（环境工程专业论文）黄河口粉质土液化判别标准研究.pdf

r e s e a r c ho nl i q u e f a c t i o ne v a i u a t i o no r i t e r i af o rs ii t y s o iii ny e i i o wr j v e rd e l t a a b s t r a c t t h es i l t ys o i l i ny e l l o wr i v e rd e l t ah a v eu n i q u el i q u e f a c t i o nc h a r a c t e r ，a n d t h e r ei sn o tt h eu n i f o r ml i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o n i nt h i sp a p e r , d y n a m i ct r i a x i a lt e s t s h a v e b e e nc a r r i e do u ti no r d e rt oe s t a b l i s hl i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nc r i t e r i af o rs i l t ys o i l i nt h ey e l l o wr i v e rd e l t a , f o rs m d y i n gt h ec h a n g e so fp o r ew a t e rp r e s s u r ea n d d y n a m i cs h e a rs t r a i n ，a n dt h e ne s t a b l i s ht h ei n i t i a ll i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nc r i t e r i a ， i n f l u e n c eo fc l a yc o n t e n t ，i n i t i a ls t r e s sr a t i o ，a n di n i t i a l d r yd e n s i t yo ni n i t i a l l i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nc r i t e r i aa r es t u d i e d t h e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nd o n e t ov a l i d a t et h ei n i t i a ll i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nc r i t e r i a a tl a s t , t h ec o n s o l i d a t e da n d u n d r a i n e dt r i a x i a lt e s t sh a v eb e e nc a r r i e do u ti no r d e rt oe s t a b l i s ht h es t e a d ys t a t e s t r e n g t hl i n eo fs i l t ys o i li nt h i sd e l t a t h i sp a p e rd r e ws o m ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i ft h ep o r ew a t e rp r e s s u r eo fy e l l o wr i v e rd e l t ac a l la p p r o a c ht h ee f f e c t i v e c o n f i n i n gp r e s s u r e , t h e nt h ep o r ew a t e rp r e s s u r er a t i o li sc o n s i d e r e da st h ei n i t i a l l i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nc r i t e r i a i fn o t ，s t u d yc h a n g e so fp o r ew a t e rp r e s s u r e ，t h ep o r e w a t e r p r e s s u r er a t i ow h e np o r ew a t e rp r e s s u r eb e c o m es t e a d yi sc o n s i d e r e d ( 2 ) t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ei sa p p r o p r i a t et ob et h ei n i t i a ll i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o n c r i t e r i aw h e nd a yc o n t e n ti sl o w , t h ep o r ew a t e rp r e s s u r er a t i o0 8a n dt h es t r a i n6 a r ec o n s i d e r e dw h e nt h ec l a yc o n t e n tb e t w e e n1 4 a n d2 4 ，a n dw h e nt h ec l a y c o n