（岩土工程专业论文）砂土地震液化评价的改进方法及其在工程中的应用.pdf

摘要 摘要 砂土液化是地震和震动引起的最显著的灾害形式之一，具有很大的危害性。 近年来随着我国经济的飞速发展，住宅小区以及城市基础设施的不断兴建，对砂 性土地基的要求越来越高。因此，快速、准确地分析和判别砂土液化的可能性及 危害性也就变得更加重要。 然而，影响砂土液化的因素具有复杂性、多样性和非线性的特点，很难提出 准确的判别公式，特别是很难同时考虑多方面的因素。人工神经网络是一类模拟 生物神经系统的结构，它揭示数据样本中蕴含的非线性关系，大量处理单元组成 非线性自适应动态系统，具有良好的自适应性、自组织性及很强的学习、联想、 容错和抗干扰能力，在不同程度上和层次上可模仿大脑的信息处理机理，可灵活 方便的对多成因的复杂的未知系数进行高度建模。特别是b p 网络近年来广泛应 用于模式识别、预测评估等领域，并取得良好的效果。本文在简要介绍b p 神经 网络基本原理及其算法的基础上，结合砂土液化本身的特点，建立判别准确率较 高的液化判别b p 神经网络模型。 现行的建筑抗震设计规范中的液化危害性评估是以土层的液化难易程度和 液化土层所在的位置作为依据，而没有具体考虑上覆非液化土层和建筑物的存在 对液化危害性的影响，这样难免会对评估结果的正确性造成影响。已有的研究分 析表明，对使用浅基础的建筑物而言，计算液化震陷值s 是说明地基失效的一个 很好的指标，因为它不仅包含了液化土层的作用，还考虑了上部建筑物的影响。 沿着这一思路，本文建立了存在浅基础的水平场地的液化危害性评价方法。 运用建立的判别砂土液化势的b p 神经网络模型和砂土液化危害性评价方法， 以佛山市顺德区乐从欧浦有限公司物流中心地基砂土液化评价为例，对区内潜在 液化可能性的土层进行液化势预测和危害程度评价，并与规范判别法进行比较。 验证了b p 神经网络应用于砂土液化分析的可行性和本文提出的砂土液化危害程 度划分方法的应用价值。 关键词：b p 网络模型；液化判别；震陷值：液化危害性评价 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i q u e f a c t i o no fs a n d ys o i li so n eo ft h en o t a b l ed i s a s t e r sd u r i n ge a r t h q u a k e 【th a sg r e a t h a r m f u l n e s s i nr e c e n ty e a r s ，c h i n e s ee c o n o m yh a sb e e nd e v e l o p i n g q u i c k l y t h el i v i n g q u a r t e ra n dc i t yi n f r a s t r u c t u r ec o n t i n u eb u i l d i n g ，w h i c ha s k sm o r ea n dm o r ef o u n d a t i o no f s a n d ys o i l s o ，i t sm o r ei m p o r t a n tf o ru st of o r e c a s ta n de v a l u a t et h ep o s s i b i l i t ya n dt h e d a m a g ed e g r e eo fl i q u e f a c t i o nq u i c k l y ，e x a c t l y ，a n de f f e c t i v e l y h o w e v e r ，t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c el i q u e f a c t i o na l ec o m p l e xa n dn o n l i n e a r ，w h i c hc a u s e i td i f f i c u l tt op r o p o s ea ne x a c tf o r m u l at oe v a l u a t ea n da n a l y z el i q u e f a c t i o n i t se s p e c i a l l y d i f f i c u l tt oc o n s i d e rs e v e r a lf a c t o r sa tt h es a l n et i m e a r t i f l c i a ln e u r a ln e t w o r ks i m u l a t e s n e u r a ls y s t e mo fl i v i n gt h i n g i tr e v e a l sn o n l i n e a rr e l a t i o na m o n gd a t as a m p l e s t h en o n l i n e a r s e l f - a d a p t a t