（岩土工程专业论文）饱和粉土动力特性试验研究.pdf

摘要 摘要 早期对液化现象的研究，偏重于讨论纯砂在液化触发时的抗力和 残余强度的评估上，而对于饱和粉土在地震作用下的动力特性的研究 还不够完善，研究成果相对较少。我国的海城和唐山相继发生地震后， 粉土的液化问题逐渐引起研究者的关注。本文通过动三轴试验和大型 振动台试验，对粉土的地震液化性能进行了简单研究，内容如下： ( 1 ) 对地震液化问题的研究进展以及当前针对粉土地震液化问 题所作的研究进行了简单总结，简述了粉土地震液化的判别方法。并 指出尽管当前在粉土液化的研究上已取得一些成果，但仍有很多需要 解决的问题。 ( 2 ) 基于动三轴试验结果，对粉土的地震液化强度做了一定的 研究。探讨了细粒含量与粉土地震液化强度的关系，并指出粉士的地 震液化强度并不是随细粒含量的变化而单调变化，而是当细粒含量在 某一定量时，粉土的抗液化强度将达到最低点。对于本次试验土样， 细粒含量在5 0 左右时的抗液化强度最低。 ( 3 ) 利用粉土地震液化的大型振动台试验，根据理论上的近似 相似律，调整5 0 年超越概率为l o 的人造地震加速度作为输入，通过 试验研究了粉土的地震液化性能，并获得了粉土在地震荷载下是否液 化及液化后震害现象的直观经验。该项试验表明，当粉土密实度较小 时，模型箱内整个饱和粉土层都可能发生液化。 ( 4 ) 基于动三轴试验结果，对粉土地震液化的孔隙水压力增长 规律及永久应变势做了一定的研究，建立了相应的数学模型。并分别 采用已有的和新建立的数学模型来分析粉土地震液化时孔压和应变的 增长规律。最后，将新建立的模型添加到已有的有限元计算程序中， 结合大型振动台试验的条件进行了动力反应计算分析，从理论上对粉 土的液化特性有了定性的了解。通过计算，得出了与大台试验结果相 一致的计算结果，从理论上证明了前期试验工作所得结论的正确性。 关键词：粉土液化动三轴实验孔压模型振动台试验动力分析 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ee a r l i e rp e r i o d ，a1 0 to fa t t e n t i o nh a sb e e np a i do n t h es a n d 1 i q u e f a c t i o n m o s to fr e s e a r c ho nt h e1 i q u e f a c t i o n p h e n o m e n o nh a db e e nd o n eo nt h ee s t i m a t i o no fr e s i s t i n gf o r c e a n dr e m n a n ts t r e n g t ho fp u r es a n dw h e n1 i q u e f a e t i o nt r i g g e r s ， w h i l ei t i sn o te n o u g hf o rt h er e s e a r c ho nt h ed y n a m i cp r o p e r t y o fs a t u r a t e ds i l t ys o l lu n d e re a r t h q u a k ea c t i o n a f t e rh a l c h e n g a n dt a n g s h a ne a r t h q u a k ei nc h i n a t h el i q u e f a c t i o no fs i l t ys o i l h a sc a u s e dr e s e a r c h e r sa t t e n t i o nt o o b vt r i a x i a lt e s ta n d s h a k i n g t a b l et e s t ，t h e e s s a yf o c u s e s o ns t u d yo f t h e 1 i q u e f a c t i o no fs i l t ys o i l ，a n dg e t ss o m ei n t e r e s t i n gr e s u l t s t h em a i nc o n t e n ti sa sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) ab r i e fs u m m e r vism a d ea b o u tt h ed e v e l o p m e n to f e a r t h q u a k e1 i q u e f a c t i o n 0 ns a n da n ds i l t vs o i l ，a n da l s o d i s t i n g u i s h i n gm e t h o d st oi ti sg e n e r a l l ye l a b o r a t e d 。