（环境工程专业论文）黄河三角洲饱和地基土地震液化判别综合方法研究.pdf

r e s e a r c ho nm e t h o do fe a r t h q u a k e l i q u e f a c t i o ne s t i m a t i o no fs a t u r a t e ds o i ny e ll o wr i v e rd e i t a a b s t r a c t a c c o r d i n gt od a t 啪，t h ef o u n d a t i o ns o i l “t h ey e l l o w 尉v e rd c l t ai ss a t u 删h e d s i hw i l i c hi st e n dt ol i q u e 母a n dt h es a t 叫纳e ds i n sh v eu n c o m m o np m p e r t i e s ，w h i c h d i 镌r s 自o mo t h e rs o i l a tp 胞e n _ t 瑚e a r c hw o r ka b o mi i q u e 蠡c d o no f t h i s 龃e ai sf b w a n dt 1 1 em e 虹1 0 d sa r e 如咖l l l a sc o m i n g 龀l mc r i t e r i o n b 越e do nm a c r o s c o p i c a l e a “h q u a k ec a l 砌t i e sa n dl a t 删龇o r yt 曙乜也e 灯棚o n a lm c t h o d sa _ b o u te s t h m 畸o n a n d 乒a d e “a l u a t i o o f l i q u e 岛c t i o na 璋i n d l l c e db ym 眦so fg e n e r a l 删o n ，a n a l y s e s 强ds 谢s t i c s ，、v ! h i c hh a v es o m ep i a c t i c a _ b i l n y 龃dm o r em n i t s m o r em a r c hw o r ki s g o i n gt 0b ed o n ci i lo r d 盯t 0v a l i d a t ct h e 础曲o d sh o l d i l l g 虮l eo rn o t i ti so f p e r t i n c ea n ds c i e n c et oa n a i y s ed y n a m i cp 呻r d e so fs i l t st h r o u g ht e s t n u m e f i c a l s i m i l l a t i o ns y n t h e s i z e sk n o 、讥e d g eo fm 丑t h s ，m e c h a n i c s 趾dc o m p u t e rt o a 芏l a l y s l i q u e f a c t i o no ff o m l d 砒i o n w h i c hi ss 缸i 曲豁跹dt a l 汜si n t 0 c o u n tm l l l t i f a c t o r s a n i f i c i a in 即r a in 嘶o r kc 趾f o r e c a s tm o 印m t d ya n dq _ u i c k i y ，删c hc o n c e m m i i l o rf a c t 城o u s 硼u c n c i n g 蠡哟r s 跹d l b r 搬q l l a l n a ：t i v ca n dq l l a n 廿t a t i v ei n d e x e s m m e da t 也eg e o e n g i 芏硷e r i n gp r o p e m e so fs e d i m e n t smt 1 1 ey e l l o w 褂v c rd e n a t h et e s t si nt h es p o ta n di nt h el a b ，t h er e 砌a _ b o l i t 由，n 锄i cp r o p e n i e sa r l d n l l m e r i c a ls i m u l a t i o na c a i r i e dt h r o l l g kt h e 也e s i sd 船ws o m ec o n c l u s i o n s 雒 f 0 h o w s 1 ) r e s e a r c h 、】i ，o r ka _ 的u td y m m i cp r o p e m e so fs i l t si ss t u d i e du s 吨c y c l i c l o a d 血gt c s t ，i n c l u d i n gc 枷c a lp o r ew a t 盱p r e s s u r er