t e n ti sm o r et h a n2 4 t h es t r a i n6 i sc o n s i d e r e d i n i t i a ls t r e s sr a t i oh a v en oe f f e c to nl i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nc r i t e r i ao fs t a i n , b u t h a v ee f f e c to nt h ec r i t e r i ao f p o r ew a t e rp r e s s u r e , t h ef a i l u r ep o r ew a t e rp r e s s u r er a t i o d e c r e a s ew h e ni n i t i a ls t r e s sr a t i oi n c r e a s e ( 3 ) t h er e s u l to fl i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o no f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t ht h ei n i t i a l l i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nc r i t e r i ai ss i m i l a rt o t h es t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s ta n ds t a t i c c o n e p e n e t r a t i o n t e s t ( 4 ) t h es t e a d ys t a t el i n eo fs i l t ys o i li ny e l l o wr i v e rd e l t ai ss h o w na se = i l l ( c c h y ) + i l ( c c l a y ) l g t ，i nw h i c h ： m = 0 4 5 1 + 0 0 6 6 c c i n y - 4 1 4 x1 0 。c c l a y 2 + 1 1 5 x1 0 4 c c l a y 3 1 2 3 x1 0 6 c c l a y 4 n = 0 2 9 + 0 0 1 2 c c l a y 一4 8 2 x1 0 4 c c l a ，一4 7 2 x1 0 - 5 c c l a y 3 + 7 8 1 1 0 7 c e l a y 4 a n d1 0 = c c l a y = 3 0 ；c c l a y = c l a yc o n t e n t k e y w o r d s ：y e l i o wr i v o rd e i t a ：s ii t ys o ii ：l i q u e f a c t i o ne v a i u a t i o n n u m e r i c a i8 i m u i a t i o n ：s t e a d ys t a t es t r e n g t h 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；翅遗直墓他盂要挂别虚明 的：查拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：御, e j ie l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权学校可以将学 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、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 献导师签字；舌l 缸争 签字日期：7 , - 7 年月f 日签字日期：z 一7 年，e j7 e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 黄河u 耪质十液化判剐标准研究 u 刖舌 目前砂土液化的研究已经比较成熟，从液化机理、液化过程以及砂土液化的 判别方法，都已经有了较大的发展。粉土不同于砂土，有其独特的特征，在颗粒 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，在液化机理和抗液化 能力上也有差别。黄河口地区的粉质土在主要成分和物理特征上又有其独特性。 针对黄河口地区液化研究已经有许多，大多集中在粉质土的力学特征和液化 判别的方法的研究上，合理的确定液化破坏标准是讨论液化强度的基础，目前黄 河口地区粉土的液化标准一般采用应变为5 ，之前的液化试验也表明有许多粉 土在振动过程中，孔压很难达到有效围压，因此确定一个适合黄河口地区粉土的 液化判别标准就成为液化研究中一个十分重要的课题。 关于液化标准，最初时研究的大多是砂土，因此s e e d 提出的初始液化判别 标准成为主要的液化判别标准。后来，人们逐渐发现粉土甚至粘性土也可以发生 液化，因此在初始液化中又在孔压标准的基础上发展出了应变判别标准。2 0 世 纪8 0 年代以后，国际学术界将注意力集中于液化后的力学性状，因为“更为适 当和经济的方法是在液化已发生的前提下，确保边坡和路堤抵抗流动破坏的稳 定性，而不是去防止液化的触发”。并在此基础上，利于稳态强度理论发展形成 稳态强度液化判别标准。 针对以上问题，本文首先利用室内动三轴试验，研究了孔压和应变的变化规 律，确定了适合本地区的初始液化判别标准，另外又分析了粘粒含量和初始固结 比以及初始干密度等对于初始液化判别标准的影响。