a 1 t h o u g h s o m er e s u l t so nt h e1 i q u e f a c t i o no fs i l t ys o i lh a sb e e ng o t t e n ， t h e r ea r em a n yp r o b l e m sa st h e1 i q u e f a c t i o no fs i l t ys o i lis 1 i t t l er a r e ( 2 ) b a s e do nt h ed y n a m i ct r i a x i a lt e s t s o m er e s e a r c ho n t h el i q u e f a c t i o nr e s i s t i n gf o r c eo fs i l t ys o i lh a sb e e nd o n e t h er e s u i t sb r i e f l y e x p l o r e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i n e s c o n t e n ta n dt h e1 i q u e f a c t i o nr e s i s t i n gf o r c eo fs i l t ys o i l ，a n d a l s o p o i n t o u tt h a t 1 i q u e f a c t i o nr e s is t i n gf o r c e isn o t m o n o t o n o u s l yc h a n g e dw i t hf i n e sc o n t e n t ，i n s t e a d ，w h e nt h e c o n t e n tr e a c h e s c e r t a i n a m o u n t ，t h e1 i q u e f a c t i o nr e s is t i n g f o r c ew i l lr e a c hi t s1 0 w e s t f o rt h ek i n do fs i l t ys o i li nt h i s e s s a y ，t h e 1 i q u e f a c t i o nr e s i s t i n gf o r c ew i l lb ea ti t sl o w e s t w h e nt h ef i n e sc o n t e n ti s u pt o5 0 ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fs i m i l ir u d e1 a w ，s o m e 1 i q u e f a c t i o nt e s th a sb e e nd o n eo ns h a k i n gt a b l et oa n a l y z et h e 1 i q u e f ya b i l i t yo ft h es i l t ys o i l s o m ea u d i o - v i s u a le x p e r i e n c e o nt h ep r o c e d u r eo fs i l t ys o i l1 i q u e f a c t i o na n ds o l ld a m a g ea f t e r 1 i q u e f a c t i o ni sa c q u i r e d t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tw h e n t h e d e n s i t y o f s i l t ys o i l is c o m p a r a t i v e l yl o w ，t h ew h o l e s a t u r a t e ds 儿t ys o i ll a y e r si nt h em o d e lc a s em a yb e1 i q u e f i e d ( 4 ) b a s e do nt h er e s u l t sf r o md y n a m i ct r i a x i a lt e s t ，f i r s t l y ， s o m er e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nt h ei n c r e a s i n gr e g u l a r i t yo fp o r ew a t e r p r e s s u r ea n dp e r m a n e n tt e n d e n c yo fs a t u r a t e ds i l t ys o l l ，a n ds o m e m a t h e m a t i em o d e l sh a v eb e e nb u i i tc o r r e s p o n d i n g l y t h e no l da n d n e w l y b u i l tm o d e la r ea d o p t e dr e s p e c t i v e l yt oa n a l y z et h ei n c r e a s i n g r e g u l a r i t yo fp o r ew a t e rp r e s s u