i o nt r e n d i n gs y s t e mi sc o m p o s e do fag r e a td e a lo fh a n d l i n ge l e m e n t s i th a sg o o d s e l f - a d a p t a t i o n ，s e l f - o r g a n i z a t i o na n ds t r o n gs t u d y ，a s s o c i a t i o n ，a l l o w w r o n ga n da n t i - j a m m i n g c a p a b i l i t y i tc a ns i m u l a t ei n f o r m a t i o nd i s p o s a lm e c h a n i s mo fc e r e b r u mo nd i f f e r e n td e g r e e a n da r r a n g e m e n t i tc a nm o d e l i n gt om a n yc a u s e s ，p e r p l e x i n g ，a n du n k n o w nc o e f f i c i e n t ， e s p e c i a l l y ，b pn e t w o r kw a sw i l d l ya p p l i e dt om o d ei d e n t i l y ，f o r e c a s te v a l u a t ef i e l d ，a n dg a i n e d g o o de f f e c t i nr e c e n ty e a r s i nt h et h e s i s t h ee x c e l l e n tb pn e t w o r km o d e lo fe v a l u a t i n g l i q u e f a c t i o no fs a n d ys o i l w a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i co fl i q u e f a c t i o no f s a n d ys o i l ，o nt h eb a s i co fs i m p l yi n t r o d u c i n gb a s i cp r i n c i p l ea n da r i t h m e t i co fb pn e u r a l n e t w o r k e v a l u a t i o no ft h ed a m a g ed e g r e eo fl i q u e f a c t i o no f c o d ef o ra r c h i t e c t u r a ls e i s m i cd e s i g n i sa c c o r d i n gt od i f f i c u l to re a s yl i q u e f a c t i o no fs o i ll a y e ra n dl i q u e f a c t i o np l a c eo fs o i ll a y e r n d o e s n tc o n s i d e rc o n c r e t e l yt h a ta b o v en ol i q u e f a c t i o ns o i ll a y e ra n db u i l d i n ga f f e c tt h e d a m a g ed e g r e eo fl i q u e f a c t i o n w h i c hw i l la f 把c tc o r r e c t n e s so fe v a l u a t i o nr e s u l t t ot h e b u i l d i n gu s i n gs h a l l o wf o u n d a t i o n ，t h ec a l c u l a t e ds e i s m i cs e t t l e m e n tv a l u ei sag o o di n d e x t h a te x p l a i n sl a p s eo ff o u n d a t i o n i tn o to n l yc o n t a i n se f f e c to fl i q u e f a c t i o no fs o i ll a y e r ，b u t a l s oc o n s i d e r se f 诧c to fb u i l d i n g s t u d ym a d et h e mc l e a r g oo nt h i si d e a t h et h e s i s e s t a b l i s h e dt h ee v a l u a t i o nm e t h o do ft h ed a m a g ed e g