（岩土工程专业论文）液化地基上建筑物不均匀震陷机理初步研究.pdf

摘要 摘要 地震荷载作用下饱和砂土地基上建筑物的震陷是常见的地震破坏 现象之一，震陷是涉及地震作用下土体变形的典型震害，而且震陷大 多数是不均匀的，不均匀震陷能够造成建筑物的倾斜、开裂等破坏现 象。因此，由于震陷导致的严重灾害日益受到人们的重视，建筑物震 陷的研究已成为当今岩土工程抗震问题中引人注目的前沿课题。 虽然液化地基上建筑物的不均匀震陷己经成为建筑物遭受破坏的 一个重要原因，但是砂土基地上建筑物不均匀震陷的机理研究以及影 响因素一直是一个没有很好解决的问题。 本文对国内相关研究进行了系统的总结和深入的分析，在此基础 上，利用专门设计的实验，对地震动输入一基底动压力一基底孔压一 建筑物震陷间关系这一关键问题进行了初步研究，主要工作包括： 1 为揭示液化地基上建筑物不均匀震陷发生的机制，对以往的震 害进行分析总结，并从中得到启示，从震害启示中提出论文所要探讨 的问题。 2 设计完成液化土一结构相互作用的振动台试验，提出试验设计 基本思路，完成了地基和建筑物模型的制各以及传感器的选型和布置 等。 3 对振动台试验所得的孔压、基底动压力、震陷结果进行整理分 析。对我们关心对称基底间反应，对称基底的孔压、基底动压力、震 陷反应时程进行对比分析，观察其发生发展规律及与自由场的异同。 4 分析同侧基底输入加速度、结构基底动应力、结构基底j l 隙水 压力和结构震陷反应之间的联系，包括输入加速度与基底动应力的对 应关系，基底动应力和孔隙水压力的对应关系，基底动应力和震陷之 间的对应关系，基底孔压和震陷之i n 的关系，找出了其内在规律性， 初步揭示产生不均匀震陷的内因。 5 明确进一步研究的方向和内容，为下步工作奠定了基础。 关键词：可液化地基，振动台试验，不均匀震陷，机理 a b s t r a c t e a r t h q u a k e i n d u c e db u i l d i n g s e t t l e m e n ti st h ec o m m o ns e i s m i c p h e n o m e n o ni n s a t u r a t e ds a n df o u n d a t i o n e a r t h q u a k e i n d u c e db u i l d i n g s e t t l e m e n te s p e c i a l l yh e t e r o g e n e o u ss e t t l e m e n tc a nl e a dt os t r u c t u r e i n c l i n i n g a n df r a c t u r e s o ，t h es e r i o u sd i s a s t e r si n d u c e db yb u i l d i n g s e t t l e m e n ta r e p a i d m o r ea t t e n t i o nn o wa n d t h e s t u d y o n e a r t h q u a k e i n d u c e db u i l d i n g s e t t l e m e n tb e c o m e sf r o n t i e r p r o i e c t o f s e i s m i cr e s i s t a n c eo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g s i n c et h ee a r t h q u a k e i n d u c e dd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to fb u i l d i n gh a s b e c o m ea ni m p o r t a n tr e a s o n ，i t sm e c h a n i s ma n da f f e c t i n gf a c t o r sh a v en o t b e e na n a l y z e dp r o p e r l yn o w t h es t a t e 0 f - a r to nt h es u b j e c ta r ec o n d u c t e da n d ，m o r e o v e r ，s t u d yo n t h ei m p o r t a n tp r o b l e mo ft h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h ed y n a m i ci n p u t ，t h e d y n a m i cs t r e s so nt h eb u i l d i n gb o t t o m t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ei nt h es o l l 1 a y e ra n do nt h eb u i l d i n gb o t t o m ，a n db u i l d i n gs e t t l e m e n t s t h em