r ea n ds t r a i n f i n a l l y ，t h en e w l y b u i l t m o d e li sa d d e di n t oaf i n i t ee l e m e n tm e t h o dp r o g r a m c o m b i n i n gw i t h c o n d i t i o n so fl a r g es h a k i n gt a b l et e s t ，d y n a m i ca n a l y s i sh a sb e e nm a d e t h r o u g hc o m p u t a t i o n ，t h er e s u l ti si na c c o r d a n c ew i t ht h a to ft h el a r g e s h a k i n gt a b l et e s t ，a n di tp r o v e st h ea c c u r a c yo fc o n c l u s t i o ng o tf o r m t h et e s te a r l yd a y s k e y w o r d s - l i q u e f a c t i o no fs i l t ys o i l ，d y n a m i ct r i a x i a lt e s t ，s h a k i n g t a b l et e s t ，d y n a m i ca n a l y s i s 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的 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 过的科研成果，也不包含为获得生国地震屋王捏左堂盟究压 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：嘎15 羹签字日期：迎皇： 学位论文版权使用授权书 本人完全了解生国地震屋王程左堂巫盈压有关保留、使 用学位论文的规定，同意学校保留或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 授权虫国丝蕉屡王猩左堂班宜压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 其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借 阅。 ( 保密的学位论文论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名：塑i 塞导师签名： 签字日期：竺堕：!签字日期： 第一章绪论 我国地处环太平洋地震带和喜马拉雅一地中海地震带之间，是一个多地震 的国家。据史料记载，级以上的强震达1 9 次之多。地震时，饱和砂土及粉土 的液化常引起建筑物的沉降、倾斜、甚至毁灭性的破坏，给人类造成巨大的损 失和灾难。4 0 多年来，地球上发生的几次大地震，如1 9 6 0 年智利地震，1 9 6 4 年日本新泻地震，1 9 7 1 年美国圣费尔南多地震，1 9 9 5 年的神户大地震，1 9 9 9 年的土耳其地震以及我国1 9 6 6 年的邢台地震和1 9 7 6 年的唐山地震，都有大量 的砂土液化发生，同时伴有不同程度的喷水冒砂，导致地面下沉、大规模滑坡 以及结构地基基础的破坏。震害经验表明，土壤液化是导致工程结构破坏的主 要因素之一，这使得对土液化进行深入研究更加必要和迫切。 1 1 研究概况 在地震作用下，土壤承受往复剪应力作用，从而产生超静孔隙水压力，孔 隙水压力增长的结果，便会导致饱和砂( 粉) 土的承载力降低，最终可能发生 破坏。早期的液化研究目标主要是为了得到液化条件，以预报液化的产生，室内 实验仪器主要为单剪和三轴剪切仪。为了防止和减轻液化灾害的产生，人们重 点在液化的产生条件、预报方法及防护措施等方面进行了大量实验和理论上的 研究，并取得了一系列的成果 2 ，3 ，3 4 。 1 1 1 国外地震液化研究回顾 早在1 9 3 6 年，美国的c a s a g r a n d e 就对砂土液化问题开展了一些研究工作， 并且提出用临界孔隙比法作为饱和砂土液化的判别方法：1 9 4 8 年，t a y l o r 对该 判别方法的异议，使人们开始探索其他途径 1 。s e e d 4 3 ，4 4 ，f i n n 4 5 ，4 6 ， i s h i h a r a 4 7 等在液化研究方面也作了重要的工作，他们从6 0 年代初开始进行 了大量的实验研究，s e e de 5 1 ，f i n n 5 2 等还对欧美国家从6 0 年代初到8 0 年代 初的振动荷载作用下饱和砂土的液化工作做了总结。1 9 7 5 年s e e d 等正式地提 出经验法，该方法具有简明实用的特点，是一个在工程中很实用的方法，可以 说是液化研究的一个里程碑。因为它直接包括了现场真实响应的一些复杂的和 不确定的因素，但是其往往局限在特定的地区，并且很难用来计算二维效应。 