（岩土工程专业论文）桩体加固液化砂土的振动台试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 桩体加固液化砂土的振动台试验研究 摘要 饱和砂土的地震液化问题是岩土工程中一个重要的研究课题。用 碎石桩对可液化砂土进行加固，其有效性及适用性已被实际工程所证 实，对碎石桩抗液化的机理也有了一定的认识，但还有许多不足，实 际处理工程中的设计和液化判别仍以考虑对桩间土的加密效果为主， 存在着加固过于保守而造成浪费或未能消除全部液化风险的问题，相 关研究缺乏试验数据。水泥土桩是一种应用广泛的加固软土的处理措 施，用水泥土桩加固液化砂土，目前被一些实际工程所采用，但设计、 施工及液化判别还未得到普遍认同，而且对水泥土桩加固可液化砂土 的研究很少。 鉴于此，本文依托国家自然基金资助项目“桩体加固液化砂土作用 机理的试验研究 ( 项目号5 0 5 7 8 1 0 4 ) ，以碎石桩和水泥土桩为对象， 通过振动台模型试验对未加固地基、碎石桩加固地基、水泥土桩加固 地基和两种桩联合加固地基进行了较系统的研究。通过对试验宏观现 象的观察和对试验数据整理分析后，得到如下结论： 1 未加固地基在振动过程中，从浅层到深层地基的超静孔压比都 在1 3 左右，即从地基的浅层到深层全都产生了液化。深层的孔压比小 于浅层和中部的，说明地基的上部的液化程度比下部大；从振动时间 太原理工大学硕士研究生学位论文 我们又得出，浅层和中部的孔压比比深层的先达到峰值，说明液化先 从地基上部开始。 2 碎石桩加固地基在振动过程中，超静孔隙水压力并不是随着深 度的增加而增大，而是浅层的超静孔隙水压力最大，中部和深层的孔 隙水压力相差不大。从孔压比上看，浅层的孔压比达到1 2 ，完全液化， 中部的孔压比为o 8 2 ，局部液化，但液化破坏还未开始，深层的孔压 比为o 7 3 ，轻微液化。说明碎石桩加固后，地基的整体抗液化能力提 高了，这是由于碎石桩利于中深层地基的排水而造成的。 3 水泥土桩加固地基在振动过程中，超静孔隙水压力随着深度的 增加而增大。从孔压比上看，浅层的孔压比为o 7 2 ，轻微液化，中部 的孔压比为0 8 2 ，局部液化，但液化破坏还未开始，深层的孔压比为 1 0 3 ，形成完全液化。说明水泥土桩加固后，地基中浅层的抗液化能力 提高了。 4 两种桩联合加固地基在振动过程中，超静孔隙水压力随着深度 的增加而增大。从孔压比上看，浅层的孔压比为o 8 6 ，中部的孔压比 为0 9 4 ，深层的孔压比为o 8 9 ，相差不多，均未达到1 ，地基未完全液 化。说明两种桩体在加固地基土抗液化性能上都起到一定作用。 5 从有机玻璃箱侧面和地基表层观察，碎石桩加固地基抗液化的 效果最好；从承压板的沉降量来判断，水泥土桩加固提高承载能力效 果最好。 6 从地基表层桩位来看，碎石桩加固地基的桩位未发生移动，两 种桩联合加固地基桩位发生了一点移动( 约2 r a m ) ，水泥土桩加固地基 桩位的移动比较大( 约5 r a m ) 。从桩位移动分析，说明碎石桩的抗液化 效果最好，两种桩联合加固次之，水泥土桩最差。 t t 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 碎石桩加固地基浅层的孔压比超过1 ，水泥土桩加固地基深处 的孔压比超过l ，而两种桩联合加固地基浅中深层的孔压比均未超过1 ， 且承压板的沉降量也介于碎石桩加固地基和水泥土桩加固地基之间， 所以两种桩联合加固砂土地基是一种行之有效的方法。 关键词：砂土液化，碎石桩，水泥土桩，振动台模型试验 t h es h a k i n gt a bl ee x p e r i m e n i a ls t u d yo n l i q u e f i a b l es a n d s o i li m p r o v e db yp i l e a bs t r a c t l i q u e f a c t i o no fs a t u r a t e ds a n ds o i ld u r i n ge a r t h q u a k ei s a ni m p o r t a n t s u b j e c ti ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g s a n d g r a v e lp i l eh a sb e e nw i d e l y u s e d i nl i q u e f i a b l eg r o u n dd u et oi t se f f e c t i v e n e s sa n da d a p t a b i l i t y a tp r e s e n t ， s o m ek n o w l e d g ea b o u ta n t i - l i q u e f a c t i o nm e c h a n i s mo fs a n d g r a v e lp i l e h a sb e e na c q u i r e d ，b u ti ti sq u i t el i m i t e d t h ed e s i g na n da n t i l i q u e f a c t i o n j u d g e m e n t i n p r a c t i c a le n