a t i o ，p o r ew a t e rp r e s s u r em o d e l a n ds h e a rs 廿e n g mm o d e l t h ec r i d c a lp o r ew a t 盯p r e s s u r e 船矗oo fs i l t sa r r i v ea to 6 5 ， 如1 1 1 1 d a 廿o ns o i lc a 士lb ec o n 8 i d di i q u e 融岖o n 2 ) u 咖衄d 试o n a lm e 出o d so f l i q u e 缸d o ne m m a t i o n ，w h e n e i s m a t i c 缸畦匆 m 黜毋i s7 。，am 萄嘶t yo f f o 啪捌o s o i li nr e s 黜h 黜a 谢l in o ti i q u e 母；删ya f e ws o i i1 a y e r sa r ei i k e l yt ol i q u e 彤 3 ) b yn 眦e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ed e v e l o p i l l gr i i i eo fp o r e w a 托rp r e s s u r ea n dn l e l i q u e f i a b l ep r o b a b i l i 时i sa n a l y z e d t h ep o r 。- w a t e rp r e s s l 腓r 甜i oi i ls l l r f k eg r o w s r a p i d l y 1 1 1 ef o l u l d 8 t i o ns o i li nd a w a n g b e i ，d o n g y i n g g a n ga n d n t a nr e s e a r c ha r e a s i st e n dt ol i q u e 趣t h ee s t i m a 廿n gr e s u h so fn u m c r i c a ls i i i l l l l a t i o na r ec o m p 删v e i y a c c o r d a m 谢t 1 1t h a tb y 仃a d i t i o n a lm e 出o d s f u r d l e r n l o r e ，t h ef o n n e ri sm o r e c o m p r e h e n s i v ea 1 1 ds e c u r e 4 ) a d o p t i n ga 嘣f i c i a ln e u m ln e t w o r k ，t l = l ee s t 妇a t i o no ff b u l l d a t i o ns o i l l i q u e f a c t i o ni sc 鲫d c dt h r o u 曲w h e na s e i 锄蚵cf b m 匆i n t e l l s i 哆i s7 ：am 司o r i 移o f f o u n d a t i o ns o i ii nr e a r c ha r e aw i nn o tl i q u e 母；t h ef o u n d a t i o ns o i lk l v eg r c a t c a p i b i l 毋o fa t i l i q u e f 融i o n r n l e s u j ti sc o m p a r e d 、v i t l lt l l a to f 缸a d i t i o n a l m e t h o d s ，w h i c hi sq i l i t e c l 曲把a 帕b 踮e do ne 出m a 疽n gr e s i l n s ，也et h e s i sp u t f o r hp r o p o s i t i o n st 0c r 捌o n k e yw o r d s ： s 矗t i n t e ds o n ； l i q u d h c 髓o n 瞄t i m a 6 0 n ；d y n a m i cp m p e n y ； 】呵u m e c a is j 瑚u l 叠t i i m 指河三佑洲饱和地攮土地震液化判别综台方注研究 0 前言 本论文的选题来源于山东省建设厅科研项目“山东省黄河三角洲地区饱和粉土 地震液化判别综合方法研究”。 我国是一个多地震的国家，地震可以引起场地地基土的液化，进而导致地基承 载力降低甚至谈失，最终导致上部结构破坏，造成巨大的经济损失和人员伤亡。一 般情况下，液化是指饱和松散砂土或粘聚力较弱的粉土、粉质粘土在地震作用下产 生急剧的状态改变和强度丧失，表现出类似流态的现象。液化具有很大的危害性， 常伴有喷砂冒水、地面沉陷、诱发高速滑坡、地基失稳等现象。从地震地区的情况 看，除砂质地基易发生液化现象外，粉土地基也易出现液化现象( 我国海城地震和 唐山地震时，在天津地区一些处于d 。