（工程力学专业论文）土石坝抗震与液化计算分析研究.pdf

摘要 土石坝是一种经济的坝型，由于该坝型具有施工简单、工序少、造价低、施 工速度快，特别是能适应于较差地质条件的特点，被广泛应用于水利水电拦河坝 建设中。采用有限单元法对土石坝进行抗震计算和液化分析研究在水利工程中具 有深远的意义。 本文介绍了土石坝的发展概况和研究现状，对各种土石坝动力计算方法进行 了评述。阐述了二维土石坝抗震与液化计算分析程序的编制原理和计算过程。程 序静力计算中采用邓肯一张模型来反映土石坝的非线性性能，并采用分级加载方 式模拟坝体的施工过程；计算时考虑了应力历史的影响，并对发生拉裂或剪坏的 单元进行修正。 在动力计算分析中，采用w i l s o 棚逐步数值积分法求解动力平衡微分方程。 基频按反幂法计算，并采用r a y l e i 曲商来加速收敛。液化判别中考虑了等效周 数、剪应力峰值和液化剪应力三个参数，通过比较计算得到的坝体地震剪应力和 液化试验测定的抗液化剪应力，判断砂土是否液化。采用整体变形计算方法，对 动应力一残余应变模型进行土石坝永久变形分析 基于上述理论和工作，对一个典型算例进行了计算分析，讨论了位移场、应 力场、可能液化区域等。通过计算表明了计算模型的合理性和所编制程序的正确 性。 关键词：有限元法、土石坝、抗震、液化判别 a b s t r a c t t h ee a r t h - c kd a mi sak i n d0 fe n o m i cd a mc h a r a c t e 蒯b ys m p l e c o n s t r i j c t i o n ，1 0 wc o s t ，a n df a s ts p e e c l b e c a u 0 ft h e 钧s ya p p l i c a 的ni nt 1 1 眙 w o r s eg e o i o g i c a ic 0 n d j t i o n ，ni sw i d e i ya d o p t e dt 0t h ed a mf o rw a t e rt a m i n ga n d h y d p o w e rp r o j e c t t h ea p p l i c a t i o no ft h ef i n i t ee i e m e n tm e t h o dh a sf a h i e a c h i n g 哟n 隋c a n c e f o rs e i s m i ca n a i y s i s0 ft h ee a n hd a mi nh y d 阳u i i ce n g i n e e n n g r e s e a r c h t h i sa c i e n t 巾d u c e st h e0 v e i e w0 fd e v e l o p m e n ta n dt h er e a 亿h0 ft h e d a m d y n a m l cc a i c u i a t i o nm e t h o d se m p i o y e di nt h ev a f j o u se a 附卜僦kd a ma 陀 a i s od i s c u s s e di nt h ep a p e r t h e e m p h a s i si sa l s op u t0 nc o m p i i a t o nt h e o 吖a n d c a i c u l a t i o np r 0 c e s si nt h e2 - d 钧曲d a ms e i s m l ca n di - q u e f a c t i o na n a l y s l s p g 陷m d u n c a n - c h a n gm o d e l i su s e dt 0s h o wn o n - l i n e a rp m p e n i e so fe a r t h r o c ki ns 协t i cc a i c u i a t o n0 fp r o g 阳ma n dg 陷d a t i o n1 0 a d i n gm e l h o d 协rs i m u i a t i o no f d a mb o d yg r a d a t b nc o n s t r i j d i o n f u r t h e n l l o r e ，p r o g 陷ma l s 0t a k e ss u c hf a 咖r i n t 0a c c 0 u n ta st h ei m p a d0 fs t r e s sh i s t 0 吖a n d r r e c t se i e m e n t sd a m a g e de j t h e r b yp u l l i n go rb ys h e a rs t r e s s 1 nt h ed y