a i n c o n t e n t si nt h i sp a p e ra r e ： 1 ，t h ec l u eo nm e c h a n i s mo fe a r t h q u a k e i n d u c e dd i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n to fb u i l d i n go nt h el i q u e f i a b l es u b s o i li ss e a r c h e db y p o s t e a r t h q u a k ea n a l y s i s s o m ec r i t i c a lp r o b l e m st ob es o l v e da r ed i s c u s s e d f r o mt h es e a r c h 2 t h ed e s i g no fl i q u e f i a b l es o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ns h a k i n gt a b l e t e s ti sc o m p l e t e d ，a n dt h ep r e p a r a t i o no ft h em o d e lo fs u b s o i la n db u i l d i n g a n da r r a n g e m e n to fs e n s o r sa r em a d e 3 t h ep o r ep r e s s u r e ，d y n a m i c ss t r e s sb e l o wt h e b u i l d i n g a n d s e t t l e m e n to ft h eb u i l d i n ga r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h r o u g hc o m p a r i s o n t h ep o r ep r e s s u r e ，t h ed y n a m i c ss t r e s sa n ds e t t l e m e n th i s t o r i e sa t s y m m e t r i c a lp l a c e sb e l o wt h eb u i l d i n ga r em a d ea n d ，t h ed i f f e r e n c e sw i t h f r e e f i e l dm o t i o na r eo b s e r v e d 4 t h er e l a t i o n s h i po fb a s ei n p u ta c c e l e r a t i o n ，d y n a m i c ss t r e s s ，p o r e p r e s s u r eo i lt h eb o t t o ma tt h es a m es i d eo ft h eb u i l d i n gw i t ht h es t r u c t u r e s e t t l e m e n tr e s p o n s ea r ea n a l y z e di n c l u d i n gc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e ni n p u ta c c e l e r a t i o na n dd y n a m i c ss t r e s s 、d y n a m i c ss t r e s sa n dp o r e p r e s s u r e ，d y n a m i c ss t r e s sa n ds e t t l e m e n t 、p o r ep r e s s u r ea n ds e t t l e m e n t t h ee s s e n c ei sr e v e a l e dp r e l i m i n a r y i i 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 5 d i r e c t i o na n dc o n t e n t st ob es t u d ya r ed i s c u s s e da n di t l a y st h e b a s i sf o rt h er e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：l i q u e f a c t i o n ，s h a k i n gt a b l et e s t ，d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t m e c h a n i s m - i i i 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，也不包含为获得主国地震局工程 左学班窟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：耋! ! 