r e eo fl i q u e f a c t i o no fs h a l l o wf o u n d a t i o n l e v e lg r o u n d u s i n gb pn e u r a l n e t w o r km o d e lo fe v a l u a t i n g l i q u e f a c t i o n o f s a n d ys o i l a n dt h e e v a l u a t i o nm e t h o do ft h ed a m a g ed e g r e eo fl i q u e f a c t i o n ，t h ep o s s i b i l i t ya n dt h ed a m a g e d e g r e eo fl i q u e f a c t i o no ft h eo u p ul i m i t e dc o m p a n yg o o d sf l o wc e n t e rf o u n d a t i o ni ns h u n d e s e c t i o no ff u s h a nc i t yi sa n a l y z e d t h ea n a l y s i sr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h e c o d em e t h o d s t h ef e a s i b i l i t yo fa n a l y z i n gs a n d ys o i ll i q u e f a c t i o nw i t hb pn e u r a ln e t w o r k a n dt h ea p p l i c a t i o nv a l u eo ft h en e we v a l u a t i o nm e t h o do ft h ed a m a g ed e g r e eo fl i q u e f a c t i o n a r ev a l i d a t e d k e y w o r d s ：b pn e t w o r km o d e l ；l i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o n ；s e i s m i cs e t t l e m e n t ；e v a l u a t i o no ft h e d a m a g ed e g r e eo fl i q u e f a c t i o n i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取碍 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 木木鏊常 日期：2 0 0 3 年月0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位沦文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 材鍪。筇 日期：2 d d s 年月0 日 日期：一厂年石月尸日 第一章绪论 第一章绪论帚一早瑁v 匕 1 1 本课题的学术背景 砂土液化是地震及震动荷载等引起的最显著的震害形式之一。1 9 6 0 年的智利 地震，1 9 6 4 年的日本n i i g a t a 地震和美国阿拉斯加地震，1 9 6 8 年日本十胜近海地 震，以及我国的i 9 6 6 年邢台地震、1 9 7 5 年海城地震和1 9 7 6 年唐山地震，都发生 过砂土液化现象。尤其是1 9 7 6 年的唐山地震，土的液化面积约达2 4 0 0 0 平方公 里。地震液化通常伴随产生大规模的地面沉陷变形、滑移、地裂和喷水冒砂造 成各种工程建筑、道路农田及水利工程场地、地基的失效给国计民生带来严重 损失。因此地震作用下地层的液化问题一直受到工程界的普遍关注，并进行了广 泛的研究。这些研究主要集中在液化的产生机理，液化的影响因素以及液化势的 评价等方面。 1 1 1 饱和砂土液化机理 美国土木工程师协会岩土工程分部土动力学委员会1 9 7 8 年在经过广泛地讨 论后，给出液化定义为：任何物质转化为液体的过程。就无粘性土而言，这种由 固态到液态的转化，是孔压增加，有效应力减小的结果【tj 。该定义在土木工程界 有广泛的影响得到岩土工程人员的一致认同。但是，对饱和砂土液化机理的认 识，却一直存在两种明显不同的观点。 一种观点从液化的应力状态出发，强调液化标志着土的法向有效应力等于 零，土不具有任何抵抗剪切的能力。当土的动荷作用的任何一个瞬间开始出现这 种应力状态时，即认为土达到了初始液化状态。此后，在往返荷载的持续作用下， 轮番出现初始液化状态，表现出土的往返活动性，使土的动变形逐渐积累，最后 出现土的整体强度破坏或超过实际容许值的变形失稳。这种过程，均需有初始液 化状态的出现，否则将不会有液化破坏的威胁。