n a m i cc a l c u l a t i o na n a l y s i s ，w i l s o n 一8g 陷d u a l i yn u m e n c a ii n t e g r a t l o n m e t h o di su s e dt or e s o i v et h ed y n a m i ce qu - i b r i u me q u a t i o n s f l f s tf r e q u e n c yj s c a i c u i a t e di nl r l v e 鸭ep i ) w e rm e t h o d ，u s i n gt h er a y i e i g ht 0 托sa c c e i e r a t e d c o n v e r g e n c e l i q u e f a 酬0 nd i s c n m i n a t 0 nc o n s i d e 倦s u c ht h 啪p a 阳m e t e 隋a st h e e q u j v a i e n tc i r c i e ，p e a kv a l u e0 fs t 怜a rs t 悖s sa n di i q u 酾e ds h e a rs t 怕s s t h ed a m i s m i cs h e a rs 仃e 鹞0 fd a m9 0 tb yc a 灿l a t i n 9a n dm p a r i n ga n dt h e a m i 一呐u e f a c t i o ns h e a rs t 怕s sm a d ef m mh q u e f a c l j o nt e s ta 阳c a i c u i a t e di no 喇e rt 0 j u d g e 诈t h es a n di s l i q u e f i e d w n he n t r ed e 耙m l a t 0 n m e t h ( ) c i d y n a m i c s t r e s s - 怕s i d u a is t 陷i nm o d e l sa r ea p 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论文作者( 签名) ：查是 一一 q 昌年舌月箩日 第一章绪论 1 1 选题意义 第一章绪论 我国是世界上多地震国家之一，地震活动分布范围较广，基本烈度在6 度以上 的地区占全国总面积的6 0 以上1 1 1 。在水库工程的挡水建筑物中，土石坝是最常见 的坝型，有很多土石坝建于强烈地震区，地震对土石坝的破坏影响较大，主要破坏 形式为坝顶及坝坡的纵横裂缝，坝体滑动滑裂、凸起和失稳，坝基失稳液化，坝顶 坝坡垂直沉陷、水平位移、渗流量增加，坝内涵洞或埋管、坝项或坝坡上竖井破坏， 对大坝正常运行产生不利影响，甚至威胁大坝正常运行。在我国虽然尚无地震溃坝 事例，但也有一些坝体因地震而发生滑坡、震陷、裂缝等震害，如北京密云白河土 坝、唐山陡河土坝、辽宁石门土坝等。因此在工程设计中研究土石坝的抗震性能具 有重要的实际意义。 1 2 土石坝的发展概况 土石坝是指由土、石料等当地材料建成的坝，是历史最为悠久的一种坝型。在 我国被广泛用作水库的拦河坝及江河湖海的防护堤。据1 9 8 4 年的统计【2 】，在我国已 建成的2 0 0 0 座大、中型水库，土石坝占9 l ，砌石坝占5 4 ，混凝土坝占3 1 ， 其它型式的坝占0 5 。近代的土石坝筑坝技术自2 0 世纪5 0 年代以后得到了发展， 并促成一批高坝的建设。随着我国能源与水利建设事业的发展，大型水利水电工程 将日益增多，而水利资源丰富的黄河上游、长江中上游干支流、红水河等建坝地点 大多处于交通不便、地质条件复杂的地区，自然条件相对恶劣，旌工困难多，修建 土石坝具有更强的适应性。因此，我国十分重视因地制宜，积极推广和发展高土石 坝的建设。 随着坝工技术的发展，本世纪初首先出现了超过百米的混凝土重力坝和拱坝； 而具有悠久历史的土石坝经过不断地工程实践，坝体结构和施工方法逐渐完善，达 到了既经济又安全的程度，从而在本世纪3 0 年代也出现了坝高超过百米的高土石坝。 由于人们对于土料压实理论的研究不断深入，提高了对土石坝安全性的认识，进一 步加快了土石坝的发展进程。7 0 年代末，土石坝的数量和高度终于全部超过混凝土 坝，使其在坝工建设中占有明显的优势，土石坝在全部百米以上高坝中所占的比例 由1 9 5 0 年前的3 1 增至6 2 ，超过了混凝土重力坝和拱坝的总和，其中坝高超过 河海大学硕士学位论文 1 5 0 m 的高坝有2 7 0 座，土石坝就占6 8 座；3 0 0 m 以上的高坝均为土石坝；低坝中土 石坝的比例更是占绝对优势。各项经济技术指标体现出土石坝的广阔发展前景，使 其成为世界坝工建设中发展最快的坝型。