坚超签字日期：! ! ：! 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国地震局工程左堂婴塞所有关保留、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；本人授权生国丝蕉屋工霆壶堂婴塑匮可以将本学位论 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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名：塾! 遮 导师签名 签字日期 口s s l 签字日期 d ，r ， 1 1引言 第一章绪论 液化震陷是指饱和的砂土在地震液化后形成的地层及其上建筑物 的附加沉陷。而地震荷载作用下饱和砂土地基上建筑物的震陷是常见 的地震破坏现象之一，震陷是涉及地震作用下土体变形的典型震害， 而且震陷大多数是不均匀的，不均匀震陷能够造成建筑物的倾斜、开 裂等破坏现象。因此，由于震陷导致的严重灾害日益受到人们的重视， 建筑物震陷的研究已成为当今岩土工程抗震问题中引人注目的前沿课 题。 本章分别对砂土的振动孔隙水压力研究现状，土层地震反应分析， 土体一结构相互作用体系，液化土层侧向大变形研究，规范中的液化危 害性分析，建筑物不均匀震陷研究现状进行了概括，并着重说明了液 化震陷的复杂性。最后对本文的研究内容和初步的研究工作做了简要 的介绍。 1 2 研究现状 液化现象一般是指饱和砂土在振动荷载作用下，其抗剪强度部分 或完全丧失而失去稳定的现象。从大量的地震灾害调查和震害实例表 明，在地震作用下土壤由于液化可以造成很大的直接经济损失和间接 经济损失，如公路桥梁的破坏，建筑物或房屋的沉降、倾斜和破坏， 人工岛大面积的砂土液化，飞机场的液化导致跑道的关闭等等。1 9 9 5 年的神户大地震，由于液化导致了城市道路塌陷，河、海岸岸坡滑移， 房屋倾倒等。特别是1 9 6 4 年日本新泻地震和美国阿拉斯加地震所引起 的大规模的饱和砂土地基及大量建筑物的液化和失稳破坏极大的推动 了对土的液化特性的深入研究及土动力学科的迅速发展，所以砂土液 化问题成为重要的研究课题。迄今为止，经过四十年的发展，土的液 化特性的研究已日益深入和广泛，对于砂土液化产生的原因和机理， 以及分析判别方法等已经取得了丰硕的成果。但由于地震液化机理及 其影响因素的复杂性，也由于地震发生的频繁性和不可预测性，因此 对土液化特性的认识还远远不够，仍是一个值得岩土工程界十分重视 的研究课题。 液化造成的建筑物震陷是一个非常复杂的问题，在给定基岩上的 地震动以后，主要涉及两方面的研究工作：一是地基土体本身方面的 研究，包括土体中砂土振动孔隙水压力的分析计算、土层地震反应分 析、土体液化导致的变形等；二是土体一结构相互作用研究，特别是可 液化土体中土体结构动力相互作用分析及在此复杂条件下的土体孔 压和变形问题。下面就分别介绍这几方面的研究成果和现状。 1 2 1 砂土的振动孔隙水压力研究 液化过程实际上是孔隙水压力不断升高，土骨架所承受的有效应 力不断降低，土体由固体向液体转化的过程。在地震现场中大多数液 化过程伴随着喷砂、冒水、地面沉陷等现象。动力荷载作用下孔隙水 压力的发展变化是影响土体变形及强度变化的重要因素，在地震荷载 作用下，饱和土体中的孔隙水压力变化过程可分为两个阶段。第一阶 段是在地震荷载作用期间的孔隙水压力升高阶段，在这一阶段，存在 着孔隙水压力增长和消散两种相反的作用，由于增长速率大于消散速 率，饱和土体的孔隙水压力表现为升高；第二阶段是地震荷载作用后 孔隙水压力降低阶段，在这一阶段，只存在孔隙水压力消散作用。对 于动应力条件下饱和砂土中振动孔隙水压力的升长规律及土体液化机 理的研究，在近三十多年里得到了广泛的发展。目前，确定孔隙水压 力升高的方法主要有m a r t i n 等( 19 7 5 ) 提出的孔隙水压力应变模型、 应力模型、内时模型、能量模型、有效应力路径模型和瞬态模型等。 ( 1 ) m a r t i n 等( 1 9 7 5 ) 提出的孔隙水压力的应变模型 m a r t i n 、f i n n 和s e e d 通过地震时土体积的相容条件，建立丁一个 确定孔隙水压力增量的基本方程式。因为土承受的有效静应力的降低 要引起土体积的回弹，这样，往返剪切作用引起的永久体积压缩、孔 隙水的排出和静有效正应力降低引起的体积回弹这三种体积变化之间 应满足相容条件。设体积变化以压缩为正，则 式中，。f 。r 分别为每次往返剪切作用引起的压密体积、排出水 的体积和静有效正应力变化引起的土体积变化。在几十秒地震的历时 内可以认为不发生排水。这样f 。= 0 ，上式可写成 s 。d = 一， ( 1 2 ) 第一章绪论 设e ，为砂土的退荷模量，则有 a o 一a u 8 v 2 百2 百 最后有 a u = e ，a e ，j ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 2 ) 孔隙水压力的应力模型 这是一类对饱和砂在不排水条件下做动三轴或动单剪试验，确定 孔压发展的经验公式。这类公式很多，如柴田彻公式、s e e d 公式及 s h e r i f 公式等。