（水工结构工程专业论文）深覆盖层上面板堆石坝静动力特性及坝基地震液化研究.pdf

摘要 摘要 混凝土面板堆石坝有着良好的变形适应性和抗震稳定性，非常适合在强震区 深厚覆盖层上修建。本文结合深厚覆盖层上斜卡面板堆石坝的设计计算课题，采 用三维非线性有限元法，深入研究了其静动力工作性态，并对坝基粉土质砂液化 的可能性进行了研究，提出加固措施的建议。论文主要成果如下。 ( 1 ) 根据斜卡混凝土面板堆石坝的实际情况，采用三维非线性有限元法和分 级加载技术，详细模拟了该坝的施工过程和蓄水过程。获得了该坝施工期和蓄水 期的坝体位移和应力、防渗墙的位移和应力、面板的挠度和应力以及周边缝、面 板缝的位移等。计算表明，虽然斜卡面板堆石坝坝址区地形地质条件复杂，覆盖 层深厚，但坝体的应力和变形，数值在设计可接受的范围之内。说明坝体设计在 技术上是合理可行的。 ( 2 ) 根据斜卡面板堆石坝地形地质条件复杂、覆盖层深厚和坝基分布有粉土 质砂的特点，采用三维非线性有限元动力分析方法，建立了坝体的地震反应和地 震永久变形的分析模型。详细分析了在设计地震作用下，坝体及其接缝的地震反 应特性和一般规律，包括加速度反应、位移反应、应力反应等。计算表明，该坝 的动力反应特性和抗震稳定特性，满足设计的要求。 ( 3 ) 研究了粉土质砂振动孔隙水压力的增长模式以及现有评价地震液化的研 究成果，研制和开发了粉土质砂地震液化的分析评价程序，并对斜卡坝基粉土质 砂的地震液化可能性进行计算分析。成果表明，该坝基在地震烈度为7 度时不会 发生地震液化，在地震烈度为8 3 度时，库区和下游坝脚处表面一些单元发生液 化。据此，提出了加固处理措施的建议。 关键词：混凝土面板堆石坝，非线性有限元法，地震反应，地震永久变形， 地震液化，深覆盖层 a b s t r a c t c o n c r e t ef a c er o c k f i ud a m s ( c f r d ) h a v eg o o da d a p t a b i l i t yf o rd e f o r m a t i o na n d s t a b i l i t yf o rs e i s m i cr e s i s t a n c e ，w h i c ha l ev e r ys u i t a b l ef o rb u i l d i n go nd e e p o v e r b u r d e nl a y e ri nt h ee a r t h q u a k ea r e a c o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c to f ) ( i e k ac f r d l o c a t i n go nd e e po v e r b u r d e nl a y e r , a n db yu s eo ft h r e e d i m e n s i o n a ln o n l i n e a rf m i t e e l e m e n tm e t h o dt ot h es t a t i ca n dd y n a m i cs t a t ea n dt h el i q u e f a e t i o np o s s i b i l i t yo f p o w d e rs a n ds o i li nt h ed a mf o u n d a t i o na r ed e e p l ys t u d i e da n da l s ot h ec o r r e s p o n d i n g r e i n f o r c e m e n tm e a s u r e st op u tf o r w o r d 1 1 1 em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o 、郴： ( 1 ) a e c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fx i e k ac f i m ，t h ed a mc o n s t r u c t i o n p r o c e s sa n dt h ei m p o u n d m e n tp r o c e s sa r es i m u l a t e di nd e t a i lw i t ht h e3 dn o n l i n e a r f i n i t ee l e m a n tm e t h o d sa n dc l a s s i f i c a t i o n1 0 a d i n gt e c h n i q u e s n 圮d i s p l a c e m e n ta n d s t r e s so ft h ed a mb o d y ，a n t i s e e p a g ew a l l ，c o n c r e t e - f a c e ，p e r i p h e r a lj o i n t ，f a c i n gj o i n t a n ds oo na r eo b t a i n e d i ti ss h o w nt h a tt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h ed a ma r e c o n f o r m e dt ot h eg e n e r a ll a w , a n dt h en u m e r i c a lv a l u ei si nt h ea c c e p t a b l er a n g e t h o u g ht h eg e o l o g i ce n g i n e e r i n gc o n d i t i o no ft h ed a r nl o c a t i o ni sc o m p l e xa n d o v e r b u r d e nl a y e ri st h i c k i ti sp r o v e dt h a tt h ed e s i g no ft h ed a mi sr a t i o n a la n d f e a s i b l e ( 2 ) t h ea n a l y s i sm o d e lo f e a r t h q u a k er e s p o i i s ea n dp e r m a n c n td e f o r m a t i o no f d a m i se s t a b l i s h e dw i t ht h e3 - dn o n l i n e a rf e mi nc o n s i d e r i n gt h ex i e k ap r o j e c tw i t ht h e c o m p l i c a t e dt e r r a i na n dg e o l o g i ce n g i n e e r i n gc o n d i t i o na n dd e e po v e r b u r d e nl a y e ra n d t h ed i s t r i b u t i o no fp o w d e rs a n ds o i l i