= o 0 7 哪，粘粒含量小的粉土地层就出现了液 化现象) ，并且已经开始引起一些研究者的重视，并逐渐成为各国有关科技工作者 广泛关注的课题。迄今为止已经发表了许多有关液化的试验研究、机理分析、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多篇文章， 但还存在不少有争议及尚需深入研究的问题。 如何判别液化是解决粉土液化问题的关键。如果事前能够准确识别，就可以在 设计中采取适当措施予以防治：如果漏判，将会造成巨大的经济损失；如果错判将 会给工程留下后患。所以，准确地预测和防治粉土的液化是一个亟需解决的问题。 本课题针对黄河三角洲沉积物特殊的土工性质，综合考虑多方面因素，通过大 量数据、资料的收集整理，结合现场实际情况，对地震荷载作用下的地基土响应过 程进行了数值分析，模拟其液化发生情况，建立了黄河三角洲地区地基土地震液化 判别标准并对规范中地基土液化判别的不足提出了建议。为地区性抗震规范的建 立奠定基础，为抗震减灾服务，具有深远意义。 由于作者水平有限，文中难免有错误与不足，希望同行专家不吝赐教，给予批 评指正。 然河三角洲饱和地璀_ 十地震液化判剐综合方法研究 1 研究意义、现状及内容 1 1 研究意义 黄河三角洲是世界著名三角洲之一，蕴藏着极其丰富的油气、盐卤、淡水和土 地资源，我国的第二大油田一胜利油田就建设在这块土地上。8 0 年代初期国家计委 批准为国土规划试点区，并确立了建设能源、石油化工、农牧渔业三大基地的战略 目标。这一目标的实现，将大大促进黄河三角洲的全面丌发，对我国国民经济发展 具有重大意义，因此其科研价值不言而喻。 黄河三角洲是一个典型的快速沉积的河流三角洲，根据目前对黄河三角洲形成 的原因、历史和过程的研究，尤其对黄河三角洲沉积物工程地质性质的研究”3 ， 该区地基土为饱和粉质土。无论是从国外地震还是我国的地震都证明饱水的粉土， 在地震烈度达到7 。时均可能产生液化效应，并对建筑物造成损坏。因此，对该地区 场地评价时，地震液化灾害应予以高度重视。 根掘目前对黄河三角洲沉积物工程性质的研究，该区的饱和粉质土具有很强的 独特性，不同于一般土体。振动荷载作用下，孔隙水压力不上升也能导致强度丧失， 静置后又可恢复，即黄河口沉积物动力反应既表现为液化，又兼具触变性”1 。目前 该区的液化判别多是利用规范中的标准贯入击数法、静力触探法、剪切波速法等判 别公式进行，这些方法是否适用于该区，有待于进一步研究。 针对黄河三角洲的科研价值、地震地质环境和地基土的独特性，本文选择室内 外试验方法研究该区地基土的动力特性，具有针对性和科学性。尤其数值分析法用 来研究地基土液化发生发展过程，在分析上较为严密，不仅可以考虑地震动特性、 地形地质条件、荷载作用及边界条件等多种因素的影响，还可以研究地震过程中和 地震发生后地基土液化区的发生和发展过程。通过试验方法和数值模拟分析等多种 手段进行黄河三角洲饱和粉质土的液化判别，建立起地震液化判别标准，一方面对 制定地方标准、修改国标有极为重要的参考价值，为地区性抗震规范建立奠定基础； 同时还有利于提高我国地震液化研究的科学水平，产生巨大的经济效益和社会效 盏。 2 黄 l | 三f | ! | 洲饱和地壮十地震液化判别综台方法研究 1 2 国内外研究现状 自1 9 6 4 年美国阿拉斯加地震和r 本新消地震以来，由于砂土液化而造成的建 筑物的破坏引起了国内外专家学者的关注，多年来，砂土液化分析的方法渐趋成熟 化。但有关粉土液化问题，仅仅从1 9 7 5 年海城地震和1 9 7 6 年唐山地震以后，才f 1 益受到工程界的重视。另一方面由于粉土分布不是很广泛，导致目前对粉土液化分 析的资料相对较少。 1 2 1 国内液化判别方法的研究现状 黄文熙院士( 1 9 6 1 ) 在国内最早提出了用动三轴仪研究砂土液化。汪闻韶院士 ( 1 9 6 2 ) 按照黄文熙院士提出的方法，发表了动三轴试验结果，给出了振动引起的 孔隙水压力与砂土性状、振动强度、应力状态和排水条件之间的关系，指出了初始 剪应力大小对液化的影响：汪闻韶院士( 1 9 6 4 ) 还用试验证实，粉土( 当时称为轻 亚粘土) 对振动非常敏感，很容易液化，这比工程界对这一问题的认识早1 0 多年。 工业与民用建筑抗震设计规范t j l l 7 4 第一次在抗震设计规范中给出了砂土液 化判别式。这一砂土液化判别式主要是根据邢台地震( 1 9 6 6 ) 和通海地震( 1 9 7 0 ) 的砂土液化经验制定的。1 9 7 5 年海城地震和1 9 7 6 年唐山地震对于推动砂土和粉土 液化的研究与应用起了熏要的作用。这两次地震都发生了大面积的液化现象，为液 化研究提供了前所未有的地震现场。海城地震以前，对粉土液化的严重性尚认识不 足，抗震设计规范中未考虑其液化影响。特别是唐山地震后，国内有关部门对砂土 和粉土的液化进行了比较广泛和深入的研究。根据海城地震、唐山地震及国外大地 震的资料和室内液化试验的研究成果，对工业与民用建筑抗震设规范中的液化 判别规定进行了修改；同时，该规范更名为建筑抗震设计规范( g b j l l 一8 9 ) 。该 抗震设计规范第一次提出了液化初步判别的思想，且修改后的液化判别既适用于砂 土也适用于粉土，由粒粒含量自动调整。