然后，利用一维有限元程序 对原状粉土进行数值模拟，验证初始液化标准的准确与否。最后又研究了黄河口 粉质土的稳态强度模型，建立了适合黄河口地区的稳态强度线。 由于作者水平有限，文中难免错误和不足，希望同行专家批评指正。 黄i i i u 粉质十液化判别标准研究 1 研究意义、现状与内容 1 1 研究意义 1 1 1 选题依据和背景情况 粉土既不同于粘性土，又有别于砂土，具有独特的性质。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，一般是这三种土粒的混 合体。建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 对其定义为：塑性指数西 1 0 且粒径大于0 0 7 5 嘞的颗粒含量不超过全重的5 0 的土。粉土中的粉粒含 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。 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，地基承载力低，是工程建设中经常遇到的土类之一。 黄河三角洲的土绝大部分来自黄土高原，由黄河搬运堆积形成，其矿物成分以及 内部结构都有别于世界上其他的河流三角洲，在地震等动力的作用下极有可能发 生液化。 液化研究目前已经成为岩土工程学科内比较成熟的研究领域，在这个领域 内，纯砂土的液化研究作为液化研究的基础已经得到了学者和工程师们一致的认 识，而且国内外大多数研究也是针对纯砂土的，对粉土和粗粒土的液化较少，尤 其是对于黄河口的特殊的饱和粉土的液化研究更少。 合理的确定液化破坏标准是讨论液化强度的基础，液化通常伴随着大规模的 地面沉陷变形、地裂滑移、喷水冒砂和房屋震陷等现象，这些现象是确定现场是 否液化的主要标志。目前，作为各种判别液化的依据，也就是这类宏观调查资料。 另一方面，长期以来，人们普遍认为，产生上述宏观液化现象时，土层的孔隙水 压力均等于有效覆盖压力，即超孔压比等于1 。但是，试验研究表明，粉土的孔 隙水压力小于l 时，饱和土层就开始对地面运动、地裂、滑移、房屋下沉产生影 响，就可能出现通常所谓的液化现象，而此时土体的变形已经较大。与之相对应 的是，有时地震过程之中并没有产生液化，反而是地震过后一段时间里，大量地 黄i u 粉质十液化判别标准研究 基遭到破坏。因此，选择液化判别的标准就成为液化研究中一个十分重要的课题。 1 1 2 研究目的、理论意义和实际应用价值 本课题研究的目的是建立符合黄河三角洲地区的粉土的液化判别标准，为以 后这个地区的液化研究和建立地区性的液化判别规范提供依据。 黄河三角洲有丰富的油气以及土地资源，随着黄河三角洲社会经济建设的高 速发展，工程建设日益增多，如城市建设、钻井平台及井场建设、公路建设等越 来越多的遇到地基稳定性问题。因此，确定合理的液化破坏标准，尤其是适合黄 河口粉质土的液化判别标准不仅对于这个地区的液化研究有着重要的意义，还能 够为工程建设提供合理的指导，为城市抗震减灾服务，具有深远的意义 1 2 国内外研究现状 自1 9 6 4 年美国阿拉斯加地震和日本新演地震以来，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，如图1 - 1 所示 图卜11 9 6 4 年日本n i i g a t a 地震建筑物因土壤液化而倾倒( e e r i ) 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，才日益受到工程界的重视，目前对粉 土液化分析的资料相对较少。在液化研究长达近4 0 年里，人们总是认为地震时 低塑性的粉质黏土和粘质粉土不易液化。1 9 6 8 年d a p p o l o n i 第一次考虑了粉 粒和粘粒含量的影响后，1 9 6 9 年i 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 相继提出了粘粒和粉粒对土的动强度的影响，才引起人们的关注。s e e d “1 等 ( 1 9 8 5 ) 以及y o u d 和d r i s s 等”1 ( 2 0 0 1 ) 相继开展了细粒含量对抗液化强度的影响 黄河u 粉质十液化刿剐标准研究 研究，得出了有益的成果。 1 2 1 液化的定义 液化分析中存在着选用什么标准作为液化判别准则的问题。液化判别标准 的选择是与液化的定义相联系的。液化一词可以有广义和狭义的理解。广义的液 化是指孔隙水压力上升的过程，狭义的液化是指最后达到的有效围压的状态。对 于孑l 隙压力上升问题也有广义和狭义两种理解，狭义的理解只限于封闭条件下的 土体内部孔隙压力的增高，广义的理解则包括孔隙水由高孔隙压力区向低孔隙压 力区的转移。 关于饱和土液化的定义，美国岩土工程学会土动力学委员会于1 9 7 8 年2 月 组织了广泛的讨论，认为：“液化是使任何物质转变为液体的作用和过程。在无 粘性土中，这种转变是由固态到液态，它是孔压增加、有效应力减少的结果川”。 而日本土力学与基础工程学会在它所编写的土力学与基础工程词典 ( 1 9 8 5 年) 中给出液化的定义为：“饱和砂土由于孔隙压力的升高而引起剪切 强度的丧失和有效应力降低，这种状态称为液化”啪。这两种液化的定义基本上 是一致的，这也是日、美两国普遍接受的定义。在沈珠江的理论土力学中，“液 化”一词显然指的是孔隙水压力上升的过程本身，不管最后是否导致抗剪强度等 于0 。 s e e d 根据动三轴试验结果给出液化定义为：在简谐循环荷载作用下，饱和 砂土孔隙中的残余孔隙压力初次等于所施加的围压时的状态，即峰值循环孔压与 围压的比值初次达至u l o o 的条件或状态。液化时，士样的轴向应变( 双峰值差 的轴向应变) 大致为5 。因此有时也把土样动轴向应变值初次达到5 的状态称 为初始液化，简称为液化”1 。 