g i n e e r i n gm a i n l y f o c u so nt h ee f f e c to f d e n s i f i c a t i o n ，e i t h e ri ti st o oc o n s e r v a t i v eo rt h er i s ko fl i q u e f a c t i o ns t i l l e x i s t s r e s e a r c hr e l a t e di sl a c ko fe x p e r i m e n t a ld a t a c e m e n t s o i lp i l eh a s b e e nw i d e l yu s e di ns o f t s o i lf o u n d a t i o n c e m e n t s o i lp i l ei sc a r r i e do u t c o n s o l i d a t i n go nl i q u e f i a b l eg r o u n db yaf e wp r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，b u tt h e d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n da n t i l i q u e f a c t i o nj u d g e m e n to fc e m e n t s o i lp i l e h a sn o tb e e na p p r o v e dc o m m o n l y a n dt h e r ei sl i t t l es t u d yo nc e m e n t s o i l p i l et oc o n s o l i d a t el i q u e f i a b l eg r o u n d i nt h i sv i e w , u n d e rt h es u p p o r to fn a t i o n a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t q h e e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm e c h a n i s mo fp i l e si m p r o v i n gl i q u e f i a b l e s o i l ( n o 5 0 5 7 81 0 4 ) ，b yc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eo fe x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e a n db e a r i n gp l a t es e t t l e m e n ti nn o n i m p r o v e ds o i la n dt h es o i li m p r o v e d w i t hs a n d g r a v e lp i l e ，c e m e n t s o i lp i l e ，a n dt h et w ok i n d so fp i l e su n i t i n g ， s h a k i n g t a b l et e s t sw e r e d e s i g n e d a n dc a r r i e do u tt oa n a l y z et h e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 e f f e c t i v e n e s so fs a n d g r a v e lp i l ea n dc e m e n t s o i lp i l e t h er e s u l t sa l ea s f o l l o w s ： 1 i nn o n i m p r o v e ds o i l ，t h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r er a t i or e a c h e d n e a r l yt h es a m ev a l u eo f1 3 i na l lt h et h r e el a y e r s ，s ot h ee n t i r el a y e r l i q u e f i e d h o w e v e r , t h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r er a t i oi nt h ed e e p e rl a y e r w a sal i t t l es m a l l e rt h a ni nt h em i d d l ea n ds h a l l o wl a y e r s a m o n gt h e l i q u e f a c t i o nl e v e l so ft h et h r e el a y e r s ，t h ed e e pl a y e rw a st h eh