我国同期和随后陆续颁布的若干其它抗震 设计规范中，对砂土和粉土的液化判别都做出了相应的规定。新的建筑抗震设计 规范( g b 5 0 0 1 卜2 0 0 1 ) 对砂土的液化判别方法未做实质性的改进，只是对地面下 1 5 2 0 m 的液化判别问题做出了具体的延伸的规定。 贵河三角洲饱和地堆土地震液化判别综合方法研究 1 2 2 国外液化判别方法的研究现状 1 9 6 4 年同本新漓地震和美国阿拉斯加地震后，美国伯克利地震工程研究中心 ( e r r c ) 的s e e d 和i d r i s s 教授( 1 9 7 1 ) 提出了液化判别的“简化方法”。该方法 与我园工业与民用建筑抗震设计规范中的液化判别式比较，彼此结果相差不多， 这印证了彼此的可靠性。s e e d 和i d r i s s 的“简化方法”一直在不断的改进和完善。 s e e d ( 1 9 7 9 、1 9 8 5 ) 、s e e d 和i d r i s s 等相继发表了改进泼方法的经典论文，使得 该方法成为北美和世界上许多地区进行砂土液化判别的标准方法。r v w h i t m a n ( 1 9 8 5 ) 以国家研究委员会( n a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l ) 的名义召集了由3 6 位 著名专家组成的工作小组，提交了一份改进s e e d 简化方法的报告。该报告已成为 液化判别中广泛使用的标准和参考资料”。3 。 1 2 3 液化的主要影响因素 影响粉土液化发生、发展的因素很多，归纳起来主要由三个方面“：( 1 ) 土性 条件：土的种类、颗粒组成、密实度；( 2 ) 埋藏条件：地质因素、土层埋深、地下 水位等；( 3 ) 动荷条件：地震烈度、持续时间、地震波特性等等。此外，场地地形、 地貌、历史地震背景等对地基土液化也有影响。 ( 1 ) 土性条件 粉土由砂粒、粉粒、粘粒三大粒组组成，砂粒易透水，无粘性；粉粒透水性小， 湿时稍有粘性；粘粒湿时有粘性、可塑性，故粉士具有某些砂土的特征：砂性较大， 易液化，但又与砂土成单粒结构，在振动作用下颗粒易于移动的特性不同。由于粉 土颗粒更细，且具有某些团粒结构的特征，同时由于粘胶颗粒的物理化学作用，孔 隙中薄膜水的连接，以及具有比砂土商的结构强度特征，因此粉土比砂土更难于液 化，即粉土在结构上呈现出砂性土的散粒接触向亚粘土的水胶连接逐渐过渡的结构 形式，在其物理性质上同样显示出从砂性土向亚粘土逐渐过渡的性质。统计资料表 明【8 】：饱和的粉砂、细砂、中砂、少粘性的粉土和轻亚粘土在地震作用下可能产生 液化；可液化土的平均粒径范围在o 0 2 1 o m m 之间，粘粒( 粒径小于o 0 0 5 m m 的 土粒) 含量不大于1 6 ，不均匀系数不大于1 0 ，塑性指数不大于1 0 ，相对密度不 大于7 5 。 4 黄i 兰m 洲饱和地皋土地程液化判别综台方泣村院 l + 2 2 国外液化判别方法的研究现状 1 9 6 4 年日本新漓地震和美国阿拉斯加地震后，美田伯克利地震工程研究巾心 ( e r r c ) 的s e e d 和i d r i s s 教授( 1 9 7 1 ) 提出了液化判别的“简化方法”。该方法 与我四工业与民用建筑抗震设计规范中的液化判别式比较，彼此结果相差不多， 这印证了彼此的可靠性。s e e d 和i d r i s s 的“简化方法”一直在不断的改进和完善。 s e e d ( 1 9 7 9 、1 9 8 5 ) 、s e e d 和i d r ls s 等相继发表了改进浚方法的经典论文，使得 该方法成为北美和世界上许多地区进行砂土液化判别的标准方法。r vw h n m a n ( 1 9 8 5 ) 以国家研究委员会( n a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l ) 的名义召集了 = | 3 6 位 著名专家组成的工作小组，提交了一份改进s e e d 简化方法的报告。该报告已成为 液化判别中广泛使用的标准和参考资料“”。1 。 l - 2 3 液化的主要影响因素 影响粉土液化发生、发展的因素很多，归纳起来主要由三个方面“”。：( 1 ) 土性 条件：土的种类，颗粒组成、密实度；( 2 ) 埋藏条件：地质因素、土层埋深、地下 水位等 ( 3 ) 动荷条件：地震烈度、持续时间、地震波特性等等。此外，场地地形、 地貌、历史地震背景等对地基土液化也有影响。 ( 1 ) 土性条件 粉土由砂粒、粉粒、粘粒三大粒组组成，砂粒易透水，无粘性；粉粒透水性小， 湿时稍有粘性；粘粒湿时有粘性、可塑性，故粉士具有某些砂土的特征：砂性较大， 易液化，但又与砂土成单粒结构，在振动作用下颗粒易于移动的特性币同。由于粉 土颗粒更细，且具有某些团粒结构的特征，同时由于粘胶颗粒的物理化学作用， l 隙中薄膜水的连接，以及具有比砂土高的结构强度特征，因此粉土比砂土更难于液 化，即粉土在结构上呈现出砂性土的散粒接触向亚粘士的水胶连接逐渐过渡的结构 形式，在其物理性质上同样显示出从砂性土向亚粘土逐渐过渡的性质。