就液化的评价准则而言，大致存在着以s e e d 等人为代表的循环活动性准 则和以c a s a g r a n d e 为代表的临界孔隙比准则，不同的液化评价准则相应地代表 了土体液化的不同研究途径。对于地震液化的研究方法，大致可以分为总应力 分析方法和有效应力分析方法两大类，以下就根据这两类方法来简述国外液化 研究的发展。 1 1 1 1 总应力分析方法 总应力法是直接依据土的室内试验所取得的割线剪切模量与等效阻尼比 随应变幅值非线性变化曲线，通过多次迭代获取一个与某种应变水平相协调的 等效线性体系，从而求得近似的非线性解答。土体动力分析的总应力法主要以 s e e d 法为代表，但是该法是一维总应力法。该法定义地震时砂土的平均动剪应 力强度小于一定的动剪应力强度时砂土发生液化。m i c h e a l 和p e t e r 利用基于 总应力法来评估斜坡液化后期的位移，并且模拟了1 9 7 1 年s a nf e r n a n d o 地震 时上游的s a nf e r n a n d o 大坝的响应。随后s e e d 等人又提出二维总应力法，该 法是个平面应变问题，但同样做了土的有效内摩擦角在往返荷载下与静荷载下 相同以及土单元的水平面为液化破坏面的假定。m e j i a 和s e e d 予1 9 8 1 年将总 应力法推广到三维空间，计算采用频域的方法进行，考虑了土的动力非线性。 目前更被研究人员推广的是将经验法和总应力法相结合，称为总应力合成法， 这一方法已在北美工程实际中推广应用。 1 1 1 2 有效应力分析方法 有效应力法以总应力法为基础，本构模型仍采用等价粘弹性体，但是在每 一时段末增加了残余孔隙水压力或残余变形的计算。1 9 6 6 年，s e e d 和l e e 4 9 发表了采用振动三轴试验模拟饱和砂层在地震波水平循环剪切作用下砂土地震 液化的定量分析结果，在其研究中以孔压值作为判断砂土是否发生液化的依据， 并提出其后被广泛引用的“初始液化”的概念。1 9 7 6 年，f i n n 等人首次提出了 将孔隙水压力逐渐增长量与动力反应分析联系起来的有效应力分析法，之后， 关于砂土地震液化及与地震液化密切相关的振动孔隙水压力变化规律的研究得 到迅速发展。 上世纪7 0 年代，s e e d 、m a r t i n 和l y s m c r 4 4 1 根据振动三轴试验成果，提出 了一个振动孔隙水压力与振动次数间关系变化的孔压模式，这一模式主要针对 土体为等向固结的条件。1 9 7 5 年，i s t f a h a m 等提出了孔隙水压力发展的有效应 力模型，能清晰地反映饱和砂土振动开始到初始液化发生所经历的应力路径 有助于理解孔隙水压力发展的起伏波动性，但它不能很好体现动荷载下饱和砂 土实际交替变化和孔压起伏波动的规律性，并且对初始液化、屈服方向独立性 及孔压特征的假定也不尽合理。y o n d 于1 9 7 0 年将孔隙水压力的发展与振动过 程消耗的能量联系起来而提出了孔压的能量模式，该模式将孔压与振动过程中 消耗的能量联系起来。1 9 7 9 年，n e m a t - n a s s c r 和8 h o k o o h 发表了从能量角度研 究振动下均匀松砂的震密和孔隙水压力增长的机理及其相应的理论，由于能量 是一个标量，所以还可用这种方法通过叠加原理来解决复杂荷载下的动力问题。 e r t 和m a h c r 基于对含细粒的o t t a w a 砂的常规三轴动力试验结果验证了 n e m a t - n a s s e r 和s h o k o o h 提出的孔压增长理论模型，并探讨了细粒含量对孔压 增长的影响。m a r t i n 等人于1 9 7 5 年提出了孔压的应变模式，认为不排水条件下 的振动孔隙水压力等于排水时永久体积变形与回弹模量的乘积，它直接和动力 分析中的应变幅联系起来，因此目前已成为孔压研究的一个重要方向，但它原 则上只适用于在静力上处于压缩状态、动力上处于剪切或纯剪状态的土体。l o 第一章绪论 则采用内时理论将孔压表示为大主应变的单调函数，d o b r y 等则得出饱和砂土 的孔隙水压力与循环剪应变具有很好相关性的结论。1 9 8 1 年，f i n n 利用内时理 论建立了饱和砂土在循环荷载作用下孔隙水压力计算模型，将孔压与某一单调 增长的内时参数联系起来，内时理论把土看作非线性弹塑性材料。 1 1 2 我国地震液化研究回顾 我国振动液化方面的开创性的工作应归功于我国学者黄文熙，汪闻韶等。 汪闻韶、黄文熙在上世纪5 0 年代末和6 0 年代初相继在砂土液化方面做了一定研 究，提出了饱和砂土振动孔隙水压力比与振动加速度和固结应力比的关系，开 辟了我国科研工作者进行土的液化研究的领域。汪闻韶 8 基于室内试验结果， 提出了一个孔隙水压力的增长模式，考虑了扩散、消散等问题，并利用有限差 分法给出了计算实例。黄文熙认为圆筒振动液化实验不符合砂坡和砂基中的应 力条件，他在1 9 5 9 年倡议使用动三轴仪来进行，并为国内外重视和采纳。 谢定义 1 5 2 3 、魏汝龙 4 、沈珠江 3 2 等在砂土振动孔隙水压力的产 生和消散问题的理论研究及在工程计算中的应用等方面作了大量研究。谢定义 提出了孔压的瞬态模式，将振动荷载作用下的孔隙水压力分为应力孔压、结构 孔压和传递孔压三种基本形式，并认为任何瞬态确定的孔压为三者之和，揭示 t s l 隙水压力瞬态起伏波动的规律性和平均过程单调增长性的内在原因。