从世界范围内来讲，美国建设的高土石坝 最多，已建和在建的高于1 5 0 m 的土石坝就有1 2 座。日本在6 0 年代以后，以建高土 石坝为主，但规模较小，且格外重视抗震设计。前苏联是水能资源较丰富的国家之 一，水力开发较早，高土石坝在7 0 年代发展也很快，百米以上的土石坝也有1 2 座， 建成的坝高3 2 5 m 的罗贡坝创下坝工建设的新记录。此外，加拿大、土耳其、墨西哥 等国家在建的高坝也绝大多数为土石坝。6 0 年代后期随着重型振动碾压机械的发展 促进了混凝土面板堆石坝的迅速发展，解决了防渗体士料缺乏和多雨地区防渗体施 工困难等一系列问题，使混凝土面板堆石坝重获新生，是一种很有发展前途的坝型【3 】。 在国内外大型高坝的建设中，大都采用混凝土坝或拱坝，不仅工程造价昂贵， 且施工要求严格，而采用土石坝则可以大大节省投资，便于施工。但由于土石坝在 修建过程中确实存在一些实际困难，例如西南地区河流雨季较长，河流导流流量巨 大，峡谷河段缺乏合适的防渗土料以及断面过大等，使上述优势不能充分发挥。随 着土石坝技术的进步，混凝土面板堆石坝和心墙堆石坝恰好在这些方面弥补了其它 土石坝坝型的不足，使得面板堆石坝和心墙堆石坝在我国得到了快速的发展和广泛 的应用，土石坝的建设和发展，已经积累了丰富的实践经验和成套的科研试验成果， 土石坝已经成为富有竞争力的坝型。 我国的水库大坝绝大部分为土坝，这些土坝多数是新中国成立后各个历史时期 兴建的，有些工程除了防洪标准低以外，出现的主要闯题是土坝的变形稳定和渗透 稳定得不到保证。由于受当时历史条件、经济基础、技术水平的限制，在稳定方面 出现的问题，有的是由于规划设计不合理，有的是因施工质量不好引起的。根据水 利部1 9 9 4 年的抽查统计，在3 7 4 座大型水库中，病险库就有l l l 座，约占大型水库 数量的3 0 ：2 5 0 0 座中型水库中，病险库就有6 7 0 座，约占中型水库数量的2 6 8 ； 小型水库8 万多，其中病险库约占4 0 ，经多年的努力，病险水库的除险加固工作 已取得了很大成绩。随着今后水库防洪标准的提高和水库设计施工的规范化，超标 准洪水的垮坝率会大大降低，因大坝质量差和基础处理不良而造成的垮坝率则会增 加。历史事实表明，建坝蓄水可进行灌溉和供水，修筑大坝可防治洪灾。发展和促 进工农业生产，保障人类生存，不仅必须修建堤坝，而且更应修建安全的堤坝。在 我国已建成的各类水库中，由于工程区广布深厚的覆盖层，使工程地质条件变得十 2 第一章绪论 分复杂，常常引发一些工程地质问题，如不认真对待，将会给工程带来危害和不可 估量的损失。库坝主要工程地质问题有以下四种： ( 1 ) 坝基失稳：主要表现在深层滑动、浅表层滑移和塑流挤出等几种形式，失 稳原因除坝的荷载作用因素外，地质上的原因主要是由于坝基中存在软弱土层和特 殊土，如淤泥、软土、膨胀性土、易崩解土、冻融土等。这些土抗剪强度低，或遇 水易软化、崩解、融化而强度陡降，不能支承上部荷载而发生破坏。 ( 2 ) 坝基变形：主要反映在坝基沉降方面，一般性的沉降对土坝或高度不大的 砂石坝影响不大，但对坝工建筑物( 如闸、涵等) 就不容忽视，特别是有可能引起 不均匀沉降时更应重视。发生坝基沉降的原因很多，其中土的压缩性和分布状况是 主要原因，按其成因可分为压缩性沉降、湿陷性沉降和冻融性沉降。 ( 3 ) 坝基渗漏：平原库坝地基渗漏问题十分普遍，其地质原因是坝基中存在渗 漏性强的砂砾卵石层、地下洞穴等，坝基渗漏除损失库水外，还可能引发出其它一 些工程地质问题，如流土、管涌等渗透破坏，不仅渗漏量增大，甚至还因地基被掏 空而发生溃坝事故，使工程不能充分发挥功能和效益，给人民生命和财产带来严重 的损失和灾害。1 9 9 8 年长江流域大水，除个别江堤决口外，沿江发生管涌冒砂等险 情达9 4 = 0 5 处，其中因渗漏问题出险的7 5 4 8 处。 。r ( 4 ) 坝基液化：由于饱和松散砂土、粉土、灵敏度高的软粘土受到地震动或受 突然剪切作用时，土体中的孔隙水压力骤然上升，颗粒间的有效应力锐减，当有效 应力完全消失时，土体会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样的状态， 即通常所说的液化现象。液化的典型现象是喷水、冒砂和流动，其危害性主要体现 在地面下沉、地表塌陷、地基土承载力丧失、地面流滑。目前，国内外因液化而发 生的工程并不普通，但由于液化具有突发性和灾难性的特点而引起工程界的重视f 】。 1 3 土石坝的研究现状 近代土石坝在实验技术、设计理论、施工设备与工艺等方面，已取得令人瞩目 的成就，随之又推动了这种坝型的日趋成熟和发展【叫。其中在实验与设计理论方面， 尤以反滤层的作用与设计理论、土的强度特性与静力稳定分析原理、土的应力应 变分析、土料击实功能研究，以及混凝土面板堆石坝的发展等方面，均取得了新的 进展【1 m 1 1 1 ，土石坝有限元计算日趋成熟，得到广泛应用。 