统计资料表 明m j ：饱和的粉砂、细砂、中砂、少粘性的粉士和轻亚粘土在地震作用下可能产生 液化；可箍化土的平均粒径范围在o 0 2 1 o m m 之问，粘粒( 粒径小于o 0 0 5 m m 的 士粒) 含量不大于1 6 ，不均匀系数不太于1 0 ，塑性指数不大于l o ，相对密度不 土粒) 含量不大于1 6 ，不均匀系数不大于1 0 ，塑性指数不大于1 0 ，相对密度不 大于7 5 。 t 曲河三衔洲饱和地皋t 弛震液化判别综台方浩训究 ( 2 ) 埋减条件 地质因素主要是指地质年代及所处的地貌单元。地质年代越老，十的固皇占程度、 密实度及结构性就越好，抗液化性就越强。同一地质年代，同地貌单元的土层其 性质大体相近，不同地貌单元的土层常有较明显的差异，这正是运用地质年代及地 貌单元对液化进行初步分析判别的地质基础。实测资料表明，地震时可能发生液化 的粉土在地貌上一般都分布于冲积平原和海积平原，特别是位于河漫滩、古河道、 湖降地等微地貌单元地带。可能发生液化的饱和粉土的地质年代一般为第四纪全新 世0 4 ，特别是第四纪全新世q 4 的新近沉积物较易液化，例如唐山、海城粉土液化 发生在海积平原和新近沉积层中。 一般喷水冒砂严重的地区，地下水位不超过3 m ；地下水位为3 4 m 时，液化 现象很少；地下水位超过5 m 时，未有液化事例。 液化土层的最大埋深一般不超过2 0 m 。 ( 3 ) 动荷条件 当震级小于5 级，即震中烈度小于6 。时。般不会发生液化。通常地震烈度 越高，最大地面加速度越大，作用于土层的循环剪应力越大，砂( 粉) 土越容易液 化。另外，地震持续时间越长，孔隙水压力累计越大，越容易液化。础c h 眦建议公 式： ， i o g a 一= 一o 5 ( 卜1 ) j 式中：d 。为最大地面加速度( c i n s 2 ) ；，是地震烈度。 1 2 4 液化判别方法分类 对自由场地的砂液化预测，经过三十多年的研究，已经有了很多方法，大体 上可分为以下几种： ( 1 ) s d 简化分析法； ( 2 ) 经验分析法： ( 3 ) 概率与统计分析法； ( 4 ) 室内试验的方法； f 5 ) 土层反应分析法； 盐 i i f 三角洲饱和地蕞十地震液化判别综合方法研究 ( 1 ) s e e d 简化分析法1 s e e d 简化分析法是最早( 1 9 7 6 年) 提出来的自由场地的液化判别法，也是目前 普遍接受的方法之一。其判别的主要步骤为： 计算在给定的地面加速度下饱和砂土单元承受的地震剪应力。 f ：! ：垒! 些堕 ( 1 2 ) l n “ g 式中：n 为折减系数；，为容重；g 为重力加速度：口。为地面最大加速度；h 为土层厚度。 试验确定饱和砂土单元发生液化所需要的剪应力。 比较上面两个剪应力的大小，从而判别砂土是否发生液化。对不规则的随机 循环剪应力，可将之转化为等价的规则循环剪应力，然后进行比较。 s e e d 分析法简单明了，使用广泛，但确定f 。比较粗略且不考虑孑l 隙水压力的 发展水平；另一方面判别结果的f 确与否依赖于试验结果的准确性。 ( 2 ) 经验分析法 总结震害经验是研究砂土液化最直接的途径。在分析、统计世界各地广泛的地 震液化震害调查的基础之上，可以建立一些经验准则和公式，如以标贯锤击数、静 力触探的贯入阻力、剪切波速等为参量的经验公式“”1 。对于相似的场地、土壤和环 境条件( 如场地饱和度、密度( 相对密度) 、颗粒组成、大小、形状和应力状态等 相似的不同场地) ，可以参考过去地震灾害的震害调查资料进行对比分析，再进行 判别。 经验法主要考虑不同的地震作用、饱和砂土的埋藏条件、抗液化能力、地层的 地质条件与历史固结程度和粘粒含量等因素。如谢君斐等推荐的为建筑抗震规范 采用的标贯判别方法。各种方法考虑的因素都比较单一，而且由于受地层条件、设 备和操作方法等因素的影响，判别结果往往并不稳定。 ( 3 ) 概率统计分析法 河海大学的刘汉龙等人引入概率法“”“”1 ，运用累积疲劳规律表示剪应力循环 的累积效应对自由平坦场地的液化势进行判别，避免了在确定性分析时选择不同的 地震波时得出不同的地震反应结果的缺陷，进一步还可以进行动力反应分析。概率 法目前还处于发展阶段，工程应用此法进行预测的实例还不多。 6 黄河三角洲饱和地基十地震液化判别综合方法氍吁究 经验法和概率法都是基于震害调查资料，对地震后曾液化和未曾液化的土层进 行大量的研究和统计工作，确定影响液化的主要因素，有很好的参考价值。缺点是 孤立的考虑单个或多个指标对液化的影响，没有详细深入考虑各种条件、因素的影 响，各种不确定性很难定准，而且对同一土层采取不同指标的判别结果有时互相矛 盾。因此适于描述过去多数事件的统计规律，不适于预测将来单个事件的行为。 ( 4 ) 室内试验分析法 它通过随机加载的三轴试验、振动台试验、离心机试验“”来模拟在地震时土的 应力状念。但此法有两个主要缺陷：一是所要求的试样应为原状土样，取原状土样 相当困难，土体的抗液化强度试验结果受到土样扰动；不同方法制备的试样或是不 同的方法，对液化结果影响很大。 ( 5 ) 土层反应分析法“”o 1 此法综合了数学、力学和计算机的知识，尤其在数学和力学分析上较为严格。 