如s e e d 给出的孔隙水压力比口。与循环次数比口，的经 验关系为 口。：2 a r c s o n a r c s i n ( a ) 必a ( 1 5 ) 口。=) ( 1 5 ) 万 a 为与土的类型与密度有关的参数，在大多数情况下取a = 0 7 。 口w 2 。 ( 1 6 ) 铲 ( 1 7 ) 式中j v ，为液化所需的循环次数，为循环次数： “。为第n 次循环时的孔隙水压力，盯，为侧向固结压力。 王天颂、刘颖等( 1 9 8 3 ) 人用有限元法对地震荷载和不同排水条 件下陡河水库土坝砂基中孔隙水压力的增长与扩散过程，以及振动结 束后孔隙水压力的重分布与消散过程进行了计算分析。通过动力三轴 试验，给出了饱和砂的残余孔隙水压力的全量表达式和不同液化破坏 阶段的临界孔隙水压力比的表达式。同时提出了一个可应用于非均等 固结条件的饱和砂层的地震稳定性分析方法，据此对唐山陡河土坝坝 基砂层遭受1 9 7 6 年唐山地震时的孔隙水压力发展过程进行了计算，分 析了砂层各单元的液化势，给出了孔压和孔压比的分布及其变化过程， 还给出了液化、静力失稳和动力失稳的范围。 何广讷等( 1 9 8 7 ) 通过对福建标准砂大量振动三轴试验成果的研 究分析表明，振动中土体累积耗损的能量是反映土中振动孔隙水压力 升长程度的一个有效综合指标。研究和探讨了如何将能量分析的概念 和方法应用于判断土中振动孔隙水压力的升长程度，并相应建立了砂 土在振动能量下的体积变化和孔隙水压力升长的新型本构关系。 丰万玲、石兆吉( 1 9 8 7 ) 利用有效应力原理编制了计算地震过程 中孔压发展和消散的程序。选用p y k e 修正双曲线应力应变模型和 s h e r i f 等提出的计算孔压发生的经验公式，通过逐步积分和反复迭代 的方法解运动方程，考虑了土壤非线性和有效应力变化对土壤刚度的 影响。可进行水平土层的有效应力或总应力分析，可计算地震过程中 孔压发生、发展与消散以及震后孔压消散过程，以及地下水位的上升 幅度等。 谢定义、张建民( 1 9 9 0 ) 根据动荷载下饱和砂土中孔压产生的不 同原因，将孔压分为应力孔压，结构孔压和传递i l 压，并将它们和土 物态的变化相联系，阐明了孔压发展周期形态变化的机理，提出了各 类孔压的计算模型以及模型中有关参数的确定方法，为进行瞬态孔压 的计算提出了新的途径。 孙锐、袁晓铭等( 2 0 0 5 ) 提出了一个新的适用于不规则地震荷载 的饱和砂土孔压的增长简化计算方法。该方法有别于以往将地震荷载 转化为一定次数等幅荷载的方式，而是将随机地震荷载筛选成一系列 不同幅值的往返荷载。采用逐波累积的方法，每一应力循环计算一次 孔压增长，可实时反映孔压的变化过程，依据不同固结比孔压增量模 型，计算每一应力循环的孔压变化，可给出考虑土体一结构相互作用时 土体非均等固结情况下孔压实时增长过程。采用不同固结比对两种砂 进行了若干典型地震荷载动三轴液化试验，与所提方法计算结果有良 好的对应关系，表明此方法可有效地描述地震荷载作用下非均等固结 饱和砂土的孔压增长过程。 1 2 2 土层地震反应分析 土层地震响应分析的研究一直是一个重要的课题，它是土动力学、 地震小区划及场址地震危险性分析的重要组成部分，因而备受地震工 程学者的重视。常规土层( 指非液化土层，下同) 的地震反应分析问 题己有了较多的研究成果，在土层非线性问题的求解、动力方程的差 分格式、边界条件的数值模拟以及常规土类的本构模型等方面都有了 较深入的研究( 李小军，1 9 9 3 ：丁海平，2 0 0 0 ：i d r i s s ，1 9 6 8 ：j o y n e r ， 1 9 7 5 ) 。同时，关于土层结构对地表地震响应的影响也有很大进展( 薄 景山等，2 0 0 3 ) 。 含液化土层的地震动分析方法是在常规土层地震动分析方法的基 础上建立起来的，与常规方法显著的不同之处在于土层中饱和砂土的 孔压增长及带来的相关问题。土体中的真实的地震应力是变幅往返的、 第一章绪论 是及不规则的，而几十年来常用的孔压增长模型却大都采用等幅荷载 试验来进行，如7 0 年代s e e d 提出的等效处理方法，它是将地震应力 峰值的o 6 5 倍作为等价应力幅值，而循环作用次数依震级大小确定， 经此处理后，地震应力的作用效果就可以用以往等幅应力的试验结果 来近似描述。但s e e d 提出的等效方法却存在着理论上不严密、可操作 性不强、没有考虑真实地震波波型的影响、无法实时给出土单元反应 的不足，因此它不能真实的模拟地震荷载作用下饱和砂土中孔压的实 际增长。因为不规则地震波作用下饱和砂土的孔压增长机理与等幅荷 载作用下有很大不同，它与动荷载的波幅、波形和波序有关，同时与 围压和固结比等因素有关，因此研究随机地震荷载下饱和砂土孔压增 长已是公认的重要课题。这个问题不能很好的解决，就不能对含液化 土层的地震反应分析给出一个满意的分析结果。以往的研究成果多是 常规土层的地震反应分析，而对于含有液化土层的地震反应分析却进 行的很少，同时也有很大的难度，因此含有液化土层的地震反应分析 是一个需进一步深入研究的重要问题。 1 2 3 土体一结构相互作用研究 土一结构相互作用( s s i ) 是一个结构与地基运动通过界面发生耦 合的复杂动力问题，直是岩土地震工程和土动力学研究中的一个极 其活跃的课题( 张楚汉，1 9 9 3 ：王松涛等，1 9 9 7 ) 。