魏汝 龙基于振动单剪仪，对粉砂液化进行了研究，提出了表示动荷载大小和循环荷 载周数的综合影响的动力作用综合因子。沈珠江从砂土变形的微观机制出发， 考虑了最小能原理、颗粒滑移机理、硬化机理及剪胀机理，并基于这些认识给 出了一个包括1 0 个参数的砂土本构模型，借此对正弦荷载下的孔压增长进行了 计算。 张克绪 1 8 ，1 9 、何广讷 1 4 、徐志英 1 0 ，2 2 等对砂土、粉土和粉煤灰 等的液化问题作了大量的研究，探索了剪切荷载作用下孔隙水压力的变化规律、 砂土的本构特性和液化的发展过程等。张克绪提出用八面体动剪切强度验算液 化范围，克服t s e e d - - 维总应力法中假定的应力条件与实际应力条件不一致的 缺点，并给出了液化判别式。1 9 8 7 年何广讷等考虑到砂土的非线性振动反应和 多因素影响，从而采用内时理论将本构关系表达为单一的内缓变量的函数。徐 志英等开发了二维有效应力动力分析方法，利用等效线性迭代法，通过模型变 化修正应力应变关系，进行坝体的液化动力分析。 此外，门福录和崔杰 9 ，1 6 ，5 0 ，5 3 从两相介质相互作用的观点出发，探 讨了砂土液化问题，门福录还提出了剪切液化和水力液化的不同机理，并提出 了r a y l e i g h 波可能是地震液化的主要动因的新观点。崔杰 24 ，4 8 用两相介质理 论做了进一步论证，提出了一种从机制上可更合理的解释砂土液化的机理分析 方法，从而可以同时把土一水相互作用，惯性力，水渗流和各种非线形影响因 素考虑在内，并可同时求解出土、水的运动和应力状态。 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 1 2 土体地震液化机理及影响因素 1 2 1 液化机理 土体的液化机理及其影响因素一直是液化研究中的一个重点和难点。关于 饱和砂土的液化机理，大致可归纳为循环活动性、流滑和砂沸三种类型。循环 活动性是指在循环剪切过程中，由于土体积剪缩和剪胀的交替作用而引起孔隙 水压力反复升降而造成的间歇性液化和有限制的流动变形现象，它主要发生在 中密和较密的饱和无粘性土中。流滑是指在单向或循环剪切作用下，土体积持 续剪缩，孔隙水压力不断上升，从而导致抗剪强度的骤降而形成无限制的流动 大变形，它主要发生在疏松的饱和无粘性土中。砂沸是土中孔隙水压力超过上 覆土体自重时所引起的喷砂冒水现象，主要取决于土中渗流水头场的分布情况， 因此它既可以是无地震液化时的正常渗流水头场，也可以是地震所引起的孔隙 水压力水头场分布。 上述液化机理虽有区别，但又相互联系，在液化问题的研究中应全面考虑。 1 2 2 土体地震液化影响因素 土体的振动液化是一种相当复杂的现象，它的产生、发展和消散主要由土 的物理性质、受力状态和边界条件所制约。液化的影响因素归纳起来大约有三 大类。一类是动荷条件，一类是埋藏条件。另一类是土性条件。动荷条件主要 指的是震动强度和持续时间，震动强度以地面加速度来衡量，震动强度大，震 动持续时间长，砂土越可能液化。埋藏条件主要指上覆土层的厚度、上覆土层 的透水性和应力历史。土性条件包括土的相对密度、粒径、初始孔隙比、结构 性、渗透系数、前期固结压力等。 1 3 粉土的地震液化研究 1 3 1 粉土液化研究概况 在液化研究的长达4 0 多年里，人们总是认为：地震时低塑性的粉质粘土和 粘质粉土不易液化。直至1 9 6 8 年d h p p o l o n i a 第一次考虑了粉粒和粘粒含量的 影响，1 9 6 9 年l e e 和f i t t o n 、1 9 7 3 年g u p t a 和g a n g a d h y a y 相继提出粘粒和粉粒对 土的动强度影响，才引起人们的关注 1 。北美工程界以及日本都将细粒土定义 为粒径小于0 0 7 4 m m 的土，并研究了细粒含量对土的动力特性的影响，在此研究 中，将细粒土视为一种由大量粉粒组成的没有粘性的材料 3 6 。s e e d 等以及y o n d 和i d r i s s 等相继开展了细粒含量对抗液化强度的影响研究，得出了有益的成果。 1 9 7 2 年m a r c u s o n 和g i l b e r t 3 7 对配置的砂土粉土混合试样的地震液化问题进 行了研究。y a m a m u r o 等 3 8 对高粉质砂进行了排水和不排水三轴压缩实验、不 排水循环三轴剪切实验、以及排水和不排水稳定性实验等，结果表明，高粉质 砂比低粉质砂的体积收缩性更强。t h e v a n a y a g a m 等 3 9 3 的研究表明，粉砂与纯 砂的物理特性有较大的差别，主要是由于微结构的改变引起的，这种改变在粉 土含量超过一定值时，才会发生作用。k o h jit o k i m a t s u 和y o s h i a k iy o s h i m i 4 0 指出，通常细粒含量超过5 0 的土不易液化，但当所含细粒无塑性时，即使细粒 含量高达9 0 ，该土仍然可能液化。c h a n g 等 4 1 认为在砂土中增加细粒含量对 砂土的抗液化强度无明显影响。l a w 和l i n g 3 6 用循环三轴实验研究了砂土中非 塑性细粒土对液化阻力的影响，结果表明，粉砂土的抗液化强度在最初阶段是 随着细粒含量的增加而降低，当降低到一最低抗液化强度后，抗液化强度将随 细粒含量的增加而增加。