土的应力应变分析，首要的是计算模型，在这方面，国内外许多学者提出了多 河海大学硕士学位论文 种静力非线形计算模型【1 1 1 9 1 ，其中应用较多的有邓肯一张双曲线模型、修正剑桥模型、 椭圆抛物线双曲面模型、南水e p 模型、清华k g 模型等。土体动力本构模型 大致可以分为粘弹性模型和弹塑性模型，如等效线形模型、曼辛非线形模型、b 矾e t 模型等【2 0 之3 1 。在国内动力弹塑性方面也取得了长足的进展，沈珠江提出了广义弹塑 性模型；谢定义建立了饱和砂土的瞬态动力学理论体系。这些计算模型各有特点， 适用于不同的料和不同的工程问题。但由于土的应力应变关系非常复杂，很难找 出一个数学模型全面、准确地反映土的各种特性，难于达到定量的精度。建立精确 的土体本构模型将是二十一世纪土力学研究的核心问题。 土工分析方法从线形分析发展到非线形分析及弹塑性分析；从只能分析地基的 一维问题发展到能够分析土石坝、尾矿坝的二维和三维问题；土工动力分析已经能 够考虑地震过程中土体孔隙水压力扩散和消散的排水有效应力分析方法。分析手段 主要以有限单元法为主，其它的有子结构法、有限差分法、振型叠加法和集中质量 社嗍 f 二o 在实际工程中常选择简单、实用的模型，使问题得到很好的解决。d i l n c 趾一 c ：h a n g 双曲线模型和h a r d 酢蜊c h 等效线性粘弹性模型是分析土工建筑物静力特 性和动力特性最常用的模型，两者都属于非线性弹性模型。前者把土的静应力和应 变关系用双曲线表示，后者把土在循环荷载作用下的动应力和应变滞回圈用直线来 代替，用弹簧和阻尼器模拟土的动力特性。两者在一定程度上都反映了土的非线性 特性。尽管它们存在一些缺陷，但瑕不掩瑜。物理概念清晰，模型参数少且所需参 数都可由室内常规静、动三轴仪测出，相应的计算方法比较简单实用，是它们在工 程界应用广泛的主要原因阱蠲。 1 4 土石坝抗震分析方法研究 通过分析几次强烈地震对震中或断层附近许多坝的震害情况，得出经验性结论， 对今后土石坝的抗震设计具有重要的指导作用。s e e d 等人瞄】在1 9 8 0 年分析了文献记 录资料：1 9 0 6 年旧金山：8 2 5 级地震，离断层5 6 l 范围内3 3 座土坝的震害情况；1 9 3 9 年日本牡鹿6 6 级地震，震中周围7 4 座土石的震害情况，1 9 5 2 年美国克恩县7 6 级 地震，离震中8 0 虹范围内7 座土石坝的震害情况，1 9 5 4 年美国福隆6 7 级地震，附 近3 座土坝的震害情况，1 9 6 8 年美国圣费尔南多6 6 级地震，离震中4 0 l c m 范围内 4 4 座土石坝的震害情况，还有墨西哥、智利、苏联、日本、美国的其它一些地震对 4 第一章绪论 土石坝的震害情况，得到以下几点经验性的总结：水力冲填坝如果修在良好的地基 上，且坝坡设计合理，可以经受中等烈度地震，即6 5 7 级地震而无有害影响；施 工质量良好的各种土坝都能经受中等强度地震而无重大影响，可以用拟静力法计算 它们的抗震稳定；如果堆石坝上游用混凝土面板防渗，经受较强地震，只有小量变 形；饱和的碾压不密实的砂性土坝遭到强烈地震时，容易发生破坏或出现事故，其 主要原因是坝体振动孔隙水压力增大，强度降低。不宜用拟静力法计算抗震稳定， 宜用动力法计算。 1 4 1 拟静力法 把坝体各质点的地震惯性力当作静力作用在该质点处，用以计算坝坡滑裂体的 抗滑稳定安全系数，叫做拟静力法。 位于岩基上或稠度不大的粘土地基上( 非软粘土) 的堆石坝，漂卵石坝壳心墙 或斜墙坝，均质粘土坝，碾压很密实的级配良好的砂卵石坝壳心墙或斜墙坝，在地 震时不产生或只产生极小的振动孔隙水压力，坝料的抗剪强度并不因地震而降低。 抗剪强度的采用与静力抗剪强度相同。坝坡稳定计算方法没有地震总应力法和地震 有效应力法的区别，只有静力总应力和静力有效应力法的区别。我国水工建筑物 抗震设计规范规定，只要计算正常运行情况下的抗震稳定，不必计算施工期的抗 震稳定。正常运行情况有两种：一是上游水位在正常高水位或设计洪水位，坝体处 于稳定渗流情况；一是上游水位正常降落，即由正常高水位降落到死水位( 不计算 放空水库或意外放水) 。在正常运行情况下，坝体施工期孔隙水压力已消散完了。稳 定渗流或上游水位正常降落的不稳定渗流在坝体中产生渗透水压力，渗透水压力作 用在滑裂体上。抗滑稳定计算方法则采用静力有效应力法，而地震惯性力则当作静 力作用在滑裂体上。土石坝的上游坝坡比混凝土坝平缓得多，作用在上游坡的地震 动水压力较小，水工建筑物抗震设计规范规定，土石坝的抗震计算，可不计算动 水压力。 砂土或砂卵石坝壳的心墙坝和斜墙坝，如果坝壳砂或砂卵石不是碾压得非常紧 密，蓄水以后，上游坝壳以及上游坝壳的浸润区处于饱和状态。受地震振动，将产 生振动孔隙水压力，土体的抗剪力因而降低。