系中的四边形单元 方向k 。上，方程( 2 1 2 ) 可被改写为： 2 嘉瓤警”警+ 等等卜 上z ( 2 2 2 ) 可以证明矩阵 a 。是对称的，且对在直角坐标中的四边形单元该矩阵有 如下的结构形式： a 。= r 其中 n 1口2d 3口4 口2口ld 4日3 0 3盘4口1d 2 口4n 3d 2盘1 2 d 1 2 6 a e y w 3 6 a e y ” a 3 = 。a l 2 q 2 瓦 岳，妙：+ 女，血z ) 4 ，缸z 一n 。 仁，每： 一。 7 ( 22 3 ) 第二章基本原理及其计算程序 i l l l l 假定在整个计算过程中渗透系数k 。和k ，维持不变。 二、边界条件( p e s t a n ae ta 1 。1 9 9 7 ) 在潜在可液化土层中设置竖向排水通道的典型结构见图2 3 所示。图中 厚度h 的土剖面由n 层土组成，z ，是土层中的地下水位埋深，z 。是排水通道中 的地下水位埋深，排水通道的影响直径d 。与图24 所示的排水通道的空间分 布有关。同时假设排水通道穿透整个土剖面。底面( z = h ) 以及竖向面( r 。 = d 。2 和r 。= o ) 代表不透水边界，地表为自由排水边界。 h 盎 剖 * 喇 i _ ” 譬 ， jj + 址 ， ij ，广 要鳓黼瑟莲 j 纛蓑 兰 j l 可 + ， 1 划 ! 鲁 崔 ，h ：( k ，“，i t ：i l i y ： ： ： ： ， r ：( k 、k h ，n 2 、： n 讣 ， j 。 不透水边界 旦：o ez 图23 设有竖向押水通道的潜在液化土层剖丽 表面摘载 东 到 * 蚓 下i 生 z 不ii尘 z 浙江大学博士学位论文何开明2 0 0 1 年5 月 s s r _ 1 r 9 一 一。一一。一一o j 6 斗焰 ，：、 7 、 ：粼 0 f ? 9 一丸 ，一、广弋 一o 一今勺 弓 ； ( a ) 三角形布桩( b ) 正方形布桩 d 。= 1 0 5 3 sd p = 1 1 3 s 图24 单桩处理面积的直径计算方法( 据p e s t a n ae ta i ，i9 9 7 ) 2 2 计算程序 依据上述计算方法，作者将对适用于砂土液化的计算程序f e q d r a i r l ( p e s t a n ae ta 1 ，1 9 9 7 ) 进行修改，其主要的工作是将程序中使用的砂的孔 压增长模型替换为饱和黄土的孑l 压增长模型。并对相应程序做了修改。 2 2 1 计算程序f e 0 d r ain 简介 程序f e q d r a i n 主要是用来研究在循环荷载作用下水平层状砂中的孔隙 水压力的产生和消散过程，为地基处理的抗液化设计提供参数。它可以计算 四种场地类型：第一种是没有处理过的场地( k o p t = 1 ) ，孔隙水压力的消散完 全依靠土中的孔隙；第二种是被称为“理想的排水分析”( “p e r f e c td r a j i 3 a n a l ys e s ) ，即模拟没有排水阻抗( k o p t = 2 ) ：第三种是“等效粒状排水” ( “e q u jv a i e n t g r a n u l b y d r a in ”) 即模拟经过砂砾石桩处理后的地基 ( k o p t = 3 ) ，；第四种是预制竖向排水通道即模拟经过埋设多孔塑料管的地基 ( k o p t = 4 ) 。 计算该程序主要是由美国加州大学伯克利分校p e s7 8 r aj m 教授的搏士 研究生h u r l te c h r is t o p h e y 于l9 9 7 年编写而成，所使用的语言为f o r t y ar l 9 0 ，由8 个用于定义变量和数组的模块和15 个子例程子程序组成，各自的功 能分别如表2 1 和表22 示。 第二章基本原理及其计算程序 表21 ：程序f e o d r a in 所使用的模块( 据p e s t a n ae ta i ，19 9 7 ) 模块名说明 动态分配 s o l l a l l o c土壤特性是 t 1 m e a l l o c时间变量是 m e s h a l l o c网格值是 s o l u t a “o c解矢量及矩阵是 d r a i n d a t a排水及水库特性 否 e a d a t a地震特性 否 c t r l d a t a程序控制信息