不仅可以考虑地震动特性、地形地质条件、荷载作用及边界条件等多种因素的影响， 还可以研究地震过程中和地震发生后地基土液化区的发生和发展过程。土层反应法 考虑的因素可以很多，计算较严密，但关键是材料参数和荷载参数要选择适当、合 理，这也有一定的难度。 1 - 2 5 且前存在的问题 自从1 9 9 0 年以来，我国抗震规范对砂土( 粉士) 液化判别的研究未有新的 进展，这主要是由于对唐山地震以后发生的一系列地震，对地震现场的砂土( 粉 土) 液化现象未再进行系统、深入的研究和收集相关的基础资料，因而也未能 提出进步的修改和完善意见。而且全国性抗震规范、勘察设计规范中地震液 化判别方法与标准因其广泛性而缺乏针对性。 本文主要借鉴砂土的液化判别研究方法，过程中着重体现特殊粉质土的特性， 考虑多种影响液化的因素，对黄河三角洲地区地基土进行液化判别综合研究工作。 对于黄河三角洲特殊的土体在特定的地震环境中的液化破坏研究，前人未曾进 行过，本课题的研究丁e 好弥补国内在这方面的空白。 鲣河兰三角洲饱和地早t i f l l 震液化判别综台方法研究 1 3 研究内容及技术路线 研究黄河三角洲地基土液化的判别应该利用多种方法、多种手段、采用多项指 标进行勘察和调研。胜利油田开发建设以来，本区已经积累了大量的地质、物探、 工程地质等各方面的资料，完成了数干孔钻孔勘探，为本课题提供了详实的资料和 良好的条件。通过对黄河三角洲地震液化资料和工程地质资料的统计分析，结合丌 展的现场及室内试验，应用于黄河三角洲地区地基土地震液化的判定研究，并建立 浚区地基土地震液化的判别标准。 根掘上述条件确定了在以下方面进行研究工作： 资料整理 收集、整理有关黄河三角洲工程地质勘、地球物理勘察等的研究成果和地震活 动性、地震小区划等方面的资料，了解本区的地震地质特征、区域地质特征。对资 料进行统计分析，得到与液化判别有关的各项指标的分区特征。 研究区域的界定及现场测试 在现代黄河三角洲边缘确定四个研究皿区进行研究，四个典型研究亚区基本涵 盖了不同时期现代黄河三角洲沉积形成的地基土类型。 在研究区内进行钻孑l 、取样，在完成现场力学指标的原位测试、地球物理指标 的原位测试并借鉴已有成果资料的基础上，进行研究区地基土的地震液化判别。 常规室内试验 将取回的钻孔原状样进行常规室内试验，包括土的基本物理性质指标试验和静 力学性质指标试验。 土的动力特性研究 通过循环荷载试验，进行饱和粉质土动力特性的分析和液化判别研究，为数值 模拟饱和粉质土对地震荷载的响应提供材料参数和模型。 数值分析法进行黄河三角洲地基土液化判别 利用神经网络法进行黄河三角洲地基土液化判别 持* f 三角洲饱和地基十地震液化判别综台方法埘究 2 黄河三角洲地基土的特征 2 1 概述 黄河三角洲位于山东省北部，展布于渤海南岸和莱州湾西岸。三角洲体系分为 上部三角洲平原、下部三角洲平原和水下三角洲。尾间的多次变迁造就了近现代黄 河三角洲的上部平原，呈现复杂而又有规律的微地貌形态，河床高地呈掌状辐射， 其问为缓平低和河间洼地；下部三角洲呈带状环绕于上部三角洲之外，系海陆交互 形成，其景观特点为海岸线和湿地；水下三角洲为浅海环境。 现代黄河三角洲沉积物为粉土、粘土、粉细砂，并在沿海地带常见海相贝壳。 地表以下o 5 1 0 m 分布有厚约1 0 m 的黄褐色粉土。该层土为第四纪全新世新近沉 积物，饱和，稍密中密，湿容重1 8 5 2 0 5 k n m 3 ，干容重1 2 5 1 6 6 k n 甜，中 等压缩性( 压缩模量1 0 2 0 a ) ，含水量2 5 3 5 ，孔隙比o 6 5 1 1 2 。该层埋藏较 浅，央薄层粘土，加上黄河河床高出两岸地面3 5 米，地下水位高，土层极为软 弱，属于地震时有可能发生液化的土层。 2 2 现代黄河三角洲的形成演化史 黄河三角洲是我国乃至世界上河口三角洲中海陆变迁最活跃的地区，特别是河 口地区造陆速率之快，尾闾河道迁徙之频繁更是世所少有。其原因在于黄河是世界 上含砂量最高的河流，而黄河口又是翅型的弱流河口，极高含沙径流和弱潮的共同 作用，使黄河三角洲具备了许多不同于其他三角洲的特征。 黄河每年由黄土高原携带大约1 0 5 亿吨泥沙输入河口地区，其中约2 3 输送 至三角洲的滨海地带，1 3 输送到内海。巨量的泥沙使尾闾出现“淤积一延伸一抬 高一摆动一改道”的演变规律，流路的演化呈现周期性的小循环。每次小循环后， 在原流路经过之处，堆积起一条河道高地和河口砂坝，下一条流路就在其两侧的洼 地内发展。当尾阊横扫整个三角洲一遍时，就完成了一次大循环。自1 8 5 5 年黄河 从利律铁门关以北注入渤海以来，尾闻决口改道达5 0 余次，其中最大的变迁1 0 次， 已经过两次大循环。第一次大循环形成了以宁海为顶点的近代三角洲，第二次大循 环始与1 9 3 4 年，造就了以渔洼为顶点的现代黄河三角洲“。 9 箍河三角洲饱和地摧十地震液化判别综台方法埘究 3 黄河三角洲沉积物成分特征 2 3 1 粒度成分特征 对于沉积物的粒度组成，大量研究集中在沉积物类型的描述界定、沉积物形成 时水动力环境对粒度成分的决定作用及物质来源分析上。