如以有效应力表示，则抗剪力降低为： f = 1 一等) 仃增矽二 ( 1 1 ) 5 河海大学硕士学位论文 如以总应力表示，则抗剪力降低为：f = 孵j ( 1 2 ) 式中“d 为振动孔隙水压力；彤为动有效应力内摩擦角，经许多试验发现，动有效应 力内摩擦角与静有效应力内摩擦角基本相等，可采用；九为动总应力内摩擦角。 饱和砂土或砂卵石坝壳的土石坝抗震稳定计算的拟静力法有地震总应力法和地 震有效应力法两种： ( 1 ) 拟静力法一地震总应力法 我国水工建筑物抗震设计规范附录介绍了这一方法，坝坡圆弧滑裂面稳定 安全系数为： k ；堇鱼皇竺竺竖擎主塑竺竺二皇坐竺咚二兰! 兰望竺竺壁垒! ( 1 3 ) l 帆+ 蜊灿缈+ 争 式中，为圆弧半径；6 为滑裂体条块宽度；9 为条块底面中点切线与水平线的夹角； z 为坝坡外水位高出条块底面中点的距离；厂。为水容重；甜。为渗流在条块底面中点 产生的渗透水压力，由流网确定；形为条块在坝坡外水位以上部分的实重；职为条 块在坝坡外水位以上部分的浮重；q 为作用在条块重心处的水平地震惯性力；q 为 作用在条块重心处的竖向地震惯性力；m c 为水平向地震惯性力q 对圆心o 的力矩； c ，为土体的凝聚力和摩擦角，与静力试验的凝聚力、摩擦角相同，与地震效应无 关。 本方法的缺点是：1 ) 九仅根据坝体各单元的静力状态配确定，而没有与坝体 各单元的动应力反应或加速度反应联系起来。2 ) 振动三轴试验或振动单剪试验依某 一破坏标准确定破坏动应力，破坏标准有任意性。如破坏准则不同，则九亦不同。 ( 2 ) 拟静力法一地震有效应力法 由振动三轴试验或振动单剪试验可以得到动孔隙水压力比振动加速度比 固结主应力比关系曲线【2 7 】。这种试验不需要规定破坏标准，只需测量孔隙水压力与 振动加速度和振动次数的关系。用惯性力式振动三轴仪做试验是很方便的。根据坝 体静力有限元计算得到各单元的尺c ，以及由坝址的设计值和规范的q 曲线计算 得到坝体的各高程的绝对加速度比，由动孔隙水压力比振动加速度比固结主应 力比关系曲线查得各单元的丝，乘以各单元的静小主应力仃，便得到各单元的。 6 第一章绪论 把“j 作用在通过这些单元的滑裂面上，滑弧的抗震稳定安全系数为： k ：生：二区竺! 竺生：玉盐二生：垫k 4 ， l 慨+ q ，) s i n 9 + 等l 本方法克服了上一方法的缺点，振动孔隙水压力随坝体的加速度反应而变化， 符合实际情况，不规定破坏准则，防止了任意性。 土石坝动力分析方法经历了从总应力法发展到把动力反应分析与土的液化和软 化等结合起来的不排水有效应力分析方法，以及考虑地震过程中土体内孔隙水压力 扩散和消散的排水有效应力分析方法；从线性分析发展到非线性分析以及弹塑性分 析；从只能分析地基的一维问题发展到能够分析土石坝、尾矿坝的二维和三维问题 分析手段主要以有限单元法为主，其它还有如子结构法、有限差分法、边界元法、 振型叠加法和集中质量法等。 ( 1 ) 总应力动力分析法 总应力法直接依据土料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。s d 和五赫s s 的简化法是一维总应力法，它定义地震时砂土的平均动剪应力强度小于引起 液化所需的动剪应力强度时砂土液化【2 引。在s d 法中很多影响砂土液化的因素得 到了考虑，是目前国内外广泛采用的方法，但由于假定土单元在固结状态、土单 元水平面上的初始剪应力为零及地震时土单元只受水平剪应力的作用等，而导致试 样的破坏面与土单元的破坏面不一致。此外，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决定的，有着颇大的任意性，且该参数只与 坝体或地基的静应力有关，没有与动应力联系起来张克绪提出用八面体动剪切强度 验算液化范围，克服了s e e d 法中两者应力条件不一致的缺点。他指出，如果将土单 元最大往返剪切作用面上实际承受的应力条件与液化所要求的该面上的应力条件相 比较来判别土单元液化可能更合适，并给出了液化判别式”3 0 1 。日本岩琦敏男在s e e d 和i 嘶s s 简化法基础上采用了液化安全系数f l 的概念f 3 。 7 河海大学硕士学位论文 s d ，l 和i 耐s s 法是二维总应力法，该法用有限元法计算设计地震下土单元 水平面上的等价地震剪应力幅值，用往返荷载液化试验确定产生液化要求作用于破 坏面上的往返剪应力幅值，当地震剪应力幅值大于往返剪应力幅值时砂土液化【3 2 1 。 s e e d ，l 和i 缸鼹法是平面应变问题，但同样作了在往返荷载下土的有效内摩擦角 与静荷载下的相同以及判别液化时土单元的水平面为破坏面的假定。 m 白i a 和s c e d 在1 9 8 1 年把总应力法推广到三维空间问题，提出了动力分析的三 维总应力法，计算采用频率域的方法进行。他们考虑了土的动力非线性，分析比较 了坝址峡谷的几何形状及单元划分对动力反应的影响。此外，还讨论了二维和三维 分析的适用范围。