i g h e s t t h e t i m eo fe x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r er e a c h e dp e a ki nt h ed e e p e rl a y e rw a s l o n g e s t ，s ot h el i q u e f a c t i o nr e g i o nf i r s t l ya p p e a r e di ns h a l l o wl a y e r , t h e n p e n e t r a t e dt ot h ed e e p e r a tl a s t ，t h ee n t i r el a y e rl i q u e f i e d 2 i nt h es o i li m p r o v e dw i t hs a n d g r a v e lp i l e ，t h ee x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r ei ns h a l l o wl a y e ri sb i g g e s t t h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r er a t i o r e a c h e dp e a ka t1 2 ，0 8 2a n do 7 3s e p a r a t e l yi ns h a l l o w 、m i d d l ea n dd e e p e r l a y e r s ot h es h a l l o wl a y e rl i q u e f i e dc o m p l e t e l y , t h em i d d l el a y e rl o c a l l i q u e f i e d ，t h ed e e p e rl a y e rl i q u e f i e d al i t t l e s ot h e a n t i l i q u e f a c t i o n c a p a c i t yo fs o i li m p r o v e dw i t hs a n d g r a v e lp i l eh a di m p r o v e d s a n d g r a v e l p i l ei m p r o v e dt h ed i s s i p a t i o no fp o r ew a t e ri nt h ed e e p e rs o i l 3 i nt h es o i li m p r o v e dw i t hc e m e n t s o i lp i l e ，t h ee x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r ei n c r e a s e dw i t ht h ed e p t ho ft h es o i l t h ee x c e s sp o r e w a t e r p r e s s u r er a t i or e a c h e dp e a ka t0 7 2 ，0 8 2a n d1 0 3s e p a r a t e l yi ns h a l l o w 、 m i d d l ea n dd e e p e rl a y e r s ot h es h a l l o wl a y e rl i q u e f i e dal i t t l e ，t h em i d d l e l a y e rl o c a ll i q u e f i e d ，t h ed e e p e rl a y e rl i q u e f i e dc o m p l e t e l y t h ec e m e n t s o i l p i l ei m p r o v e dt h ea n t i l i q u e f a c t i o nc a p a c i t yo ft h em i d d l ea n ds h a l l o w l a y e ral o t 4 i nt h es o i li m p r o v e dw i t ht h et w ok i n d so fp i l e su n i t i n g t h ee x c e s s p o r ew a t e rp r e s s u r ei n c r e a s e dw i t ht h ed e p t ho ft h es o i l t h ee x c e s sp o r e v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 w a t e rp r e s s u r er a t i or e a c h e dp e a ka to 8 6 ，0 9 4a n do 8 9s e p a r a t e l yi n s h a l l o w 、m i d d l ea n dd e e p e rl a y e r s ot h ee n t i r el a y e r sl i q u e f i e d ，b u