如研究表明，北海沿岸及 其河口地区潮间带沉积物以砂质沉积物为主。，亚马逊河三角洲沉积物主要为粉土 和粘土，大西洋海岸d e l m a r v a 半岛一侧的湿地表层沉积物主要处于粉粒和粘粒范 围。”，中国山东、江苏省沿岸潮坪沉积物以粉土为主”“。薛允传等通过对黄河三角 洲北部潮削带两研究断面沉积物粒度成分的分析发现，波浪作用下，由高潮位到低 潮位，沉积物粒径变细，分选变差幽1 。 黄河三角洲沉积物主要粒度成份为细砂粒、粉粒和粘粒。细砂粒含量多为0 5 ，少数粉砂夹层达到3 0 4 0 ；粉粒含量占主体，在3 0 9 0 ，垂向差别较 大；粘粒含量空间差别也较大，集中在1 0 3 0 ，淤泥质土层中粘粒含量达6 0 8 0 。沉积物粒级总体偏细，大部分在o 0 6 3 m 以下，中值粒径在o 0 0 3 0 0 3 m m 之间。 2 3 2 矿物成分特征 黄河三角洲沉积物物源大部分来自黄土高原，由黄河搬运至此。黄河中游地区 第四系黄土矿构成分以石英、长石为主，因此三角洲近表层沉积物矿物成分基本继 承了上述特征。碎屑矿物占绝对优势，含量在6 0 以上，甚至莱些地区高达9 0 ， 主要为石英、长石和方解石；各成分含量因深度不同而不同，与沉积物形成的年代 有关。粘土矿物占8 3 0 ，主要为伊利石、绿泥石、高岭石、蒙脱石，蒙脱石在 有的地区缺失。 黄河三角洲沉积物普遍含有碳酸盐矿物成分，甚至个别层位含量很高。 2 4 黄河三角洲地震、地质背景 2 4 1 概述 黄河三角洲地区地势平坦，自然资源丰富，地势总的趋势为顺黄河方向为西南 黄河三柏洲饱和地基十地震液化判别综台方法研究 高、东北低，背河方向是近河高、远河低。地面平均高程6 o 米( 黄海高程，下同) ， 西南部最高商程2 8 米，东北部最低高程1 米，自然比降1 8 0 0 0 至l 1 2 0 0 0 ：背河 自然横比降1 7 0 0 0 ，河滩高地低于背河2 3 米。 山于黄河尾闾多次迁徙，有许多因改道河决口而形成的废弃河道河防水堤坝， 黄河两岸地形呈现以河床为基轴的掌状起伏地形。新老河道纵横交错，互相切割重 迭，形成了岗、坡、洼相近的复杂地貌。根据全国第二次土壤普查资料，主要地貌 类型有：缓岗和河滩高低，主要分布在沿海及黄河故道附近；浅平沣地，主要 分布在微斜平地之中，自呈封闭状；微斜平地，全境都有分布，是主要的地貌类 型；海滩低，呈带状分布于沿海地带。 三角洲断层数量众多，其规模有大有小，活动强度有强有弱，活动时代有老有 新。绝大多数断层早已停止活动，没有发生地震的危险。与现代地震密切相关的是 距今l o 余万年来仍有活动的断层，地震基本上是由这些隐伏活动断裂所致。从黄 河三角洲的地貌特征及形成机理来看，近现代黄河三角洲无明显地壳活动迹象。 2 4 2 历史地震与震害 黄河三角洲地区地震强度小、频度低，据史料记载，共发生有感地震3 0 余次， 最大为1 5 8 8 年7 月2 日垦利县5 级地震。周围地区的郯庐地震带、燕山渤海地震 带和河北平原地震带历史上发生的1 2 次强烈地震，对本区造成了较大的破坏和影 响。1 6 6 8 年郯城8 5 级地麓、1 8 8 8 年渤海7 5 级地震和1 9 6 9 年渤海7 4 级地震， 在本区的地震烈度都达到了度，出现房屋倒塌、人畜伤亡，地裂冒水、土体液化， 黄河大堤裂缝、沉陷，桥梁涵洞断裂、错位的严重破坏情况，给人民财产和建筑物 的安全带来极大危害。所以对该区地震作用下地基土的液化破坏应予以足够的重 视。 2 5 地震危险性分析 2 5 1 地震危险性分析方法简述 地震危险性分析”目的是为预测未来一定年限内场地出现的各种烈度地震危 险水平的可能性估价。它是工程选址、设计和决策的重要依据。所以，它是场地工 黄# f 三柏洲饱和地埔十地震液化判别综合方法研究 程地质分区评价的基础和重要组成部分。随着近年来工程规模和建筑物种类的迅猛 增长，对场地地震危险性分析提出了更高的要求，因而现行的基本烈度区划已经不 能满足工程的要求。地震危险性分析能够确定不同概率的设计烈度，以满足重要性 和使用年限不同的各种工程的需要。 地震危险性分析的主要内容：场地区域地震地质背景研究；场地地震活动性与 地震活动分区：潜在震源确定及震源特性研究：场地地震危险性分析；场地基本烈 度确定：场地地震动岩石地面反应谱和基本参数确定；用于场地地震反应分析的输 入地震动时程确定( 主要为加速度时程) 。 对这些内容作一下归纳，主要是：场地及其周围震源确定和地震活动性的估 计。更重要的是在周围区域地震地质背景条件下地震带、地震区或潜在震源数量、 位置和特性等对场地的影响。所以，包括区域的、深部的、古老的、现今的地质、 地震、地球物理等基础资料。场地周围烈度或地震动传播衰减特征。即确定烈度 或地震动与震级、震中距( 或震源、发震断层等) 之间的理论和经验关系。采用 适当的模型定量估计场地的地震危险性。 地震危险性分析的方法：有定数法和概率法。 2 5 2 黄河三角洲地区地震危险性分析 ( 1 ) 地震活动区的划分 地震在空阿上分布是不均匀的，主要表现在强震沿活动断裂呈条带状展布。根 据地震空间分布特征和地质构造分布特征，研究区所在区域内可划分为三个主要地 震带：郯庐地震带，河北平原地震带及燕山一渤海地震带。