从这一观点出发，液化的研究将 着重于确定饱和砂土达到初始液化的可能性及其范围，同时视初始液化的点或范 围内的土具有零值强度或刚度，来分析土体的应力、应变以及稳定性。这种观点 以s e e d l 2j 为代表。 另一种观点认为，工程结构物的破坏，归根结底表现为过量的位移，变形或 应变，而不完全取决于应力条件，液化不在于必须达到初始液化的应力条件。在 很多情况下，即使土体中并没有达到初始液化状态，但土体由于土结构破坏和孔 压上升而引起的强度弱化，出现具有液化状态的流动破坏，就认为土体已经液化。 在这种观点中，应用了c a s a g r a n d e 提出的临界孑l 隙比的概念( 剪切作用下，如果 砂土的体积既不产生膨胀，也不产生收缩，则该砂土的初始孔隙比称为临界孔隙 华南理工大学硕士学位论文 比) ，将士分为剪缩性土和剪胀性土。并提出了稳态变形和稳态强度的概念，所 谓稳态变形是指土在一定常法向有效应力和一定常剪应力作用下产生的常体积 和常速度连续变形的状态( 即流动性变形) ，此时的剪应力即稳态强度。流动破 坏只发生在剪缩性土中，由于剪缩性土在剪切过程中必将出现不断的剪缩，使土 中的孑l 隙水压力继续升高，土的抗剪强度会迅速降低到稳态强度。故破坏一经开 始，就必然带有流动特征，表现为液化流动破坏。c a s a g r a n d e 在固结不排水三轴 试验中采用定荷加载方式，在试验室内观察到了“流动结构”的现象，由于具体 的条件不同，这种流动破坏具有不同的形态，如图卜l 所示。图中b 形式，虽然 也出现了一段流滑，但是当应变到达一定数量后有所停和回胀，被称为“有限 液化”或“有限流动”。这种观点以c a s t r o ， r o b e r t s o t l 3 4 等人为代表。 4 现在对于砂土液化机理，普遍认为主 要有以下三种 5 7 | ： 蚕3 卜 一( b ) 一 八 ( a ) 第一章绪论 土的固结不排水循环三轴或循环单剪和循环扭剪试验中。即仅在循环周期中的某 些时刻( 瞬时) 可以得到u = 民。加载前期的累积剪缩( 孔隙水压力上升) 和后 期的加载剪胀和卸载剪缩交替作用，就形成了饱和砂在循环剪切作用下出现的循 环活动性。循环活动性的物理机制是比较复杂的，从宏观来看，可认为与试件在 循环作用中的剪缩和剪胀交替变化有关，从而形成了间歇性瞬态液化和有限度断 续变形的格局。对于只有剪缩而无剪胀的饱和松砂则不会出现循环活动性，只能 出现流滑。 1 1 2 影响饱和砂土液化的因素 在往返荷载或动荷载作用下砂土的液化是一个复杂的物理力学性状，而影响 砂土液化的因素众多。近二三十年来国内外学者通过试验和现场宏观调查，对于 影响砂土液化的诸多因素，有了一定的认识，业已证明，饱和砂土的液化是砂土 的本身特性( 即内因条件) 及外部的变化作用( 即外因条件) 这两大方面因素综 合致成的。诸如地震特征、土的初始应力状态等属于外因，而土的物理力学特征 则属于内因。影响饱和砂土液化的因素详见表卜l 。 1 1 3 自由场地饱和砂土液化判别方法 对自由场地的砂土液化预测，经过三十多年的研究，已经有了许多种方法， 大体可分为以下三大类： ( 1 ) 基于室内试验和应力分析的液化势评佶法。这种方法根据室内试验模 拟现场条件确定土体的抗液化强度，同时用设计地震资料计算地震应力比，比较 两者大小以判别液化与否。一些较重要的土动力学试验有：各种类型的循环三轴 压缩试验、共振柱试验、循环简剪试验、循环扭剪试验、振动台试验、离心机模 型试验。 ( 2 ) 基于以往地震经验及现场原位试验的液化势评估法。对已知场地液化 与否的土层进行勘探，获得某些判别指标的现场试验数据，如s p t 、c p t 、v s 等， 得到一些经验公式，或用直观方法划定液化的分界线，并用该经验公式或分界线 来判别所研究的土体是否液化。 ( 3 ) 实验室试验和现场原位试验相结合的液化势评估法。利用现场原位试 验确定饱和砂土的孔隙比和围压，利用实验室试验确定饱和砂土的稳态线，确定 饱和砂土的抗剪强度，通过比较原位土样所受到的驱动剪应力和土样本身的抗剪 强度，计算饱和砂土的安全度，从而判别土体是否液化。 1 1 4 自由场地饱和砂土液化危害性评价方法 建筑抗震设计规范g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 规定：对存在液化土层的地基，应探 明各液化土层的深度和厚度，按式( 1 1 ) 计算每个钻孔的液化指数，并按表卜2 综合划分地基的液化等级j ： 华南理工大学硕士学位论文 表1 1 影响饱和砂士液化的因素 t a b l e l lf a c t o r so fa f f e c t i n gs a t u r a t e ds a n d ys o i ll i q u e f a c t i o n 因素 指标对液化的影响 粒径 平均粒径d 5 0 颗粒越细越容易液化，平均粒径在 颗粒 0 i m m 左右的抗液化性最差 不均匀系数越小，抗液化性越差：粘 特征级配 不均匀系数c 。 