地震中土一结构的 相互作用效应包括以下两个方面：( 1 ) 结构及其附近非均质地基土构成 的所谓近场体系与由下覆无限地基组成的远场体系在地震过程中的动 力响应之间存在强烈的耦合关系，一方面结构的存在将改变自由场地 面运动的幅值、相位和频率成份等方面的特性，另一方面无限地基的 动力刚度和幅射阻尼将使结构产生与其在刚性地基上时不同的动力响 应：( 2 ) 由于强震时结构可能进入非线性工作状态，从而在结构与地基 土或回填土之间的交界面上不可避免地会发生相对滑移、局部脱离等 非连续现象，进而使近场地基土的应力发生重分布，且可能出现非线 性、非弹性行为。 近几十年来，由于电子计算机的迅速普及，土一结构相互作用分 析方法有了很大的发展。在分析方法上可以分为频域和时域，在结构 划分上可以分为全结构、子结构( 连续、边界、体积) 和混和结构。 概括起来说，土一结构相互作用问题的分析有四个基本步骤或基本问 题( l y s m e r ，1 9 7 8 ：i d r i s sa n dk e n n e d y ，1 9 8 0 ：r o s e n b l u e t h ，1 9 8 0 ； l u e o ，1 9 8 2 ) 。第一个基本问题是自由场反应问题，它是研究在未建 结构物时，当给定的地震动不是基岩地震动时如何寻求与给定地震动 相应的基岩地震动输入。第二个基本问题是地基反应或散射问题，研 究的是在基岩地震动输入下，取出结构之后的地基子结构的地震反应， 特别是在结构与地基接触点上的地震动；第三个基本问题是阻抗问题， 研究的是在接触点处有给定力作用时，地基子结构在接触点处的变形。 第四个基本问题是包括上部结构的结构反应分析。要想很好的解决以 上四个问题完成土一结构相互作用本身就是一个很困难的事情，而如 果建筑物地基位于饱和砂层上，那么地震荷载作用下可液化土层上土 一结构相互作用分析就更加复杂了，大大的增加了解决问题的复杂性。 1 2 4 液化土层侧向大变形研究 地震过程中饱和砂土液化诱发的地面侧移是常见的地震破坏现象 之一( n a t i o n ar e s e a r c hc o u n c i l ，19 8 5 ) 。液化后大变形是指饱和 砂土地基在地震液化后强度降低，在建筑物荷载或土体自重作用下， 地表出现大的垂直向或侧向变形的现象，它会使液化区的各种地下结 构、生命线工程产生巨大的破坏。1 9 6 4 年日本新泻地震，液化诱发的 侧向水平位移对s h i n a n o 河河岸附近地区造成了巨大的破坏，h a k u s a n 电力分局附近土层向河道中心水平侧移了8 5 米。1 9 7 6 年我国唐山7 8 级大地震引起陡河、滦河、蓟运河、海河故道及月牙河等河岸滑移、 地裂、喷砂，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( 最大达9 1 m ) ，桥台倾斜，桥墩折断落粱，河道变窄。 1 9 9 0 年菲律宾吕宋岛7 8 级地震，d a g u p a 市p a n t a l 河岸产生的大变形 最大为6 m ；1 9 9 5 年日本阪神地震中，重力式沉箱岸壁遭到大量的破 坏。震后调查表明，沉箱顶部最大水平位移为3 8 米，平均水平残余 位移为2 米，且挡水墙后1 0 0 米范围内均有不同程度的位移，地基变 形还导致了大量的管道设施破坏、建筑物的移动破坏等。 液化土层侧向大变形有两种基本类型( 蔡晓光，2 0 0 2 ) 。第一种为 倾斜场地由于液化使液化土层及上覆土层沿坡面整体相对滑移，例如 1 9 8 9 年l o m ap r i e t a 地震中m a r i n e 实验室与土体沿坡面共同侧向滑动。 第二种为滨河或滨海挡土墙( 桥台) 在地震中由于液化使整个土体与 挡土墙( 桥台) 向河或海中侧移，例如唐山地震中的胜利桥附近河岸 与桥台的共同侧移，新泻地震中h a k u s a n 电力分局附近土层向河道中 心的水平侧移，阪神地震中港口岸壁与土体的共同侧移等。 对液化后大变形的研究主要从室内和现场两个方面入手，室内试 验研究可对大变形发生的机理、条件、影响因素等进行分析，现场研 究可以从宏观上把握大变形发生的一些规律，并可对室内试验研究的 结果进行验证。 砂土地基地震液化后大变形会引起地基的严重失效，产生灾难性 的损失，如能对液化后大变形进行较准确的预测，则可采取相应的措 施使这种损失降低到较小程度。对砂土地基地震液化后的大变形进行 预测，不少学者提出了预测方法。h a m a d a 、b a r t l e t t 和y 0 u d 均通过对 试验资料以及震害调查资料的回归分析建立了一些经验的大变形预估 公式。y a s u d a 等基于室内试验提出了一个反映砂土液化后应力应变特 性的双直线模型，即用两段直线来近似代替大变形曲线的低强度段及 强度恢复段。双直线模型很简洁，但是模型存在拐点，使其在数值计 算中的应用受到一定的限制。而刘汉龙等利用全自动多功能三轴仪进 行了砂土液化后大变形试验，基于试验结果提出了一个描述砂土液化 后应力应变关系的双曲线模型，并对模型参数进行了标定，通过与前 人试验结果比较验证了模型的适用性。结果表明双曲线模型可以较好 地反映砂土液化后的应力应变关系。 