tn o t c o m p l e t e l y b o t ht h et w ok i n d so fp i l e sp l a y e da c e r t a i nr o l ei ni m p r o v i n g t h ea n t i l i q u e f a c t i o nc a p a c i t yo ft h es o i l 5 j u d g i n gf r o mm a c r o s c o p i cv i e wp h e n o m e n o n ，s o i li m p r o v e dw i t h s a n d g r a v e lp i l eh a dt h eb e s tr e s u l t j u d g i n gf r o ms e t t l e m e n ta m o u n t s ，s o i l i m p r o v e dw i t hc e m e n t s o i lp i l eh a d t h eb e s tr e s u l t 6 t h ec e m e n t - s o i lp i l el o c a t i o nh a dm o v e dab i t ，b u tt h es a n d g r a v e l p i l e l o c a t i o nh a dn o tm o v e d j u s tj u d g i n gf r o mt h ep i l el o c a t i o n ，s o i l i m p r o v e dw i t hs a n d g r a v e lp i l eh a dt h eb e s tr e s u l t ，s o i li m p r o v e dw i t ht w o k i n d so fp i l e su n i t et a k e ss e c o n dp l a c e ，s o i li m p r o v e dw i t hc e m e n t s o i lp i l e h a dt h ew o r s tr e s u l t 7 t h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r er a t i oi nt h es o i li m p r o v e dw i t h s a n d g r a v e lp i l eh a dr e a c h e d1 a tt h es h a l l o wl a y e r t h ee x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r er a t i oi nt h es o i li m p r o v e dw i t hc e m e n t s o i lp i l eh a dr e a c h e d1 a t t h ed e e p e rl a y e r t h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r er a t i oi nt h es o i li m p r o v e d w i t ht h et w ok i n d so fp i l e su n i t i n gh a dn o tr e a c h e d1a ta l lt h el a y e r , a n dt h e s e t t l i n ga m o u n to fs o i li m p r o v e dw i t ht w ok i n d so fp i l e su n i t i n gt a k e s s e c o n dp l a c e s oc e m e n t s o i lp i l ef o u n d a t i o ni so n ek i n do fe f f e c t i v e m e t h o dt oc o n s o l i d a t el i q u e f a c t i o ng r o u n d k e yw o r d s ：s a n dl i q u e f a c t i o n ，s a n d g r a v e lp i l e ，c e m e n t s o i lp i l e ， s h a k i n gt a b l em o d e l t e s t v i i 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 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 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：毖坌自日期： 谰。q 哆0 6 。 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 导师签名： 哮丝! 坌 日期：上鳗叫 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 早在公元前2 2 2 2 年( 帝舜三十五年) 我国就有关于地震的记载，发生在今天的山 西永济蒲州，这可能是我国历史上最早关于地震的记载【l 】。