粒含量越高，越不容易液化 形状圆粒形的砂比棱角形砂容易液化 土 孔隙比e 内性密度 相对密度d 密度越高，液化的可能性越小 因条 渗透性渗透系数k渗透性差的土容易液化 件 结颗粒排列 原状土比结构破坏土不易液化，老砂 构 胶结程度 土层比新砂土层不易液化 性与均匀性 超压密砂土比正常压密的砂土不易液 压密状态超固结比o c r 化 上覆土有效压力瓯 上覆土层越厚，土层的有效压力越大， 上覆土层 静止土压力系数k 。 就越不容易液化 排 孔隙水向 埋 水 外排出的 藏 条 渗径长度液化土层的厚度 排水条件良好有利于孔隙水压力的 条 件 边界土层 消散，能减小液化的可能性 外件 的渗透性 因 遭受过地震的砂土比来遭受过地震的 应力历史砂土不易液化，但曾发生液化又重新被 压密的砂土，却较容易重新液化 地下水条件 地下水位d 。 地下水位越高，砂土越容易液化 动 震动强度 地面加速度口一 地震烈度越高，地匮加速度越大，就 荷地震越容易液化 条烈度震动时间越长或振动次数越多，就 件 持续时间循环次数 越容易液化 k = 扣鲁域w 式中，- - - - ； n 一一在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数 n 。、n 。一一分别为i 点标准贯入锤击数的实测值和临界值 4 当实测值大 第一章绪论 于临界值时应取临界值的数值： d 。一f 点所代表的土层厚度( m ) ，可采用与该标准贯入试验点相邻的上、 下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度， 下界不深于液化深度： 彬一一f 土层单位土层厚度的层位影响权函数值( 单位为m 。) 。若判别 深度为1 5 m ，当该层中点深度不大于5 m 时应采用1 0 ，等于1 5 m 时 应采用零值。5 1 5 m 时应按线性内插法取值；若判别深度为2 0 m ， 当该层中点深度不大于5 m 时应采用l o ，等于2 0 m 时应采用零值， 5 2 0 m 时应按线性内插法取值。 表1 2 液化等级 t a b l e l 2g r a d e so fl i q u e f a c t i o n 液化等级 轻微中等严重 判别深度为1 5r a 时的液化指数 0 ，55 1 5 判别深度为2 0 a 时的液化指数 0 1 f e 66 1 8 1 2 本课题研究的目的与意义 近年来，随着我国经济的飞速发展，城市住宅小区以及基础设施尤其是地铁、 高速公路不断兴建，对砂性土地基的要求越来越高。因而，快速、准确的分析和 判别砂土液化的可能性及危害性也就变得更加重要。 由于砂土液化判别涉及地震和土的参数等多种定性定量因素，这些因素变量 与评价结论呈复杂的非线性关系，使得传统的判别方法难以得到准确的结果，所 以建立一种人为影响因素小，容定量与定性指标于一体的，能更合理地描述地震 及土参数与液化势之间的复杂映射的多参数综合评判模型非常必要。 人工神经网络( 简称a n n ) 是人工智能领域较为活跃的一个重要分支。它是 一类模拟生物神经系统的结构，能揭示数据样本中蕴含的非线性关系，大量处理 单元组成非线性自适应动态系统，具有良好的自适应性、自组织性及很强的学习、 联想、容错及抗干扰能力，在不同程度上和层次上可模仿大脑的信息处理机理， 可灵活方便地对多成因的复杂的未知系数进行高度建模。从而引起国内外学者的 广泛关注，许多学者致力于将其引进自己的专业研究领域。本文以唐山大地震的 实测资料为基础利用人工神经网络的反向传播神经网络算法，建立十五种描述 地震和土参数与液化势复杂关系的砂土液化判别8 p 神经网络模型并对他们的 合理性进行探讨，以求得到合理的输入节点数目和种类，从而取得判别准确率较 高的液化判别b p 神经网络模型。 对存在液化层的场地的液化危害性评价，建筑抗震设计规范是综合场地一 华南理工人学硕士学位论文 定深度内各上层抗液化的能力及可液化土层的厚度和埋藏深度等因素，采用液化 指数的概念，通过计算液化指数及根据一定的评判标准划分场地的液化等级，即 分为轻微液化、中等液化和严重液化三个等级。建筑抗震设计规范中的液化危害 性评估都是以土层的液化难易程度和液化土层所在的位置作为依据，而没有具体 考虑上覆非液化土层和建筑物的存在对液化危害性的影响，这样难免会对评估结 果的正确性造成影响。 已有的研究分析表明，对使用浅基础的建筑物而言，计算液化震陷值s 是说 明地基失效的一个很好的指标，因为s 值不仅包含了液化土层的作用，还考虑了 上部建筑物的影响。沿着这一思路，本文建立了存在浅基础的水平场地的液化色 害性评价方法。 上述的研究成果可供现有的地方标准、国家规范作参考，对于改善我国目前 饱和砂土液化势评价现状，具有一定的意义。 1 3 本课题研究的内容 根据实际工程的需要，结合上节所述的研究现状，本文对饱和砂土地震液化 预测和液化危害性评价进行了研究，主要包括以下几个方面的内容： 第一章：绪论。简要介绍与本课题相关的研究成果，指出本课题的研究目的、 意义和主要内容。 第二章：浅析当前常用的砂土液化判别方法。详细总结了当前主要的饱和砂 土液化判别方法，并指出它们的不足之处。 第三章：饱和砂土液化判别b p 神经网络程序模块。在简要介绍b p 神经网络 基本原理及其算法的基础上，利用m a t l a b 6 5 编写饱和砂土液化判剐b p 神经 网络计算程序。 