p o l i t o 等 4 1 用蒙特利砂对此做了分析，认为细粒含 量在3 5 左右时达到抗液化强度的最低点，文献 4 2 中在分析细粒含量对标贯次 数的影响时，也把细粒含量3 5 作为一个分界点。 1 9 7 5 年海城地震时，在下辽河盘锦地区，发生了大面积的粉土喷出地面的 现象，1 9 7 6 年唐山地震中，天津等沿海地区又出现了大面积的粉土液化喷出现 象，因此，粉土的液化特性和判别方法等的研究引起国内更多单位重视。工力 所通过室内振动三轴实验，首次证实原状粉土可能液化。此后，国内的石兆吉 2 6 、刘颖 2 7 、王余庆 2 s 、钟龙辉 1 7 、郁寿松 2 9 等，纷纷提出了一些 新的适用于粉土的液化判别公式。景立平等 3 1 利用动三轴对沪蓉高速铁路徐 州段路基粉土的液化势进行了研究，并认为双曲线模型可以符合该粉土液化时 的孔隙水压力上升规律。陈国兴 t 2 3 等利用动三轴实验，研究了南京粉质粘土 及粉细砂在往复荷载作用下的孔压发展模式，认为在均等固结压力条件下，粉 质粘土的孔压比与振次比符合双曲线型，粉细砂的振动孔压发展规律符合s e e d 模型。到目前为止，已有较多有关粉土及粉砂液化的实验研究、现场调查结果、 经验公式、理论分析、判别与预测以及液化小区划等方面的文章发表，但还存 在不少有争议及尚需深入研究的问题。 1 3 2 粉土液化判别方法分类 粉土既不同于粘性土，又有别于砂土，具有独特的性质。粉土中的粉粒含 量占绝对优势，粗粒和粘粒含量较少。此外，由于成因不同，粉土的工程性质 也有很大差异。阮永芬等 1 3 对粉土地震液化判别方法研究的现状和实际存在 的问题做了评述，并提到了粉土性质的区域性。目前有关粉土液化的判别公式 具有不同的特点，大多是基于宏观调查资料，利用图解法或数理统计法建立的。 当然也有其它形式的判别方法，但按形式和内容可粗略的分成以下几类： i 3 2 1s e e d 简化法 当具有相应的抗液化强度指标时，可用s e e d 简化法判别粉土的液化，该 法是工程中应用最为广泛的一种液化判别方法。它的明显优点是可与室内实验 研究进行协调，不必硬性规定埋深和地下水位的影响方式，可考虑震级的影响， 液化判别临界线适用于不同烈度等。但所需参数( 如等效循环次数，深度修正 系数，强度修正系数以及对于细粒含量的影响等) 尚难精确确定，所以此法有 待进一步改进。 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 1 3 2 2 动力反应分析法 该法在数学力学分析上较为严格，但也较为复杂。用此法进行液化判别， 不但适用于自由场地，也适用于判别重要建筑物地基中和土工结构中饱和土体 液化。张崇文等 2 1 建立了三维动力非线性有效应力液化分析有限元法，就地 下水位、覆盖层厚度等因素进行分析研究，并对粉土液化问题的有关影响因素 进行了研究。这种判别液化的方法不仅可以考虑地震动力特性、地形地质条件、 荷载作用、边界条件等各种因素的影响，还可以研究地震过程中及地震发生以 后地基中液化区的发生及发展过程。这一方法虽然在理论上较严格，但分析过 程较复杂，需要由室内实验确定土的动力特性参数，以及进行复杂的计算分析， 由于问题的复杂性，所以此法在实际工程中应用得比较少，目前只在一些重大 工程中试用。 1 3 2 3以震窖调查资料为基础的经验法和统计分析法 ( 1 ) 与砂土通用的液化判别式 实验研究表明，影响砂土和粉土液化的主要因素是一致的，有可能把两者 合并在一个液化判别式中，便于应用。经国内外资料验证，规范中砂土的液化 判别公式是比较可靠的。通常认为，粘粒含量是影响粉土液化的主要因素，因 此，把粉土液化判别公式与砂土液化判别公式合并是可行的。钟龙辉 1 7 用提 高实际标准贯入击数来反映粘粒含量的方法，石兆吉 1 1 提出在砂土液化判别 式中加上反映粘粒含量影响的修正项或乘上反映粘粒含量的影响系数等，但这 些方法所采用的修正系数是根据离散性较大的资料获得，或只适用于某些特定 条件，因此局限性较大。 ( 2 ) 反映物性指标的判别式 该类方法主要有标准贯入法、静力触探、电测法及剪切波速法。标准贯入 法提出较早，经不断改进已比较成熟，广泛地用来预测液化的可能性，但由于 设备操作方法和习惯不同，试验结果并不稳定。静力触探法和能量判别法具有 很强的实用性，但也具有地区区域性。剪切波速法先后被抗震设计规范采用并 逐渐受到重视，波速测定简便易行，且剪切波速值稳定可靠，在场地区划中已 可使用，判别精度也和其它方法同阶。 ( 3 ) 其它方法 由于地震作用的随机性，且土体本身的抗液化强度因为受多种复杂因素的 影响也存在相当的不确定性，因此，许多学者把概率统计分析、模糊数学理论 和人工神经网络等应用到地震液化的分析和判别中。y e g i a n 和v i t e l l i 5 4 将 地震液化历史记录与室内液化试验结果相结合，通过优化回归分析建立场地液 化指数与地震震级和震中距的衰减关系，引入地震危险性分析模型，对场地地 震液化危险性进行评价。日本学者谷本喜一，首先使用多元统计分析方法，判 别砂土液化，利用线性函数来确定砂土的液化指数。我国学者参照谷本喜一的 方法，采用非线性的判别函数进行分析，建立液化势公式，即多元统计分析方 第一章绪论 法。