但在对美国o r o 词l e 大坝的计算中，只计算了坝体的加速度和动 应力，并未涉及孔压、液化和软化等方面，其计算取得了合理的结果【3 3 】。m 白i a 和 s o e d 法合理地考虑了实际应力条件以及土的非线性等多种因素的影响，使得计算更 合理。 刘汉龙等将地震模拟为不规则的随机波，在随机振动理论的基础上建立了土体 随机地震反应分析方法【3 5 】，避免了在确定性分析时选择不同的地震波得出不同地 震反应结果的缺陷，进一步还可进行动力可靠性分析。 ( 2 ) 有效应力动力分析法 有效应力原理的本质意义在于它揭示了土的强度和变形特性主要受有效应力的 支配，因此其应用的关键问题是如何正确测算不同条件下土中孔隙水压力的产生、 增长、扩散和消散规律。振动荷载下土中振动孔隙水压力的产生与发展直接影响土 体的动力特性，也是以有效应力法分析土体强度和变形特性的基本因素。 振动荷载作用下土体中孔隙水压力消长规律的研究自从黄文熙【2 刀和汪闻韶搏3 7 1 作出开拓性的工作之后，至今已取得大量的科研成果。特别是近十几年来，有关土 体中振动孔隙水压力的产生与发展以及土的液化势，国内外学者更是进行了大量有 益的研究工作，从只考虑动孔隙水压力增长的单一计算模型发展到能够考虑动孔隙 水压力的产生、增长、扩散和消散的综合计算模型。6 0 年代s e c d 和l 朊发表了应 用振动三轴试验成果定量分析饱和砂土地震液化的论著，并根据振动三轴试验研究 的成果建立了振动孔隙水压力与振动周数比之间的孔压模式【3 8 】。后来，各国学者在 不同试验基础上，提出了很多考虑初始剪应力和孔压的产生、消散或扩散作用的应 力模式。如徐志划3 9 】、魏汝龙、确m l 删、c s c 抽n g 、石桥【4 、王志良【4 2 】、何广讷【4 3 j 、 沈珠江等。该类模型的一个明显的缺陷是无法解释偏差应力发生卸荷时引起孔压增 第一章绪论 长的重要现象，即不能反映土的反向剪缩特性。 1 9 7 5 年i s l l i h a r a 等人提出了孔隙水压力发展的有效应力路径模式f 4 2 1 。该模型能 清晰地反映饱和砂土由开始振动到初始液化所经历的路径，有助于理解振动孔隙水 压力的起伏波动性。但该模型是在静力三轴试验的基础上提出的，所以不能较好地 体现出振动荷载作用下饱和砂土实际状态交替变化和孔隙水压力起伏波动的规律 性，同时其对初始液化、屈服方向独立性以及孔隙水压力特性方面所作的假定也不 尽合理。 孔压的应变模式是将孔压与排水时的体应变联系起来建立孔压增长的基本方 程，以汪闻韶法【3 6 】和m a m n 法m 为代表。1 9 8 7 年何广讷等基于能量分析建立了体变 与孔压的关系，鉴于砂土的非线性振动反应和多因素影响，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闱。k 将孔压表示为大主应变q 的单调函数【4 刀， d 曲蟛等则得出饱和砂土的孔隙水压力的增长与循环剪应变有很好的相关性。1 9 8 0 年，f i 姐和赵冬等分别利用内时理论建立了饱和砂土在循环荷载作用下的孔隙水压 力计算模型。 孔压的能量模式是将孔压与振动过程中消耗的能量联系起来。y o u d 于1 9 7 0 年首 次提出了砂土能量栅的概念【钙】，认为砂土颗粒的相互嵌锁与摩擦而形成能量栅，任 何土粒间的滑移和重新排列都必需有足够的能量来破坏、克服这种能量栅方能进行。 1 9 7 9 年n e m a 柚呵弱s e r 与s h o k 0 0 h 发表了从能量角度研究的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。1 9 8 1 年d a v i s 与8 e r r i l l 基于n 雒s e r 等人提 出的理论，从热力学的观点建立了场地土孔隙水压力的增长与土体耗损能量之间的 关系，并以此统计分析了大量的场地地震液化历史资料，提出了相应的判别场地地 震液化的统计判别式。1 9 8 2 年他们在原有的研究基础上，假定孔压增量直接与场地 地震耗损能量成正比，导出判别场地地震液化的统计判别式。曹亚林和何广讷等也 在该方面取得了大量的研究成果，建立了孔隙水压力增长的能量模式【4 9 - 5 0 1 。用该模 式计算的结果与s e e d 法和f i 皿法计算的结果比较，得到了良好的一致性。 谢定义等在1 9 8 7 年提出了孔压的瞬态模式【5 m 2 】。他们指出，在动荷作用于一定 土性状态试样的过程中，表征土所受应力状态的有效应力点，将从它的静应力状态 点开始，以一定的路径在应力空间中由破坏边界面所限定的范围内连续移动，在每 一个瞬间，这种移动的趋向取决于当时的应力、应变的发展水平和作用动荷变化的 特性。对于具体的土性条件，作用应力的变化可以反映出增荷剪缩、增荷剪胀、卸 9 河海大学硕士学位论文 荷回弹或反向剪缩等不同特性。它们分别在应力空间内占据相应的空间特性域。