诗经小雅中“烨烨震 电，不宁不令，百川沸腾，山冢奉崩，高岸为谷，深谷为陵”；墨子云“龙生庙， 犬哭于市”。这说明地震活动至少已经有四千两百年的历史了。 地震作用下土工构筑物因振动过大而引起的破坏和倒塌是造成人员伤亡和财产 损失的主要原因之一，土工构筑物的破坏主要有以下几种：结构构件之间的连接失 效而引起的破坏；构件抗力不足而产生的破坏；地基失效而引发的上部结构破坏。 其中地震引起的土体液化是地基失效的主要原因之一，土体液化使地基丧失承载力、 产生不均匀沉降，导致地面喷砂冒水，建筑物开裂、倾斜，路基、堤岸发生滑移等， 在实际震害中占相当大的比例。我国1 9 6 6 年的邢台地震，沿滏阳河及其支流两岸广大 地区，土体液化引起大量喷砂冒水、地裂缝，造成堤防、岸坡大规模滑塌，河道构筑 物严重破坏；1 9 7 5 年的海城地震，震区西部土体液化，工业民用建筑、地下管道、油 井等遭受严重损害；1 9 7 6 年的唐山大地震，土体液化造成唐山胜利桥、越河桥、汉沽 桥等1 0 余座公路和铁路桥长度缩短、桥台倾斜、桥墩折断；1 9 9 9 年台湾集集地震发生 的大量的喷砂冒水造成大量建筑物倾斜或整体倒塌等。国外类似的例子也很多，如： 1 9 2 5 年，美国的舍费尔德土坝，由于坝底饱水砂土的振动液化而导致其在地震时全部 崩溃；1 9 6 4 年，美国的阿拉斯加地震和日本的新泻地震中，地基土液化也使许多建筑 物下沉、歪斜和毁坏，有的地下结构甚至浮出地面。 液化土的加固处理是抗震工程的重要组成部分。目前，可液化土的抗震处理措施 主要有挖换、上覆压重、围封、桩基础和砂、砾石散体材料桩法、水泥土桩等。其中 碎石桩法对液化土具有加密、排水减压、桩体抗震作用，并且也具有取材容易、施工 简便、加固效果显著、造价低廉等优点，在工程界广泛应用。水泥土桩虽然加密作用 没有碎石桩那样显著，但其桩身强度远高于碎石桩，有一定分担地震水平荷载的作用， 太原理工大学硕士研究生学位论文 在实际工程中具有施工简便、造价低廉等优点，因此工程中也得到了一定的应用。 为了判定碎石桩和水泥土桩复合地基在一定抗震设防要求下的有效性，必须建立 起符合其特性的液化检验理论。而目前，对碎石桩和水泥土桩复合地基抗液化特性的 研究还远远不够，与之相关的理论研究缺乏试验数据，是岩土工程界亟待解决的一个 研究课题。 1 2 砂土液化研究概述 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 义是：“液化任何物质转化为液体的行为或过程 【2 j 。1 9 3 6 年c a s a g r a n d e 最早试 图用临界孔隙比的概念解释砂土的液化现象【3 】。1 9 6 6 年s e e d 和l e e s 首次在饱和密砂 固结不排水动三轴试验中证明了循环流动性的存在，提出了“初始液化 的概念【4 】。 我国学者对液化土的研究始于上世纪6 0 年代。1 9 6 1 年黄文熙在国内最早提出了用动 三轴试验研究砂土液化的途径【5 】。1 9 6 4 年汪闻韶对饱和砂土振动孔隙水压力产生、扩 散与消散方面进行了研究网，1 9 9 7 年汪闻韶指出了初始剪应力对液化的影刊7 1 ，开辟 了我国土动力和抗震工程的研究领域。 1 2 1 砂土液化机理 液化，泛指土体在现场表现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，在对土体液化机理的认识，却有着不同的观点。美国西部的 s e e d 、i d r i s s 等人和美国东部的c a s a g r a n d e 、c a d 廿。和d o b r y 等人的研究成果可视为 两种观点的典型代表。 一种以s e e d 、i d r i s s 为代表的观点【8 】，即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。当土在动荷载作用下的 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，一方面，初始液化的点上，交替出现液化状态，表现出土的“循 环流动性 ，使土的附加动变形逐渐积累：另一方面等到初始液化状态的范围逐渐扩 大，土的软化增大，加速变形的积累，最后出现土的整体强度破坏或超过实际允许值 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 的变形失稳。1 9 6 6 年s e e d 和l e e l 4 1 在其所进行的饱和密砂固结不排水动三轴试验中 证明了循环流动性这一现象的存在，发现试样仅在循环荷载作用的某些时刻出现孔隙 水压力等于固结应力的情况，此时，有效应力等于零，出现瞬态液化现象。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范围，同时视初 始液化的点或范围内的土具有零强度或刚度值，来分析土体的应力、应变及稳定性。 另一种是以c a s a g r a n d e 和d o b r y 为代表，强调土的液化流动特征的观点。认为 工程中的破坏，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， 研究液化问题的核心是防止土体出现具有液化性态的流动破坏，而不在于必须达到初 始液化的应力条件。