第四章：饱和砂土液化判别b p 神经网络程序的调试。利用饱和砂土液化判 别b p 神经网络计算程序，建立、训练和测试十五种描述地震和土参数与液化势 复杂关系的砂土液化判别b p 神经网络模型并根据测试结果对他们的合理性进 行探讨，以求得到合理的输入节点数目和种类，从而取得判别准确率较高的液化 判别b p 神经网络模型。 第五章：地基液化对浅基础建筑物的危害性评价。根据计算液化震陷值s 建 立存在浅基础的水平场地地基液化危害性评价方法。 第六章：防止液化和抗液化措施的初步分析。简要介绍了常用的防止地基液 化的地基加固方法的原理和适用条件，并就如何才能增强液化地基中桩基的抗液 化能力进行了讨论。 第七章：工程应用实例。以乐从欧浦有限公司物流中心地基砂土液化评价为 例，运用建立的砂土液化势b p 神经网络预测模型和砂土液化危害程度划分方法， 6 第一章绪论 对地基土的液化势以及液化危害程度进行预测和评价，并与规范判别法进行比 较。验证了b p 神经网络应用于砂土液化分析的可行性和本文提出的砂土液化危 害程度划分方法的应用价值。 结论：本论文的内容综述，包括论文总结，以及主要结论和今后的研究发展 方向。 华南理工大学硕士学位论文 第二章浅析当前常用的砂土液化判别方法 2 1 引言 震害的宏观调查结果及实验室的试验分析结果都已表明，饱和砂土地基的地 震液化会给建筑场地的各种建筑物造成严重的破坏。因此对此类地基土上的建筑 结构抗震设计的首要任务，就是要进行砂土液化可能性的判别。 多年的理论和试验研究发展了许多从经验性到高度理论分析性的砂土液化 势评价方法。基于室内试验和应力分析的液化判别方法中，最常用的是s e e d 动 剪应力对比法；而基于以往地震经验及现场原位试验的液化判别方法，判别指标 有标准贯入锤击数n 。，、静力触探的锥尖阻力q 。、静力触探的比贯入阻力只、剪 切波速矿等。 2 2s e e d 动剪应力对比法 1 9 7 1 年，s e e d 和l d r i s s 对砂土液化判别作深入的研究后，提出了以室内试验 和地震反应分析为基础的估计液化可能性的方法【9j ，这是最早提出的一个判别水 平地面自由场地液化的方法。该方法主要分为以下三步进行： ( 1 ) 首先估算在给定的地面最大加速度作用下水平地面下饱和砂土单元承 受的水平地震剪应力。 假定地震主要是由基岩向上传播 的水平剪切运动，水平地面土层的运 动可以简化成一维剪切振动。如果己 知地面最大水平加速度为口。，重力溧 加速度为岩，假设深度h 以上土柱是刚“ 体，重度为y ，那么深度z 处所产生的 剪应力为 f ：= z y 鳖 ( 2 1 ) 式中，n 。为地面最大加速度 可按地震烈度估计，见表2 一l 。 垒! 竺 最大剪应力 酉酝 图2 1 估算地震剪应力的示意图 一般f i 9 2 一ls k e t c hm a po fc a l c u l a t i n gr o u g h l ye a r t h q u a k e s h e a rs t i _ e s s 表2 - l 地面最大加速度 t a b l e 2 一lm a x i m u ma c c e l e r a t i o n so fg r o u n d 设防烈度 7 度8 度 9 度 日t m0 0 7 5 9 0 1 5 90 3 0 9 第二章浅析当前常用的砂土液化判别方法 则土柱底产生的剪应力为 矗= y ! k( 2 2 ) g 由于实际土层是分层的，故最大剪应力可以表示为 f m a x ：进n 一 ( 2 - 3 ) 一“m “ 、一j ， g 式中，7 i ，h i 分别为各层土的熏度及厚度。 考虑实际上土体并非刚体而是可以变形的，实际剪应力f 一。必定小于上式所 求得的剪应力，有 t m a xd = r e f ( 2 4 ) 式中，白为应力折减系数，随深度的增加而减小，不同深度的应力折减系数可以 由表2 2 查得。 表2 - 2 应力折减系数 t a b l e 2 2r e d u c t i o nc o c f f i c i e n t so fs t r e s s 深度d ，( m )0i 53 04 56 0 7 59 oi o 51 2 o 屹 1 00 + 9 8 50 9 7 50 9 6 5 0 9 5 50 9 3 5o 9 1 5o 8 9 50 8 5 考虑实际地震是变幅的，而室内试验则是等幅的，所以按照等效的思想( 理 想的均匀波和实际不规则的地震波分别施加到砂样上去，应能使砂样达到相同的 液化破坏效果或使砂样达到相同的应变) 引入等效循环应力和等效循环次数( 见 表2 3 ) 的概念，对于式( 2 4 ) 中所用的加速度乘以0 6 5 的系数加以修正，得 到地震作用平均水平剪应力为 。o 6 5 白口一盖盟 ( 2 5 ) g 循环应力比为 杀= 0 6 5 鱼g 嚣屹 川， c r o ” 式中，o o = 托啊为总覆盖压力；0 o + = 肋；为有效覆盖压力。 