由 于应力经过各不同特性域时，孔压具有显著不同韵发展特性，因此，当有效应力点 以特定选择的顺序和持续时间通过相应的特性域时，即引起由所过特性域的孔压发 展特性所决定的孔压增长和积累，规定了孔压发展的规律。为求得具体的孔压值， 将孔压按其原因分为应力孔压、结构孔压和传递孔压三种类型，则任何瞬态确定的 孔压为三者之和。 总的来说，总应力分析法因在整个分析过程中不考虑上升的孔压对土的弹性的 影响，而无法描述液化的全过程。有效应力分析法弥补了它的缺陷。计算结果表明： 用总应力法计算将导致砂土很快液化，用有效应力法预测会液化者用总应力法预测 也会液化；反之则不一定。这表明用总应力分析法计算的结果偏于安全。 1 4 3 弹塑性动力分析法 上述基于粘弹性理论的总应力法和有效应力法可以计算地震作用下土体的平均 永久变形和孔隙水压力的发展过程。但实际上振动反应是耦合于地震动的每一瞬间， 如果土体的动应力应变关系采用弹塑性模型，利用将位移和渗流相耦合的动力b i o t 固结方程，可以直接求解出任一时刻土体内各点的地震反应。这在计算机技术高速 发展的当今时代已成为可能。 1 9 8 9 年，王志良将自己基于d a 脚i 舔低塑性边界面理论而建立的弹塑性模型结 合进有限元程序，对一维问题进行了地震反应分析。研究表明，采用经典弹塑性理 论与采用低塑性边界面理论，数值分析结果存在明显的区别，简单的塑性理论不足 以反映土体在复杂荷载下的反应明；日本港湾所i a i 等人将多重剪切机构塑性模型结 合迸动力有限元程序，计算了日本神户、钏路冲等大地震中遭受破坏的土石坝结构 物，并与震后实测结果相比较，得出了非常满意的结果【s 销5 1 。a 9 0 s 基于对运动方 程的g a l e r l d i l 数值列式建立了土坝动力弹塑性分析方法，其中采用有效应力多屈服 面函数随动硬化弹塑性本构关系模拟土骨架的非线性滞回特性及剪应力所产生的各 向异性效应和剪胀对于有效应力比的依赖性，同时考虑了水的存在和液化。9 0 年代 初，美国国家自然科学基金会投资巨额，集中了美国、加拿大、欧洲和日本等一批 著名的岩土工程专家，开展了液化分析方法的离心实验验证l a c s ，课题研究， 从离心模型试验和数值模拟两方面对土体动本构模型进行了研究，建立了一系列动 力弹塑性分析方法，取得了显著的成果1 5 6 1 。国内这方面的工作尚处于起步阶段，主 1 0 第一章绪论 要原因是对动力弹塑性模型及其在动力弹塑性数值分析中的应用投入的力量不足。 需要指出的是，目前很多方法已被编成相应的计算程序。如美国加州伯克里地 震中心的s h a k e ( 对地基，频域法) 、m a s h ( 对地基，时域法) 、q u a d 4 ( 对土坝， 二维总应力法，时域法) 、f l u s h ( 对土坝，二维问题，频域法) 、加州大学戴维斯 分校d y s a c 2 ( 二维弹塑性，对土工结构) 、香港科大g s i m d e s ( 一维弹塑性，对 地基) 、日本港湾所f l i p ( 二维，弹塑性，对土工结构) 、南京水科院e f e s d ( 二维， 有效应力，对土坝) 、英国s w 久n s 大学s w a n d 咂( 二维弹塑性，对土工结构) 、 加拿大u b c 大学t a r a 3 ( 二维有效应力，对土坝) 、美国l s - d 呵a ( 二、三维非 线性，对多种结构) 等。 1 5 土体液化的研究现状 1 5 1 振动液化的机理 地基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。地基液化 的震害现象早已为人熟知，强烈液化的宏观标志是“喷水冒砂”和建筑物严重沉降、 失稳。实际上，无粘性土的液化是一个过程。美国土木工程师协会岩土工程分会土 动力学委员会1 9 7 8 年对“液化”一词的定义就是“液化一将任何物质转变为液态的作 用或过程”，这种转变是因为孔隙压力增加和有效压力减少所导致的从固态到液态的 变化。汪闻韶给无粘性土液化的定义是“物质从固体状态转化为液体状态的行为和过 程”，称为“液化”。 关于液化的定义比较笼统，泛指土体表出的各种类似液体性态的现象。人们对 这一点的认识并不存在分歧。但是，对液化机理的认识，却有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。当土在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。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，来 分析土体的应力、应变以及稳定性。这种观点以s e e d 为代表f 5 7 1 。 