例如在水平自由表面的土体下，即使土体中并没有达到初始液化 状态，但是土体由于土的结构的破坏和孔隙水压力的上升而引起土体软化，具有了液 化流动的性态，就认为已经液化。这样，砂土的液化就被理解为饱和砂土强度降低过 程中与土性和应力密切联系的一种流动破坏，这就是“流滑 思想的概念。1 9 3 6 年 c a s a g r a n d e t 3 1 试图用临界孔隙比的概念去解释砂土液化的现象。当密实砂土受剪时体 积膨胀，而松散砂土受剪时体积减小。砂土处于某一孔隙比时，它受剪时体积不变， 这个孔隙比成为临界孔隙比。1 9 7 5 年c a s a g r a n d e 和c a s t r o 7 】【9 】【1 铆重新调整了临界孔 隙比”的概念和试验方法，提出了“流动结构”、“稳态变形 和“稳态强度”等概念。 沿着这一思路，c a s t r o 和p o u l o u s ( 1 9 7 7 ) 1 1 1 ：p o u l o u s 和c a s t r o 等( 1 9 8 5 ) 【1 2 1 、c a s t r o 和s e e d ( 1 9 9 2 ) 1 3 1 、i s h i h a r a ( 1 9 9 3 ) 1 4 1 及b a z i e r 和d o b r y ( 1 9 9 5 ) 1 5 1 的研究工作逐 步完善了这一思想。 综上所述，饱和砂土的液化机理大致可分为循环活动性( c y c l em o b i l i t y ) 、流滑 ( f l o ws l i d e ) 和砂沸( s a n db o i l ) 三种类型【l 引。 1 流滑即“实际液化，是疏松而排水不畅的饱和砂土在单程剪切或循环剪切 作用下发生不可逆的体积持续剪缩，孔隙水压力单程上升和抗剪强度骤降而造成无限 制的流动大变形。地震时，这种现象大都发生在海岸或河岸以及土坝的饱和砂土边坡 中。 2 循环活动性也被称为“循环液化 。中密以上的饱和砂土在循环剪切作用下， 当剪应变较小时有剪缩现象，引起孔隙水压力上升；随着剪应变的增大，又会出现剪 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 胀现象，此时孔隙水压力相应下降。剪缩与剪胀交替作用下引起孔隙水压力时升时降 而造成的间歇性液化和有限制的流动性变形现象即为循环活动性。 3 砂沸当砂土下部孔隙水压力达到或超过上覆砂层和水的重量时，砂土就会因 丧失颗粒之间的摩擦阻力而上浮，承载能力也全部丧失。砂沸主要来自渗透水压力的 作用，在土力学中常把它列入渗透稳定问题的范畴，但从它的物质状态评价也属于液 化范围，常见于地面无载荷的天然条件下的砂层，也可发生于开挖基坑底面。主要决 定于土中渗流水头场的分布，可以是无地震液化情况的正常渗流水头场，也可以是地 震造成土中孔隙水压力变化后的非正常渗流水头场。 上述三种液化机理虽然是从不同的角度描述了液化问题，但是它们之间又有一定 联系，应该全面考虑。 1 2 2 砂土液化的影响因素 在一定的地震荷载作用下，饱和砂土是否发生液化和发生液化的程度，受许多因 素的影响，主要有以下三个方面：土性条件，主要指土的密实度、颗粒特征和土的 结构性等；初始应力条件，指施加动荷载前土体所承受的应力状态；动应力条件， 指动应力幅值和循环振动次数、波形、频率及作用方向掣1 7 1 。 1 相对密度的影响 试验表明，相对密度口越大，饱和砂土的抗液化强度越高；同时，相对密度2 较大时，不同的液化破坏标准对抗液化强度的取值有明显影响。p e a c o c k 和s e e d ( 1 9 6 8 ) 【1 8 1 通过对饱和m o n t e r e y 砂的动单剪试验，得出了循环作用1 0 0 次时产生初始液化的 剪应力峰值与相对密度2 的关系曲线，结果表明，当相对密度4 小于7 0 u8 0 时， 引起初始液化所需的剪应力峰值随相对密度口呈线性增加。 4 = ( 一p ) ，( 一) ( 1 - 1 ) 其中：一砂土的最大孔隙比；砂土的最小孔隙比；p 一砂土天然孔隙 比 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 颗粒平均粒径d s o 的影响 s e e d 和i d r i s s ( 1 9 7 1 ) 1 1 9 把对各种不同的砂所做的液化试验结构加以综合，得出 指定循环次数下的初始液化标准曲线，结果表明，平均粒径d s o = 0 0 7 口0 0 8 m m 的饱 和砂土最容易发生液化。 3 粘粒含量的影响 砂土中的粘粒( 粒径小于0 0 0 5 r a m ) 含量增加到一定程度时，土的动力稳定性将 有所增加。我国建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 2 0 0 1 ) 【2 0 1 采用粘粒含量p 。来反映 细颗粒土对土的抗液化强度的影响。 4 初始应力条件的影响 现场震害考察表明，当饱和砂层埋置一定深度时它就不容易液化，这表明地震前 土的初始应力状态对抗液化能力有显著的影响。l e e 和s e e d 等( 1 9 7 6 ) 2 h 所进行的 饱和砂土动三轴试验研究证明了这一事实。 前期固结比是初始应力的一个重要影响因素。对不同固结压力下饱和砂土进行单 剪液化试验，分析前期固结压力对液化的影响。