表2 - 3 地震震级及其对应等效循环次数 t a b i e 2 3e a r t h q u a k em a g n i t u d e sa n de q u i v a l e n tc y c l en u m b e r so ft h e m 地震震级 7 89 等效循环次数 1 02 03 0 ( 2 ) 由室内液化试验确定饱和砂土单元发生液化所需的剪应力，并转换成 华南理工大学硕士学位论文 现场土壤的液化应力比。 s e e d 和 d r i s s 建议用循环荷载试验等向固结土样4 5 0 面上的应力条件模拟水 平地面下土单元水平面上的应力条件，将动剪应力和初始固结应力之比吒。1 2 0 3 作为液化应力比。 但是，水平地面下土单元的受力状态与三轴试验土样的受力状态不同，而且 这个方法只考虑了一个方向的水平剪切作用，而在实际地震中土单元承受两个方 向的水平剪切作用，在两个方向施加水平剪切作用的液化试验结果要比在一个方 向施加水平剪切作用的低。因此，引进了一个修正系数c ，。修正公式为： 鲁= c r d rt 瓦0 - a d 5 0 】5 0 ( 2 - 7 ) 靠2 以 式中l 一一现场引起液化的剪应力： c ，一一动三轴试验4 5 0 面上的动剪应力比水平面大的修正系数，按表2 4 采 用； 表2 4 修正系数 t a b l e 2 4c o t - r e c tc o e f f i c i e n t s d 。( )3 04 05 06 07 0 8 08 5 c ， 0 5 50 5 50 5 8o 6 lo 6 50 6 8 0 7 0 d 。一一土层的相对密实度； 巩一一上覆土层竖向有效应力； 吒d 2 e r 3 ，o 一一砂的相对密实度d ，等于5 0 时与指定的等价作用次数相应 的液化应力比，按表2 5 采用。 表2 5 液化应力比 t a b l e 2 5r a t i o so fl i q u e f a c t i o ns t r e s s 应力循环次数 平均粒径d 5 0 ( ) o 4 00 3 00 2 00 1 0o 0 7 1 0o 2 60 2 50 2 40 2 20 2 l 3 00 2 3o 2 20 2 l0 t 8o ，1 8 ( 3 ) 最后通过比较液化应力比和循环应力比的大小来评价液化可能性。 安全系数彪定义为现场引起液化的剪应力力与地震作用平均水平剪应力f 。 之比，即 k ：丑( 2 - - 8 ) 毛， 0 第二章浅析当前常用的砂土液化判别方法 当k l 时，砂土液化；当k l 时，砂土不液化。 1 9 8 2 年，s e e d 和 d r i s s 根据中国建筑抗震设计规范( 1 9 7 4 ) 的数据以及中国 海城地震( 1 9 7 4 ) 与唐山地震( 1 9 7 6 ) 、危地马拉地震( 1 9 7 6 ) 、5 可根廷地震( 1 9 7 7 ) 和日本富城一隐岐地震( 1 9 7 8 ) 的数据，得到砂土循环应力比与标准贯入锤击数 之间的相关关系，对上述方法进行扩展，得到种液化判别的新方法 ，其主 要步骤为： ( 1 ) 按式( 2 - 6 ) 计算地震作用时的循环应力比以； ( 2 ) 将标准贯入试验实测锤击数按下式换算成相当上覆自重压力等于9 8 k p a ( 1 t f t 2 ) 的修正标准贯入击数： n l = c n ( 2 9 ) 式中，一一校正为相当于自重压力等于9 8 k p a ( 1 t f t 2 ) 的标准贯入试验锤击 数： 一一实测标准贯入试验锤击数： c 。一一自重压力影响校正系数，根据有效垂直上覆压力由图2 2 查得。 校正系数 o e r 崮 秘 u 删 嘲 耧 虹 0 4 0 60 8l0l2l4l61 82 0 ，一 | | 0 5 0 4 翌0 3 r 型 意0 2 0 l m = 5 2 5 ? m = 6 b 7 j? 份钐 m = 6 7 5 0 汐 ， m = 7 5 缈 m = 8 5 0l o2 03 04 0 修正贯入锤击数 注：m 为地震震级 图2 - 2 考虑自重压力影响的校正系数c 。 图2 - 3 液化判别界限 f i 9 2 2c o r r e c tc o e f f i c i e n t sc no fo w nw e i g h ts t r e s sf i 9 2 3b o u n d a r yo fl i q u e f a c t i o ne s t i m a t i o n ( 3 ) 根据动应力比k ，舐、修正标准贯入击数j v 。和不同震级按图2 - 3 进行 液化判别：位于曲线左上方者可判定为液化，位于曲线右下方者可判定为不液化。 动剪应力对比法对地震强度进行了量化计算，具有简单易行_ l t j ，理论合理 等优点。但此方法也存在着一些缺陷： o 的 啪 啪 渤 渤 姗 啪 伽 伽毒； 华南理_ 大学硕士学位论文 ( 1 ) 在动力分析中，动剪切强度和动内摩擦角是用动三轴试验按一定的破 坏标准确定的，有着颇大的任意性，且该参数只与地基的静应力有关，没有与动 应力联系起来【化j ； ( 2 ) 此方法为统计得出的经验判别式，必然存在一定或然率而产生偏差： ( 3 ) 此方法所取样本仅为实验室内对3 8 个样本试验所得之结果，代表性不 强，且实验室假定条件与实际土体受力情况有出入。 