黄河三角洲位于郯庐地 震带内，见图2 一l 。 郯庐地震带 郯庐地震带是我国东部最大的地震带，南起安徽嘉山，向北经宿迁、新沂、郯 城、临沂附近，穿越渤海到达辽宁营口、沈阳等地，止于丌源一带，长约1 2 0 0 公 里，带内地震活动十分强烈，是我国东部活动性最强的地震带之一。该地震带活动 具有强度大、频次低、复发周期长等特点，发生的强烈地震对工作区有直接影响。 河北平原地震带 河北平原地震活动统计区呈北北东向展布，南界大致位于新乡、蚌埠线，北 1 2 黄 三角洲饱和地犟十地震液化判别综合方法研究 界位于燕山南侧，西界位于太行山东侧，东界位于下辽河辽东湾拗陷的西缘，向南 延伸天滓东南，经济南东边达宿州一带。研究区位于本地震活动统计区东缘，本地 震活动区发生的强烈地震对工作区也将有直接影响。 燕山渤海地震带 燕山渤海构造带为一条北西西向复合型地震构造带。一方面是河北平原北东 东一北东向断裂和郯庐北北东向大断裂分别延伸至燕山南缘和穿过渤海：另一方 面，沿燕山南缘至渤海发育有一系列北西西向断裂带。这两组构造的活动，使得燕 山南缘至渤海一线的地震活动十分强烈，构成活动强度和频度均明显高于其它区域 的地震带。燕山渤海地震带具有十分复杂的构造背景，属于地震活动强化带。由于 该带距黄河三角洲较近，因而其地震活动对黄河三角洲影响较大。 图2 1 地震带分布闺 ( 2 ) 有关潜在震源区及地震活动空间分布系数 为体现地震活动的时、空非均匀性，在统计区内划分若干潜在震源区，并确定 表述地震活动空间非均匀性的地震动空间分布系数。潜在震源区内的地震空间分行 系数是与震级有关的常数，记为丹，其物理含义为，一次震级为m ，o 5 m 的 持女三角洲饱和地击等十地震 f ( 化判别综台方法研究 地震落在第l 个潜在震源区的概率。只m 作为震级的条件概率，可以反映统计区 内地震空问分布的非均匀性，对指定震级档的用埘在整个统计区内是归一化的。 即： f 1 m 。= l 其中n 为统计区内能够发生 ，0 5 埘级地震的震源区总数。 ( 2 1 ) 对研究区地震危险性分析有主要影响的潜在震源区的地震活动空间分布系数 列表如下： 表2 1部分潜在震源区的地震活动空间分布系数 序号浅源区名称 4 - 5 5 5 5 石06 o 6 56 5 7 o7 o 7 5 7 5 6 l 渤东 0 0 3 7 0 0 3 70 0 2 2o 0 5 10 1 1 7o 4 4 7 6 6 莱州湾 o 0 7 5 o 0 7 5o 0 4 6 6 8 安丘 o 0 1 6 o 0 1 6 o 0 5 8 0 0 8 6o 1 3 l 7 2 莒县 0 0 1 50 0 1 50 0 3 10 0 5 80 0 8 2 ( 3 ) 黄河三角洲地震活动空间分_ 靠特征 黄河三角洲地区( 北纬3 6 9 ”3 8 2 5 。，东经1 1 7 9 。1 1 9 r ) 位于郯庐地震 带内，与燕山渤海地震带和河北平原地震带东北部相邻。该地区历史上没有强震记 载，最大地震为1 5 8 8 年7 月2 日垦利南5 级地震。1 9 7 0 年以来现代小震活动主要 分布在渤海南缘和胜北断裂附近，并且沿胜北断裂有东段小震多( 永安乡附近) 、 西段小震少、成团分布的特点。1 9 7 0 年以_ 束该区共发生大于3 o 级地震6 2 次，其 中3 o 3 9 缴地震l o 次，4 0 级以上地震1 次，最大为4 4 级。 1 4 黄 l i 三坩洲饱和地摧十地震液化判别综台方法研究 3 黄河三角洲地基土工程地质指标统计分析 3 1 概述 为了解研究区地基土的工程地质特征，收集、整理了有关黄河三角洲工程地质 勘察、地球物理等的研究成果和地震活动性、地震小区划、历史震害等方面的资料。 并对资料进行样本统计，得到与液化判别有关的各项物理力学指标的分区特征，并 对指标进行相关性统计分析。建立黄河三角洲三维分区。 3 2 统计样本 在胜利油田设计院工程勘察公司的大力协助下，共收集了项目勘察报告1 4 5 份， 包括土工试验成果表，工程地质勘查报告表，柱状图( 1 7 0 份) ，静探试验资料，标 贯试验资料等。这些资料多是9 5 年以后的，资料的丰度和真实性都有保证，具有 最大的广泛性和很好的代表性。其中大王北、广利港、东营港、新滩四个研究区钻 孔柱状图分别为3 5 、5 0 、6 2 、2 3 份。钻孔分布图如图3 1 所示。 图3 1 收集到的钻孔资料分布图 捕 町三角洲饱和地甚一卜地震液化判别缘台方法删：究 3 3 黄河三角j j i f f 沉积物三维分区 根据资料整理及黄河各时期流路( 图3 2 ) 将黄河三角洲分为四个研究区：东 营港研究区，大王北研究区，新滩研究区，广利港研究区，分别位于现代黄河三角 洲的北部、西北部、东部、东南部，四个典型研究区基本涵盖了四个不同时期黄河 入海形成沉积物。大王北研究区是1 9 0 4 1 9 2 9 年剧黄河的入海口处：广利港研究 区是1 9 2 9 1 9 3 4 年的黄河入海沉积而成；东营港研究区是1 9 6 4 1 9 7 6 年由刁口流 路沉积入海形成的：新濉研究区是从】9 7 6 年至今的黄河从此入海冲积形成的。 囝3