在液化势函数的建立过程中，原始数据的可靠性及其标准化处理，对判别 式有较大影响。 1 ：4 选题背景及意义 砾粒以下的土粒，国内外都分为砂粒、粉粒和粘粒三级，自然界中的土体。 一般是这三种士粒的混合体。建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 定义 粉土为：粒径含量大于0 0 7 5 m 不超过5 0 ，且塑性指数，1 0 的土。粉土中 粉粒含量占绝对优势，粗粒和粘粒含量较少。由于粉土的土质特性，特别是颗 粒组成和孔隙中薄膜水的物理化学作用与砂土有明显的差异，因而表现在影响 抗液化强度的各因素及影响程度方面，粉土和砂土有很大区别。此外由于成 因不同，不同地区的粉土的工程性质也有很大的差异。早期对液化现象的研究， 偏重于讨论纯砂或粉砂在液化触发时的抗力和残余强度的评估上，而对于饱和 粉土在地震作用下的动力特性的研究还不够完善，未形成完整的动力响应理论， 因此，进一步研究粉土的液化机理及影响其液化触发的各种因素以及液化过程 中孔压增长消散规律和液化后的变形特性，建立实用的粉土液化判别和危害分 析方法已成为工程建设中的一个重要课题。 广泛分布于各冲洪积平原、河流三角洲、沿海平原、湖积平原等地域的饱 和粉土，土中水多为自由水，在地震中极有可能发生液化，地基承载力低，是 工程建设中经常遇到的土类之一。本次工作以徐州某高速铁路路基粉土为研究 对象，主要采用室内动力试验分析方法对该类粉土在动力荷载作用下的液化特 性做出评价，以期对实际工程提供比较可靠的资料并为相关土类的液化研究工 作提供一定的借鉴。 1 5 论文的研究内容 本文主要采用试验分析和理论计算方法，对粉土的液化问题做了较为详细 的分析。全文共分为七章，具体的内容简述如下： 第一章，绪论。简要回顾了地震液化问题的研究进展，概述了本论文的选 题目的和意义，以及本论文的研究工作。 第二章，粉土地震液化特性试验研究。进行了动三轴试验，研究了密度和 细粒含量对粉土抗液化强度的影响。并指出粉土的抗液化强度不是随细粒含量 的变化而单调变化，当细粒含量在某一定量时，粉土的抗液化强度最低。对于 本文的试验粉土，细粒含量在5 0 时强度最低。 第三章，根据动三轴试验结果，提出了一个新的孔隙水压力增长模型。分 别采用s e e d 模型和新建立的孔压增长模型分析了粉土液化时的孔压增长规律， 给出了新建模型的参数值。 第四章，根据动三轴试验结果，提出了一个实用的应变势模型。分别采用 分段曲线模型和新建立的应变势模型分析了粉土液化时的变形发展过程，并给 出了新建模型的参数值。 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 第五章，粉土地震液化的大型振动台试验。根据一定的相似规律调整取土 场地5 0 年超越概率为1 0 的地震设防水平下的地震动作为输入地震动，分两 组共进行了八次试验，检验了粉土的液化性能。较为详细分析了试验中粉土液 化的发展过程，并获得了粉土在地震荷载下的液化过程及液化后的震害现象的 直观经验。 第六章，粉土地震液化的动力反应分析。将新建立的孔压模型和应变势模 型添加到有限元计算程序中，并模拟大型振动台的试验条件对试验土体进行了 动力反应分析，从理论上对粉土的液化特性有了定性的了解，验证了前期试验 工作的正确性。通过计算发现，动力反应计算结果与大台试验的测试结果比较 符合，证明了两种方法具有较好的一致性。 第七章，结论与展望。简要归纳了本论文的研究成果并对今后工作做了进 一步探讨。 第二章粉土地震液化特性试验研究 第二章粉土地震液化特性试验研究 2 1 土样的颗分试验和液塑限试验 本次试验土样为徐州某高速铁路路基的粉土。建筑地基基础设计 规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 对粉土定义：粒径含量大于0 0 7 5 m m 不超过 5 0 ，且塑性指数，。1 0 的土。在进行动三轴试验之前，对所采用土 样进行了颗分试验和液塑限试验，试验按土工试验规程s l 2 3 7 - 1 9 9 9 进行操作。并预留出粒径d 薹0 0 7 4 m m 的细粒土以备配制动三轴试验试 样使用。 颗分试验采用筛析法，结果如图2 1 。液塑限试验所用仪器为光 电式液塑限联合测定仪，采用三皿法，进行了两次试验，得到圆锥下 沉深度与含水率关系图，图2 2 。通过计算，本次试验粉土的细粒含 量达8 0 ，w - = 1 3 ，w ，= 1 9 ，塑性指数，= 6 ，属于低塑性粉土。 、 、 | t t 、 图2 1 粉土颗粒大小分布图 | ； 图2 2 圆锥下沉深度与含水率关系图 ；6 5 4 3 2 一e g一口=uu*u自qcou u l i _ “o l i - 厶u 凸 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 2 2 动三轴试验 动三轴试验首先是将一定密度和湿度的圆柱体试样在轴对称的三 轴应力下进行固结，固结完成后在不排水条件下作振动试验。通常认 为，地震荷载主要是自下卧基岩处竖直向上传播的剪切波引起的，是 一种幅值、频率不断变化的不规则运动过程。为在振动三轴仪上模拟 这种应力状态，通常把这种不规则的地震动简化成等效常幅有限循环 次数的振动。