试验结果表明，前期固结程度越高， 所需的往返应力峰值与加荷次数越大，砂土越不易液化；反之，前期固结程度越差， 砂土越容易液化。 5 砂土结构性的影响 饱和砂土的结构性包括许多方面，如原状饱和砂土受扰动的影响、重新制备饱和 砂土试样成型方法和静应力作用持续时间的影响、饱和砂土沉积环境诧异引起的结构 性的影响。沉积年代长的原状土胶结程度好，结构性强，不易液化；结构性差的新近 沉积饱和砂土则较易液化。 6 饱和度的影响 饱和度岛对砂土液化有重要的影响。在试验中，饱和度s 通常用孔隙水压力系 数b 间接衡量。试验表明，饱和度稍有减小，引起液化所需的循环应力比就会明 显的增大；只有当孔隙水压力系数b 值达到o 9 6 以上时，试验结果才能代表完全饱 和砂土的液化性能。 7 动应力条件的影响 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 i s h i h a r a 和y a s u d a ( 1 9 7 5 ) 【2 2 】将地震剪应力时程分为冲击型和振动型，进行了砂 土液化变幅往返三轴砂土液化试验，并将最大峰值在轴向压缩一侧的试验称为c m 试 验，将最大峰值在轴向拉伸一侧的试验称为e m 试验。试验表明，在冲击型波作用下 的振动孔隙水压力突然增大，而在振动型波作用下的振动孔隙水压力逐渐上升。 i s h i h a r a ( 1 9 9 6 ) 【2 3 】研究了双向振动对日本f u j i 河砂液化所需的循环应力比的影 响。采用循环作用2 0 次产生5 双幅轴向应变作为动三轴试验的液化标准，发现双 向振动对日本f u j i 河砂液化所需的循环应力比的影响与相对密度无关，与单向振动产 生液化所需的循环应力比相比，双向振动使循环应力比降低约1 5 。 1 2 3 液化分析与判别方法 饱和砂土的液化判别一直是土动力特性研究中的主要问题之一，正确评价砂土地 基液化的可能性及其危害程度是为了能够更好地采取措施进行处理。s e e d 和i d r i s s ( 1 9 7 1 ) 2 4 1 提出的液化判别的“简化方法”和我国建筑抗震设计规范 ( g b 5 0 0 1l 一2 0 0 1 ) 【2 0 1 的液化判别方法，是两个最具代表性的液化判别方法。 1 s e e d 简化分析法 s e e d 简化分析法的基本出发点就是把地震作用看作是一个由基岩垂直向上传播 的水平剪切波。当地震引起的基岩振动输入到上覆的沉积土层时，沿着土体不同深度 将引起随时间涨落变化的地震剪应力。将这种不规则变化的地震剪应力简化为等效的 一定循环次数的均匀剪应力，用同样的应力循环次数对砂土试样进行振动三轴试验， 测定引起液化所需的动剪应力，或称抗液化剪应力。如果这个抗液化剪应力大于实际 的地震剪应力，则认为该处无液化的可能性，否则，将会引发液化现象。抗液化剪应 力小于地震剪应力的深度即为液化发展范围。 s e e d 和i d r i s s 的“简化方法”在不断改进，受美国国家地震工程研究中心和国家 科学基金委的资助，y o u d 和i d r i s s 2 5 1 于2 0 0 1 年1 0 月发表了改进的“简化方法”，称为 n c e e r 法。 地震引起的等效等幅往返应力比c s r 地震动在土层中一起的等效等幅往返应力l 匕c s r ( c y c l i cs t r e s sr a t i o ) ： 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 c s r ：了 v a v ：0 6 5 堡了c r yr d m s f 一1 ( 1 2 ) o jv go jv 式中：仃竖向有效上覆压力； c r ，竖向总上覆压力； 地震动在土层中引起的等效等幅循环剪应力； a m j x 地面水平向地震动峰值加速度； g 重力加速度； 肘土层地震剪应力折减系数； 膨即震级标准系数。 以标准贯入击数表示的砂土抗液化强度c r r c r r ( c y c l i cr e s i s t a n c er a t i o ) 曲线是区分液化场地和不液化场地的分界线的抗液 化强度曲线，n c e e r 推荐这条c r r 曲线适用于震级约为7 5 级的地震砂土液化判别。 c r r ：l + 盟+三竺：一上 ， 3 4 一n l 1 3 _ 5 。( i o n l + 4 5 ) 2 2 0 0 ( 1 3 ) - 是将实测标准贯入锤击数修正到有效上覆压力大约为1 0 0 k p a 、落锤能量比或 效率为6 0 时的修正标准贯入锤击数。 以剪切波速表示的砂土抗液化强度c r r a n d r u s 和s t o k o e 根据2 6 次地震中7 0 多个液化或不液化场地的地震现场考察结果 得到c s r 和修正剪切波速) $ r 1 关系的散点图，进而得到区分液化场地和不液化场地的 分界线的抗液化强度曲线c r r ，n c e e r 推荐这条c r r 曲线适用于地震震级约为7 5 级 的砂土液化判别。 伽= 0 0 2 2 时+ 2 8 ( 熹一剖 c q 式中：z ，跏将实测标准剪切波速修正到有效上覆压力大约为1 0 0 k p a 的修正剪 切波速： , , i s 土层能发生液化的跏上界极限值。 