与s e e d 的观点不同，c a s a g r a n d e ( 1 9 7 5 年) 嘲认为现场液化过程与动三轴 中饱和砂样的液化过程是不同的，应该加以区分。为防止这种混淆，c a s a g r a n d e ( 1 9 7 5 年) 嘲，c a s t r o ( 1 9 7 5 年) “1 把饱和砂土液化分为两类。第一类为实际液 化( a c t u a l1 i q u e f a c t i o n ) ：第二类为循环液化( c y c l i cl i q u e f a c t i o n ) 啪，或 循环活动性( c y c l i cm o b i l i t y ) ”1 ，他进一步给出两者定义： 实际液化：在冲击或应变的作用下，松散饱和砂土的强度极大地降低，在 极端情况下将导致流动滑移破坏。 4 黄i 1 u 粉质十液化判别标准研究 循环液化：在动三轴循环荷载作用下，具有膨胀性趋势的较密实的砂样中 孔隙水压力在每循环中将瞬时达到围压的响应或状态，它是动力和静力荷载 同时作用的结果。循环活动性也是类似定义的。 这三种液化概念，目前都被广泛应用，但它们的适用范围是不同的。初始液化 在分析液化能否被触发的问题时较为合理和方便。但当分析液化后能否发生失稳 破坏或变形时，则需使用实际液化和循环液化的概念。 在我国工程界，所谓液化定义为：“物质从固体状念转化为液体状态的行为 和过程，可称为液化”1 。我国各种抗震规范中关于液化概念就是建立在上述定 义基础之上的， 1 2 2 液化机理和影响因素 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。 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。士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 2 3 液化判别标准的发展 自从1 9 3 6 年c a s a g r a n d e 提出砂土临界孔隙水的概念算起，砂土液化的研 黄；l i f u 粉质 液化判刖标准埘f 究 究经历了经验阶段( 7 0 年代以前) ，半经验阶段( 7 0 8 0 年代) ，目l j f 形成一个 较完整的理论体系。有关粘土的液化问题的研究，则只是近几年才丌始的。 关于液化标准，最初时研究的大多是砂土，因此s e e d 提出的初始液化判别 标准成为主要的液化判别标准。后来，人们逐渐发现粉土甚至粘性土也可以发生 液化，因此在初始液化中又在孔压标准的基础上发展出了应变判别标准。2 0 世 纪8 0 年代以后，国际学术界将注意力集中于液化后的力学性状，因为“更为适 当和经济的方法是在液化已发生的前提下，确保边坡和路堤抵抗流动破坏的稳 定性，而不是去防止液化的触发”。并在此基础上，利于稳态强度理论发展形成 稳念强度液化判别标准。 1 2 4 液化判别标准的主要分类 1 2 4 1 初始液化判别标准 多年来，对于液化的评价，实验室和现场研究大多数采用美国加州大学伯克 利分校s e e d 和l d r i s s 等人提出的初始液化方法蜘。这种方法致力于研究由循环 剪应力作用引起的孔隙水压力增长，通过与工程实际建立起相关关系，来预测超 静孔隙水压力和判断液化是否能被触发。 初始液化判别标准强调发生液化的应力条件认为液化发生的条件为土的法 向有效应力为零，土不具备任何抗剪切能力。当第一次出现这种零应力状态时就 认为土达到了初始液化条件，此后在动荷载的往复作用下，土体不断出现初始液 化状态，表现出土的往返活动性，土的动变形逐渐累积，直至出现土的整体强度 破坏或超过容许变形失稳值。 判断土是否达到初始液化的标准可以是孔压比也可以是应变。在室内液化试 验研究中，经常采用的液化破坏标准有：孔压标准，即孔隙水压力等于有效固结 侧压力；极限平衡标准，即孔压达到极限平衡状态时的临界孔隙水压力；应变控 制标准，即以应变达到一定值作为破坏点，对于粉土，工程上一般应用5 应变作 为破坏标准。汪闻韶“”曾详细介绍过这三者之间的区别。 董淑云和王小花曾经对黄河口饱和粉质土做了室内动三轴实验，通过分析将 粉土和粉质粘土孔压比0 6 8 、粉砂0 8 7 作为液化破坏丌始的标志。 王兰民1 于1 9 9 9 年提出的黄土液化的2 个判别标准为：( 1 ) 孔压比 o 7 ： ( 2 ) 累积应变 3 ，且孔压比 o 2 。这2 个标准哪一个先达到就采用哪个。 6 黄i l i u 粉质十液化判别标准研究 袁中夏“2 1 通过试验研究发现，黄土液化过程与应变发展有内在的联系，因而 在动三轴试验中用轴向应变作为黄土初始液化的判别条件更符合实际。若保守考 虑，则这一轴向应变标准可以定为4 。另外，轴向应变小于2 时，黄土的孔 压上升较快，而当轴向应变大于2 时，孔压增长减缓。为此，轴向应变2 可以 被认为是黄土在液化过程中结构稳定极值。 1 2 4 2 稳态强度液化判别标准 s e e d 提出以初始液化作为液化判别标准，并以此为基础通过动三轴试验确 定出动循环强度。但哈佛大学的c a s a g r a n d e 、c a s t r o 、p o u l o s “”1 ”1 认为初始 液化并不意味着实际液化，它也可以产生循环液化而不产生实际液化，因而初 始液化后的结果到底怎样并不清楚。他们认为可以采用稳态强度作为判别能否发 生实际液化的标准。另外，稳态线还可作为判别饱和砂土是否可能产生实际液化 或循环液化的标准。p o u l o s 、c a s t r o 等( 1 9 8 5 ) “”提出了利用稳态强度和稳态 线判断砂土是否发生实际液化。 c a s a g r a n d e ，c a s t r o 和p o u l o s 等人提出的稳态强度理论，强调工程结构物 的破坏表现为过量的位移、变形或应变。即使土体没有达到初始液化的应力条件， 只要土体结构破坏和孔压上升引起强度弱化，出现具有液化状态的