这样，在试件上应模拟两种应力状态，即地震前主要由 有效覆盖压力引起的静应力仃，。和k o 盯。及地震时的均匀循环剪应力 f 。此外，地震过程短暂，产生的超孔隙水压力来不及消散，因此， 应在不排水条件下进行试验。 2 2 1 动三轴试验的应力条件 5 ，1 9 张克绪( 1 9 8 4 ) 曾建议以往返荷载作用下土单元最大往返剪切作用 面上应力条件的模拟来代替整个应力状态的模拟。通常，一个面上的 受力条件可以用如下三个应力参数表示： ( 1 ) 静力有效正应力口： ( 2 ) 初始剪应力比口。，即静剪应力f ，与静力有效正应力盯：之比： ( 3 ) 往返剪应力比口，。，即往返剪应力f 。，与静力有效正应力盯：之比， 它是表示一个面上往返剪切作用大小的一个量。 这三个参数随面的不同而不同，对于一定的静力有效应力，在往 返应力偏量附加作用后，在土单元的诸面中必有一个面上的往返剪应 力比最大，即在这个面上往返剪切作用最大，因此，该面首先达到液 化应力条件。这个面就是最大往返剪切作用面。 在往返荷载三轴试验中，土样所受的应力条件为初始静力有效应 力吒、c r 3 ，往返应力偏量为轴向往返应力仃。，( r ) 。卢为任一面与最大主 应力面之间的夹角。该面上的往返剪应力可由下式确定； 式中，乃为由初始静力有效应力和往返应力偏量共同作用在该面 上产生的合成剪应力。 该面上的往返剪应力比可由下式确定： 口“= 鱼善 ( 2 2 ) 盯5 第二章粉土地震液化特性试验研究 盯l 二! ! ! ! + 当二1 2c o s 2 卢 盯，= 二_ 了二+ - _ z p 舯， 铲孚m 卢 铲半s i 哪 ( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) 得该面上的往返剪应力比： 口，： ! 型! 垫! 笪 ( 2 4 ) 哎5 百i 再葛了西面 “剖 由上式可见，确定最大往返剪切作用面的条件为 ! 堕；0( 2 5 ) d 8 将式( 2 4 ) 代入上式得： c o s 2 , b = - ( a l 一吒) ( o r l + ) ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 给出了确定最大往返剪切作用面与最大主应力面夹角的条件， 由该式可见，对于三轴液化试验的应力条件，最大往返剪切作用面与 最大主应力面夹角只取决于固结应力条件而与往返应力无关。 对于均等固结三轴液化试验，由式( 2 6 ) 可得 2 口= 9 0 。 ( 2 7 ) 这表明，最大往返剪切作用面就是4 5 。面。 最大往返剪切作用面的位置确定出来之后，该面上的应力分量便 可容易地确定出来。将式k2 6 ) 代入式( 2 3 ) 得： 盯：三盟 g i + 叮3 o ：! 匹扣万o2 荔i 、q 吒 r “= 止g i + 堕0 3 仃“ ( 2 8 ) 因此，由上式可得最大往返剪切作用面上的初始剪应力比和往返剪应 力比 吼2 精i 一2 ：厢o a dj 对于均等固结的往返荷载三轴试验有 口一= o1 户暑j ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 这样，往返荷载三轴试验的应力条件，最大往返剪切作用面上的 应力参数便全部确定出来了。 2 2 2试验过程 2 2 2 1 仪器的标定 进行试验之前，仪器的各项性能均需调整，仔细标定，试验前的标 定直接关系到能否获得满意的试验结果。动应力、动应变和动孔隙水 压力的标定理应在动力情况下进行，但由于它们的幅值较大，不易进 行动力标定。实践表明，在低频条件下，动力和静力分别作用时，标 定的结果很接近，因此采用静力法标定。对本次试验所采用的动三轴 仪的动孔隙水压力、动应力、动应变进行标定，标定系数分别为 o 6 8 ( 坛c m 2 ) v 、0 8 6 ( 堙c m 2 ) v 、1 9 6 m m v 。 2 2 2 2 试样制备及试验仪器 本次试验土样全部采用重塑样，一共做了六组不同的试样。三组 重塑粉土试样的干容重分别为1 4 0 9 c m 3 、1 5 0 9 c r n 3 和1 6 0 9 c m 3 。 此外，控制干容重在1 5 0 9 c m 3 ，用粒径在0 1 m m o 2 5 m m 细砂和筛 出备用的粒径小于0 0 7 4 m m 的粉土，分别按细粒含量为4 5 ，5 5 ，7 0 配制三组试样。除了干容重p 。，= 1 4 0 9 c m 3 的一组试样在三轴室内成型 外，其余试样采用多层湿捣法，分四层击实，根据需要制备试样的干 密度和细粒含量将土样配制好后，计算每一层土的重量，加入适量水 拌和均匀，击实到相应的高度，各层的接触面用刮刀刨毛，以保证层 与层之间接触良好。成型后，放入饱和容器中抽真空饱和2 4 小时。为 了消除其它不确定因素的影响，制备土样前对所使用粉土预先进行了 处理即土样经烘干后，控制土样的粒径小于0 2 5 m m 。本次试验所用 的主要设备是中国地震局工程力学研究所研制的s d z 一1 型双向电磁振 动三轴仪，该仪器包括激振设备、三轴室( 包括管路) 和测试采集 第二章粉土地震液化特性试验研究 设备。试验中输入的动荷载为正弦波形，振动频率为1 h z ，所使用的试样的 高度和直径分别为8 0 r a m 、3 9 1 m m 。 2 2