2 建筑抗震设计规范砂土液化判别公式及其改进方法 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 【2 3 1 规定：当初步判别认为需要近一步进 行液化判别时，应采用标准贯入试验判别地面下1 5 m 深度范围内的液化；当采用桩基 或埋深大于5 m 的深基础时，尚应判别1 5 u2 0 m 范围内土的液化。 当饱和砂土或粉土地基满足下式要求时，可判别为液化。 地面下1 5m 深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值仃： 心= o o 9 + 0 1 ( 以一九) 】3 以( 以1 5 ) ( 1 - 5 ) 地面下1 5m 一2 0 m 范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值心： 心= n o 2 4 0 1 d ，) 4 3 p c ( 1 5 喀2 0 ) ( 1 - 6 ) 式中：虬液化判别标准贯入锤击数临界值； o 液化判别标准贯入锤击数基准值； 以饱和土标准贯入点深度( m ) ； 叱地下水位深度( m ) ； 以粘粒含量百分率，当小于3 或为砂土时，应采m 3 。 在多年标准贯入法评价饱和砂土液化的应用中，人们发现标贯法也有一些局限 性，如：标贯值离散性大、不可重复、不能连续测试，而且试验结果受着许多因素的 影响，还有待于进一步研究。 谢君斐( 1 9 8 4 ) 2 6 1 在修订建筑抗震设计规范( g b j - - 8 9 ) 时除了推荐已被该 规范采纳的适用于砂土液化判别的判别公式外，曾提出适用于地震震级约为7 5 级的 砂土抗液化强度c r r 的经验公式： c r r = 0 0 0 7 n 1 + o 0 0 0 2 n t 2( 1 - 7 ) 陈国兴和张克绪等( 1 9 9 4 ) z 7 1 将式( 1 7 ) 推广到粉土，改写为 c r r = ( 0 0 0 7 n l + o 0 0 0 2 n q ) ( 3 p c ) 一0 舳( 1 - 8 ) 目前，该方法在工程界已得到较广泛的应用，被称为谢君斐一陈国兴判别法。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 4 常用的抗液化措施 目前，常用的砂土地基抗液化措施有挖换、加密、排水、上覆压重、围封、桩基 础等，以加密和排水法为主，可根据具体的情况选用2 8 1 。 ( 1 ) 挖换 挖去上部可液化土层，并用非液化土回填防止下部砂层的液化破坏。当液化土层 较浅时，可考虑全部挖除；液化土层较深时，可考虑部分挖去，但部分挖除后下部土 体是否液化是值得考虑的问题。 ( 2 ) 加密 通过增加砂土的相对密实度以降低其液化势，是一种被广泛采用的方法。对于饱 和砂土的加密常采用：直接振密法、碎石桩法、砂石桩法、爆炸振密法、强夯法等。 1 ) 直接振密法 使用振动器在饱和砂土中产生弹性波，砂土受震后，原有的颗粒重新排列，达到 密实。 2 ) 碎石桩法 碎石桩又称为粗颗粒土桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔， 再将砾石、卵石、碎石等压入已成的孔中，形成大直径的由碎石等所构成的密实桩体。 碎石桩体可加速地基的排水过程，抑制地震时地基中超孔隙水压力的积累，如果同时 从提高地基承载力的方面考虑，则可一举两得，产生较高的经济效益，这种方法工艺 简单、施工速度较快，是一种较理想的方法。但是当砂土地基中含有较多粘粒或含有 有机质时要慎重使用该法。 3 ) 砂石桩法 采用振动或冲击的方法在砂土地基中预沉桩管成孔，达到设计深度后向桩管中倒 入粗粒料，逐段振密或捣实粗粒料成桩。沉入桩管时的振动及桩管的挤土作用使砂土 加密，在振密、捣实粗粒料的同时，又在桩径方向扩张，使周围的砂土再次被加密。 砂石桩法加固液化土的机理与碎石桩法较为相似，同属于散体材料桩法加固。当地基 中含有硬土层或大直径的砾石时，应用将受到限制。 4 ) 强夯法 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 利用重锤由高处自由落下时产生的冲击波来使砂土地基密实。夯锤由高处落下 时，可以产生很大的夯击能，并以冲击波的形式传入地基深处，使土体密实的同时还 在土体中形成许多纵向裂缝，加速地基土中水和气的排出。其加固机理主要是动力密 实作用及动力固结作用。该法施工方便、速度快、费用低，但它对地基土体的渗透性 有要求，当地基土含有较多的粘粒，渗透系数很小时不宜采用。 5 ) 爆炸振密法 爆炸振密法并不是以爆炸所造成的气浪压力直接压密砂层，而是利用炸药爆炸时 剧烈震动所产生的动力作用，引起饱和砂层结构破坏而成为悬浮状态，发生液化现象， 超孔隙水压力消散后砂土固结获得新的较密实的结构。采用该法时炸药用量、孔深、 孔距及爆炸的次数常通过试验来确定。由于该法施工简单迅速、费用较少，可大范围 进行，常用于土石坝的坝基处理。但该法也有其局限性：爆炸处理后的地基通常不 均匀；对地基土体的渗透性有要求，当地基土为中、粗砂时处理效果较好，对于细 砂、粉细砂以及粘粒含量较高的砂土加固效果较差；地表覆盖有粘土层、冻土层以 及地基中有排水不良的夹层时，不宜采用该法。 ( 3 ) 排水 利用排水使砂土地基含水量下降，地震时土体超孔隙水压力的累积受到限制，降 低其液化势。目前工程界有两种排水方法：降低地下水位法，砾石排水桩法。 1 ) 降低地下水位法 用抽水方法降低地下水位，减小砂土地基的饱和度