景立平等( 1 9 9 6 ) 根据液化过程中液化土层抗简强度随时间不断 变化而得到变化的屈服加速度，得到更合理的地面侧移值，同时分析 了不同液化层厚度和不同类型的地震动输入对侧移的影响。 蔡晓光( 2 0 0 2 ) 依据震害现象和实验探讨近岸水平场地地面液化 侧向大变形机理，改进了现有软化模量分析技术，给出了一套地面液 化侧向大变形的分析方法。近岸水平场地侧向大变形机理为地基中i l 隙水压力升高，土体模量衰减，土骨架变软使偏应变得到充分发展所 致，其水平永久侧移可用从底部到顶部呈增加形式的整体变形描述。 利用此方法，对1 9 9 5 年阪神地震中近岸沉箱岸壁和土体液化侧向大变 形进行了数值模拟，结果与震后实测结果和试验结果在主要特征上一 致，说明改进的软化模量法可以用于地面液化侧向大变形的分析。同 时利用改进的软化模量分析方法，对近岸水平场地液化侧向大变形进 行数值计算，以研究地震波波形和幅值大小、液化、竖向地震动对侧 向大变形的影响。结果表明：不同的地震波作用下，即使峰值加速度 相同，液化程度与侧移距离也可能有较大不同，表现了土体变形的强 非线性性质，但大地震下液化导致的侧移几乎都在米的量级上；计算 区域中无液化区时，岸壁侧向永久位移很小，在几公分左右，随水平 峰值加速度及不同地震动输入改变不大；计算区域中有液化区时，岸 壁侧向永久位移显著增大，且随输入水平峰值加速度的增大而明显增 大，其机理是强地震动使液化范围加大；水平竖向两向地震动输入与 单独水平地震动输入相比，前者场地液化范围增大，平均增大4 2 ， 侧移量增加，平均增加3 7 。 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 1 2 5 规范中的液化危害性分析 我国建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 ) 中，已经有了液化对建筑物 的危害程度的分析要求和方法。 从地基方面分析，主要视可液化土层的埋深z ，。可液化土层的厚 度d ，可液化势超过抗液化能力r 的程度，以及可液化土层上非液 化土层的厚度d 而定。埋深愈小，可液化土层愈厚，液化势超过抗液 化能力愈多，可液化土层上的非液化土层愈薄，液化的危害性就愈大： 反之，液化的危害性愈小。如果将抗液化能力与液化势之比称为液化 安全系数f ，。则上述液化势超过抗液化能力的程度可以表示为，且 f ：1 一f ：1 - 一r ( 1 8 ) “ 即f 愈大，危害性愈大。 此外，液化对建筑物的危害程度还与基础及上部结构的情况有关。 基础埋深d ，愈小，荷载偏心愈大，基础距可液化土层愈近，液化的危 害性就愈大。如果上部结构的型式、刚度、质量分布可以通过结构的 基本周期来反映，则在地震作用下，当可液化土层由硬变软时，地基 的自振周期变长，这样，对于本来具有较长周期的建筑物，会使其地 震反应增大，而遭到更大的破坏。一般在在液化性危害性分析中，主 要应反映地基因素的影响，而将基础和上部结构因素的影响通过不同 的处理和要求来反映。地基因素用液化指数，来表示，由下式确定： ，= i ( 1 一f l ) w = 1 d z o 当对地基分层进行计算时，上式可写为： ，：杰( 1 一f l ，。彬止 ( 19 ) ( 1 1 0 ) 式中r 按其定义，可表示为液化时的标惯击数c ，动剪应力f ，和土 层实际的标惯击数n ，地震剪应力f 。之比，即 e = 等专 ， 且当f l ，时，f = ( 1 - f l ) 取为零。 啊：1 为与深度有关的权函数，因深度愈小，危害愈大，故一般取 上大下小的倒三角形或梯形，对于图形具体尺寸的确定，目前己提出 第一覃绪论 了不同的建议。 对于我国建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 11 ) 4 3 5 条关于地基液化等 级规定为： 对于存在液化土层的地基，应探明各液化土层的深度和厚度，按 下式计算每个钻孔的液化指数，并按表1 1 综合划分地基的液化等级： n 厂 r 、 ，。= 1 1 一i 争k 彤 ( 1 1 2 ) ，c 1 川c r i 式中，。：液化指数； ：在判别深度范围内每一个钻孔标准惯入试验点的总数； ，、c 分别为i 点标准惯入锤击数的实测值和临界值，当实测值 大于临界值的数值； d ：f 点所代表的土层厚度( m ) ，可采用与该标准惯入试验点 相邻的上、下两标准惯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：i 土层单位厚度的层位影响权函数值( 单位为m o ) 。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l5 m 时应采用零值，5 15 m 时应按现形内插值法取 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1 0 等于2 0 m 时应采用零值，5 2 0 m 时应按线性 内插值取值。 表1 1 液化等级 液化等级轻微中等严重 判别深度为15 m 时的液化指数 o 1 m 5 o 1 i5 o ( i i 5 判别深度为2 0 m 时的液化指数 o 1 m 6o 1 m 1 8 0 1 * i 8 需要说明的是，规范中所得的经验公式是建立在对唐山地震多层 房屋的宏观震害经验基础上所得出来的结论。