刘金韬等l i3 j 曾利用唐山沿海地区砂土液化的资料对s e e d 简化判别法进行成 功率检验( 见表2 - 6 ) ，结果发现它的判别成功率不是很高。 表2 - 6s e e d 简化判别法成功率 t a b l e 2 6s u c c e s s f u lp e r c e n t so fs e e ds i m p l i f ye s t i m a t i o nm e t h o d 烈度 v i iv i i ii x 口。g 0 10 20 4 检验数个 4 l9 11 1 2 液化 成功率( ) 3 6 66 9 ，27 5 0 检验数个7 66 l7 9 非液化 成功率( )8 6 65 2 57 8 5 2 3 标准贯入试验( s p t ) 判别法 标准贯入试验是利用一定的锤击能量，将一定规格的对开管式贯入器打入钻 孔孔底的土中，根据打入土中的贯入阻力的大小，判别土层的变化情况和土的工 程性质。贯入阻力的大小用贯入器贯入土中3 0 c m 的锤击数心，；来表示。 2 3 1 建筑抗震设计规范g b 5 0 0 11 - 2 0 0 1 的液化判别方法 现行的建筑抗震设计规范g b 5 0 0 l l 一2 0 0 1 规定的液化判别方法是在建筑 抗震设计规范g b 5 0 0 1 卜8 9 规定的液化判别方法的基础上修改得到的。 凡初判为可能液化或需考虑液化影响时，应采用标准贯入试验进一步确定其 是否液化。当饱和砂土实测标准贯入锤击数n ( 未经杆长修正) 小于按式( 2 一 i 0 ) 或式( 2 1 1 ) 确定的标准贯入锤击数临界值，时，应判为可液化土，否则 为不液化土j 。 在地面下1 5 m 深度范围内 = 0 【o 9 + 吨) 】压 在地面下1 5 2 0 m 范围内 心一4 一o k ，压 ( d 1 5 m ) ( 2 1 0 ) ( 1 5 m d 2 0 m ) ( 2 1 1 ) 1 2 第一：章浅析当前常用的砂i 液化判别方法 式中d 。一一饱和土标准贯入点深度( m ) ； d 。一一地下水位深度( m ) ； p 。一一粘粒含量百分率，当小于3 或为砂土时，应采用3 ； j v 。，一一饱和土液化临界标准贯入锤击数； o 一一饱和土液化判别标准贯入锤击数基准值，按表2 7 采用。 表2 7 液化判别标准贯入锤击数基准值 t a b l e 2 7s p tr e s i s t a n c es t a n d a r dv a l u e sw i t hl i q u e f a c t i o ne s t i m a t i o n 设计地震分组7 度8 度9 度 第一组6 ( 8 )1 0 ( 1 3 )l 6 第二、三组 8 ( 1 0 )1 2 ( 1 5 )1 8 注：设计地震分组见6 b j l l 一2 0 0 1 规范附录a ；括号内数值用于设计基本地震加速度为 0 1 5 9 和0 3 0 9 的地区。 根据建筑抗震设计规范g b 5 0 0 1 1 - 2 0 0 i 中的条文说明，本文认为，公式( 2 一l i ) 中的d ；应改为d 。因为该式是从公式( 2 1 0 ) 推导而来的，即当标准贯 入点深度d ，大于1 5 m 时，取d ，= 1 5 m ，以免计算的n 。，与实际偏差太大( 如图2 - 4 ) ， 代入公式( 2 一l o ) 锝 虬= o c z 弘。t 1 v 方i - m 以z ( 2 - - 1 2 ) ( 3 ) 此经验公式孤立地考虑单个或多 f i f l 2 4 液化临界值随深度变化比较 个指标对液化的影响，而且对同一土层采用 2 一c ，a i o m 。p ：箸嚣”i o “血妇1 不同指标判别液化的结果有时相互矛盾 1 6 | 。 ( 4 ) 当d ，= d 。时，对于砂土来说，液化判别标准贯入锤击数临界值是常数t 华南理工大学硕士学位论文 说明只要砂土层埋深与地下水位相同，不论埋深多大，其液化判别标准一样，这 显然与理论和实际不符 13 】。 2 3 2 铁路工程抗震设计规范g b j l l1 - 8 7 的液化判别方法 凡初判为可能液化或需考虑液化影响时，应采用标准贯入试验进一步确定其 是否液化。具体方法是：当饱和砂土实测标准贯入锤击数n ( 未经杆长修正) 小 于按式( 2 1 3 ) 确定的标准贯入锤击数临界值| 】v 时，应判为可液化土，否则为 不液化土 1 7 1 。 n 。，= o 口。d ，d 。a 。 ( 2 1 3 ) 式中。一一一定条件下，设计烈度为7 度、8 度、9 度时的液化临界标准贯 入锤击数，分别为8 、1 2 、1 6 。 口。一一地下水埋深d 。( m ) 修正系数，口。= t - 0 0 6 5 ( d 。一2 ) ； o e ；一一标贯试验点深度d ，( m ) 修正系数，眠= 0 , 5 2 + o 1 7 5 d ，- 0 0 0 5 d ，2 ； 口。一一上覆非液化土层厚度d 。( m ) 修正系数，o t 。= l - 0 0 0 5 ( d 。一2 ) ：