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，而 河海大学硕士学位论文 不是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，但土体由于其结构破坏和孔压上升而引 起的强弱化，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 咖1 d e 提出的临界孔隙比( 临界孔隙比是指剪切过程中既无剪缩又无剪 胀的孔隙比) 的概念，将土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 中的孔隙水压力随之升高，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。这种观点以c 舔的，r c 收舶蛐等人为代 裂5 引。 1 5 2 土体液化的初步判别条件 我国有关规范对初判指标的规定大致相同，基本上采用土中粘粒百分率、地质 年代、地下水位深度和上覆非液化土层厚度四个指标。陈国兴等综合国内多种有关 规范，建议判别地面以下2 0 m 范围内有饱和无粘性土层和少粘性土层时，可采用以 下初判条件： 1 地震烈度为6 度时，一般可不计液化的影响，但对液化沉陷敏感的重要工程 结构物，可按7 度考虑； 2 粒径d o 0 0 5 衄的粘粒含量百分率戊2 0 或塑性指数l o 或液限含水 量呒3 5 的饱和土需要考虑液化。主要包括戊3 的饱和砂土和戊= 3 一1 0 的饱和粉性土，其中3 的土可统称为无粘性土，3 l o 的土可统称为少粘性 土； 3 地震烈度为7 9 度，地质年代为第四纪晚更新世及其以前时，冲积或洪积 形成的密实饱和无粘性或少粘性土； 4 地震烈度为7 、8 、9 度时，粒径小于0 0 0 5 m m 的粘粒含量百分率分别不小于 1 0 、1 3 、1 6 的饱和少粘性土； 5 对于地下水位深度t 和上覆非液化土层厚度吃这两个初判指标，构筑物和铁 路、公路抗震设计规范均用图来表示。 1 2 第一章绪论 1 5 3 土体液化的迸一步判剐 s d - i d d s s 简化方法【跏和经验方法6 0 1 ( 规范方法) 是两个最具有代表性的方法， 其它方法大多是依据这两个方法演变出来的。 1 s d i i d r i s s 简化方法( 抗液化剪应力法) 该方法s e e d 于1 9 7 1 年提出，是最早提出的一个判别具有水平地面的自由场地 液化的方法，也是目前国内外应用最广泛的方法，属于试验一分析判别饱和砂土液 化的方法。在这个方法中许多影响饱和砂土体液化的因素得到适当的考虑。这个方 法的关键是确定出地震时水平地面下饱和砂土单元的水平地震剪应力和饱和砂土发 生液化的剪应力，然后将二者进行对比，以判定在该地震烈度下该砂土单元是否会 发生液化。本文程序就是采用该方法进行液化判别的。 2 经验方法 经验方法有以下的几种： ( 1 ) 标准贯入击数法 标准贯入击数法( 简称标贯法) 是各国抗震规范判别场地砂土液化常用的方法。 标贯法是以7 6 c m 的落距，将6 3 5 蚝的探头打入土中1 5 c m ( 不计击数) ，然后再打 入3 0 c m ，累积3 0 锄的锤击数心5 0 用标贯法判别就是对比土体的实际的标准贯入击数与临界标准贯入击数。所谓 临界标准贯入击数，就是实际情况下产生液化与不液化的界限状态时土体应该具有 的最低标准贯入击数。 ( 2 ) 剪切波速法 自1 9 8 0 年d o 而yr ，p 册m l 首先按应变法原理提出用剪切波速预测砂土液化 势的方法以来，已受到普遍关注，是当前抗震工程研究中的热点问题之一。剪切波 速判别土体的振动液化具有物理意义明确、波速值离散性小、预测可靠性高、可重 复、经济性好、快速等优点。 1 5 4 土体液化的影响因素 1 土的性质 试验及实测资料都表明：粉砂、细砂、粉土中级配均匀的砂土比级配良好的砂 土易发生液化；砂土的密实度是影响液化的重要因素。震害调查资料证实【6 1 】：7 度烈 度的地震，相对密度大于5 0 的砂土不液化；若土的相对密度大于8 0 ，即使是8 1 3 河海大学硕士学位论文 度的地震烈度，也不容易发生液化。b 删am d 嬲在文献中对不同相对密度的萨克 利门砂的试验表明；当往复应力峰值一定时，往复加荷次数随相对密度的提高而迅 速增大或当往复次数一定时，往返应力峰值随相对密度的提高而明显增大；砂土颗 粒的排列、土粒间的胶结物质等，对砂土液化也有影响。扰动土比原状土容易液化， 新沉积的砂土比古老砂层容易液化。 2 土的初始应力状态 砂土液化室内振动三轴试验说明：对于同样条件的土样，发生液化所需的动应 力将随着固结应力的增大而增大。b 啊am d 鹊认为：对于给定的初始相对密度和 往复应力峰值，引起液化所需的往复加荷次数将随着周围压力的增大而增大，而且 对所有的相对密度都适用。 3 震动的特性 地震的强度和持续时间是影响液化的重要因素。日本新泻地区在1 9 6 4 年前的3 0 0 多年中曾遭受过2 5 次地震灾害，但其中只有3 次在部分地区发生过液化；对于同一 性质的土，施加同样大小的