而近年来随着我国经济 的迅速发展出现了许多高层建筑物和复杂形式的工程设施，对于这些 建筑和构筑物的地基液化判定本身就存在一定的局限性。同时，规范 中没有对地震荷载作用下建筑物的震陷给出估计，所给出的只是一个 初步的危害性评价结果，而工程界更为关注的问题是在地震荷载作用 下建筑物是否发生倾斜和沉降，并且要给出建筑物发生震陷数值上的 中国地震局工程力学研冗所硕士学位论文 估计，所以规范目前还并不能满足工程抗震的客观需求。 建筑物遭受严重危害的原因之一是土层液化，但液化并不一定对 建筑物造成很大危害。如果发生液化的砂层较薄，且埋藏层位较深， 上部为轻型结构，则它在发生液化时的危害性将远远小于某浅而厚的 砂层发生液化的危害性。如果液化并不足以危急建筑物的稳定性，就 毋需耗费大量财力来对它做过分的处理。根据建筑物在液化地基上的 实际表现采取必要的处理方法，应是工程抗震中亟待回答的问题。 1 2 6 液化土与建筑物相互作用及震陷研究现状 有建筑物地基的地震液化问题至今研究得很少，由于上部结构的 存在，使问题变得更加复杂，更加难以研究了。陈文化等( 1 9 9 9 ) 通 过振动台的模拟试验、地基液化的简化分析、动力有限元分析，较全 面地研究了这一课题，指出建筑物基础下面的区域孔压比小，基础边 缘孔压比大，是一个易液化区域，而远离基础的区域与自由场相同。 在正弦波和地震波作用下，建筑物基础下的孔隙水压力缓慢上升，而 基础边缘的孔隙水压力上升较快液化前，地基和基础的沉降都不明 显，发生液化后，基础沉降突然加大。 震陷是指建筑物或土层在地震作用下的附加沉降，有均匀和不均 匀之分，其中不均匀震陷的危害性更大，通常会导致建筑物的倾斜或 开裂等破坏，尤其是液化土和软粘土为地基的建筑物，遭受地震作用 后极有可能产生不均匀震陷，其中以液化产生的震陷居多。 近年来土工结构的地震响应和安全性方面的发展趋势是以位移为 准则来衡量土结构的抗震性能以及设计加固方案( 李相菘，2 0 0 2 ) 。所 以目前除关于液化土的液化危险性研究仍在继续之外，更多的注意力 已经转移到液化危害性分析上，其中主要是研究液化后土体大变形对 建筑物、生命线工程、道路等结构物和基础设施安全性的影响。 从7 0 年代以来针对砂土的液化震陷和软粘土的震陷受到许多学者 的关注，a a s a o k a ( 1 9 8 0 ) 针对分层土体在逐步加荷条件下的沉降 方程，数值模拟显示该方法在模拟缓慢加荷以及静荷条件下的沉降方 面具有较高的准确性。k y a s u h a r a ( 1 9 8 3 ) 等针对高速公路的地基在 动荷下的沉降问题给出了基于试验研究的计算方法，但作者指出这种 震陷估计方法其实不仅局限车辆等动荷作用，对于风荷及海浪等动荷 作用下的海岸结构同样可以进行分析。u h o l z l o h n e r ( 1 9 8 4 ) 给出了 砂土地基的沉降解析表达式，其中既考虑了砂土横向的不均匀分布， 也可以估计不同支座间的相互作用，并将主要的计算结果与实际的观 第一章绪论 测结果进行了对比，效果较好。k t o k i m a t s u 和h b s e e d ( 1 9 8 7 ) 对砂土震陷进行了研究，对饱和及非饱和砂土地基的震陷均进行了分 析，并给出了预估震陷的简化方法，指出了循环应力比、砂土的s p t - n 等参数对震陷的影响并在方法中对此加以考虑。给出的计算结果与六 个有完整观测数据的场地观测结果做了对比。s s a w a d a ( 2 0 0 0 ) 等 利用有效应力方法( f l i p ) 分析了新泻及阪神地震中码头挡墙的震陷， 分析的结论同现场实测的结果比较接近，显示了该方法的适用性。刘 惠珊将液化地基分为液化持力层地基及液化下卧层地基两种基本类 型，根据国内外房屋震陷实测资料及程序计算显示的规律性，分别给 出了不同的震陷经验公式，公式中包含了震烈、基底压力和土的相对 密度三个重要因素，含义简明，便于使用。此外还进行了计算震陷与 实测震陷的对比，通过分析证明其方法具有一定的优越性，并且应用 起来较为方便。 除了给出震陷的计算方法之外，基于现场调查和试验来研究震陷 或不均匀震陷的方法也为许多学者所采用，而且越来越受到重视。其 中振动台实验在其中扮演了重要角色。饱和砂土液化的室内试验研究 是从模拟水平地面下的饱和砂土的受力状态开始的。在水平地面下饱 和砂土单元所受的竖向静应力和侧向正应力分别为最大和最小主应 力。水平面上的剪应力f 。，= 0 ，即初始剪应力为零。另外，由于不能 发生侧向变形，饱和士单元处于压缩状态。在地震时，认为以向上 传播的剪切运动为主，饱和砂土单元只承受往返的剪应力作用。在往 返剪应力作用下，主应力方向在t 2 和a 一角之间连续变化。因此，在液 化试验中，静力上应模拟“压缩状态，动力上应模拟剪切应力状态。 y o s h i m i 早在1 9 7 7 年就针对新泻地震中的液化震陷问题开展了小 型振动台实验研究，主要侧重分析地基中超孔压分布对震陷的影响， 对液化层埋深的影响也做了研究，另外在分析减少液化震陷的措施上 作者提出如能在基础边缘插入一对坚硬墙板会显著提高抗液化能力。 m h a t a n a k a ( 1 9 8 7 ) 等采用与y o s h i m i 几乎相同的实验手段研究了建 筑物尺寸及相对大小对液化震陷的影响，结果表明减小模型的高宽比 会显著减少液化震陷。实验中观测到的地基土中孔隙水压力的分布规 律与y o s h i m i 的结论是一致的，即临近基础边缘是高孔压分布区，是 液化的危险区域，而基础正下方却存在孔压的相对低值的区域。 s t a k a d a ( 1 9 8 8 ) 对新泻地震中生命线工程遭受震陷破坏的4 0 4 组数 据进行了回归分析，总结出了估算震陷的经验公式，其中涉及了液化 层深度、标贯击数、地表加速度峰值等参数。a o h t s u k i ( 1 9 9 2 ) 等 进行了针对砂土地基的振动台实验研究，此文同时利用二维非线性分 析程序对此进行了对比分析，实验同分析结果是比较接近的，这说明 在对于液化中士结构相互作用这一非线性问题计算方法也有其广泛 的应用前景，只要相应的参数选取适当，也有可能得到满意的结论。 m y o s h i d a ( 1 9 9 2 ) 等利用小型振动台实验探讨了利用砂砾石进行地 基改良的效果，尤其对其地基的液化震陷特性进行了研究，发现砂砾 石的孔径越大，排水越通畅，则沉降越小，在地基改良抵御震陷危害 上提出了有益的建议。m m i y a j i m a 等利用振动台研究了液化导致的 地面大变形的机理，指出液化土层的厚度同地面永久位移是成比例的， 但文中是将模型土层倾斜一个角度后进行液化实验的，发生地面大位 移是在所难免的，但张建民等( 1 9 9 9 ) 认为即使水平地表同样会有大 规模的水平侧移，看来就这一问题的探讨还有待深入。h n a g a s e ( 1 9 9 2 ) 利用振动台研究了不同基础形式的抗液化效果，与改良地基 相比是从改善结构设计的角度去研究抗液化措施的，试验的同时利用 有限元弹塑性分析对试验进行模拟，试验和计算的结果都显示：一种 断面成陀螺型的基础其抗液化能力较其它几种几何形状的基础具有更 好的抗液化能力。t a d a c h i ( 1 9 9 2 ) 等针对1 9 9 0 年发生在菲律宾的 一次地震中的钢筋混凝土结构发生的震陷灾害进行了现场调查，调查 的结果同前面几位学者的试验研究是相近的，即建筑物的宽度对于震 陷的影响是至关重要的，两者成显著的反比关系，而且震陷的平均值 与建筑物宽度间的关系同新泻地震中的统计资料是相近的。t o r i t a ( 2 0 0 0 ) 等利用振动台实验对沉箱码头挡墙的震陷进行了研究，研究 表明：循环孔压受沉箱底部的土压力控制，地基中的孔压及动应力分 布将对震陷起决定性作用。m h a m a d a ( 2 0 0 0 ) 通过对新泻地震中的 桩基破坏研究后发现，桩基水平破坏位置与液化土和非液化土的分界 位置具有一致性，通过振动台实验再现了这一现象，其意义在于不但 液化土层的埋深对于液化和破坏重要，而且液化土层与上覆非液化土 层的分界位置及非液化土层的厚度等对于液化导致的破坏同样起作 用。h a b o ( 2 0 0 0 ) 等针对高压输电塔的液化震陷问题开展了振动台 实验研究，其工作内容主要是围绕不同基础型式的抗震陷效果进行的， 从四种较为可行的基础形式中确定了一种抗液化震陷能力最强的，为 工程设计提供了有价值的参考。p n e g r o ( 2 0 0 0 ) 等研究了不同输入、 不同相对密度砂土的的土结相互作用问题，验证了土结相互作用的 非线性本构模型，实验显示相同结构物以密实砂为地基比以松砂为地 基的震陷要小很多。在开展振动台模型实验的同时，离心机实验也正 逐步得到重视，d p s t e w a r t ( 2 0 0 0 ) 等利用离心机研究了海岸结构 物的震陷问题，指出地基土的厚度和密度对震陷起很大作用。 以往的振动台试验研究多在一个方向上激振，也与现场地震动条 件有所差异。国内虽有双向激振的试验设备，但研究成果尚很少见。 第一章绪论 s e e d 等首先对砂进行的单向和双向( 两个互相垂直的方向) 振动试验 后指出，双向振动时的震陷约等于各单向振动时震陷值之和，但是， 由于应力一震陷关系的非线性，产生给定震陷所需的剪应力，双向振 动时要比单向振动时小约2 0 ；对饱和砂的试验指出，双向振动发展 的孔压约为单向振动时孔压的2 倍，给定循环次数下引起液化的动剪 应力比，在双向时要比单向时低1 0 2 0 。 通过以上的研究中可以看出，对于平均意义上的均匀震陷研究较 多，对不均匀震陷涉及较少。 不均匀震陷对于建筑物的危害非常大，但目前还无法给出合理的 分析。尽管现今的建筑物抗震规范( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 对此有规定：“地 基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应估计地震 时地基不均匀沉降或其它不利影响”。但地基的震陷分析目前仍以分 析均匀震陷为主，对实际震害中存在的危害性更大的不均匀震陷无法 合理估计，其原因在于对不均匀震陷的发生机理还没有被充分认识和 运用。 a h a l d a r 等给出了液化时建筑物不均匀震陷的概率估计方法，文 中认为只重视液化危险性分析是不够的，必须将液化造成的危害性分 析同前者结合起来考虑，这种观点是正确的。作者在方法中应用了 c s c h a n g 增量表达的残余孔压，残余应变的半经验模型，并应用 了与分层总和相类似的办法，把三支座建筑物三个支座的沉降定义为 三个随机变量，用它们