nd a mf o u n d a t i o n n 圯e a r t h q u a k er e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i ca n di t sg e n e r a ll a wo fb o d ya n di o i n ta r ea n a l y z e di nd e t a i lu n d e rt h e e f f e c to f d e s i g ne a r t h q u a k e ，i n c l u d i n ga c c e l e r a t i o nr e s p o n s e ，t h ed i s p l a c e m e n tr e a c t i o n ， t h es t r e s sr e s p o n s ea n ds oo n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee a r t h q u a k er e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so fd a ma r ec o n f o r m e dt ot h eg e n e r a ll a w , a n dt h ed a mi ss a f ew h e n s u b j e c t e dt o 也ec a r t h q u a k e d e s i g nc o d er e q u i r e m e n t sa r es a r i s f i e d ( 3 ) t h eg r o w t hm o d e lo fp o r ew a t e rp r e s s u r ei ns a n ds o i la n dt h er e s e a r c hr e s u l t s o fe a r t h q u a k el i q u e f a c t i o na r es t u d i e d , aa n a l y s i sa n da p p r i s e dc o m p u t e rp r o g r a mi s d e v e l o p e dw h i c hi sa p p l i e df o rt h ec a l c u l a t i o no ft h ep o s s i b i l i t yo fe a r t h q u a k e l i q u e f a c t i o no fp o w d e rs a n ds o i li nd a mf o u n d a t i o no fx i e k ap r o j e c t i t ss h o w nt h a t t h ee a r t h q u a k el i q u e f a c t i o no ft h ep r o j e c td o e sn o th a p p e nu n d e rt h ee f f e c t so fs e i s m i c i n t e n s i t yo f7d e g r e e s ，w h i l es o m el i q u e f a c t i o na r e a so nt h es u r f a c eo f t h ed a mf o o ta n d r e s e r v o i rb o t t o ma p p e a ru n d e rt h ee f f e c t so fs e i s m i ci n t e n s i t yo f8 3d e g r e e s a n dt h e r e i n f o r c e m e n tm e a s a r ei sp r o p o s e d k e yw o r d s ：c o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a m ( c f r d ) ；n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； e a r t h q u a k er e s p o n s e ；e a r t h q u a k ei n d u c e dp e r m a n e n td e f o r m a t i o n ； e a r t h q u a k e - i n d u c e dl i q u e f a c t i o n ；d e e po v e r b u r d e nl a y e r 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 奎前瑷 弘。7 年4 月) 目日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：查鱼皇塑弘。7 年年月2 廖日 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 世界上曾发生多次破坏性地震，如1 9 0 6 年美国旧金山8 3 级地震、1 9 2 0 年宁 夏海原8 5 级地震、。1 9 2 3 年日本关东8 3 级地震、1 9 5 9 年墨西哥地震、1 9 6 0 年智 利南部地震、1 9 6 4 年阿拉斯加地震、1 9 6 4 年日本新泻7 5 级地震、1 9 6 8 年日本十 胜冲地震、1 9 7 5 年海城7 3 级地震、1 9 7 6 年中国唐山7 8 级地震、1 9 8 9 年美国洛 马普里埃塔7 1 级地震、1 9 4 4 年美国诺斯雷奇地震、1 9 9 5 年日本阪神地震等。地 震是能够引起重大破坏性的自然灾害，液化是造成场地地震破坏的首要原因之一， 已有统计表明地震引起的地基失效有5 0 为液化引起的。2 0 世纪6 0 年代以来， 地震在世界范围内仍然频繁发生，地震造成的液化破坏范围很大。特别是1 9 9 9 年台湾7 6 级大地震、2 0 0 3 年墨西哥地震、2 0 0 5 年智利北部发生8 1 级地震、2 0 0 5 年日本本州东海岸近海发生7 1 级地震、2 0 0 5 年秘鲁北部发生7 6 级地震、2 0 0 5 年巴基斯坦发生7 8 级地震等引起的粉砂液化和地基失效，造成结构大规模破坏， 极大地推动了人们对土体地震失稳破坏的认识研究。这些宝贵的地震资料为分析 液化现象提供了第一手资料i l ，2 1 。 我国地处环太平洋地震带和喜马拉雅山一地中海地震带之间，是一个地震活 动频度高、强度大、震源浅、分布广的国家，西南、西北、华北和东南沿海地区 都是破坏性地震较多的地区，伴随地震而引发了各种破坏现纠”l 。据史料记载， 级以上的强震达1 9 次之多，给人类造成巨大的损失和灾难。如在1 9 6 6 年的邢 台地震、1 9 7 5 年的海城地震和1 9 7 6 年的唐山地震中，海城与天津的很多地区都 发生了粉土、粉砂液化现象。 1 9 6 6 年河北邢台地区发生6 8 级和7 2 级强烈地震。极震区位于隆尧县、宁 晋县、新河县和巨鹿县境内。灾区人民的生命财产受到极大损失。震区处于滹陀 河冲积扇的西南缘，太行山山前洪积一冲积倾斜平原的前缘，古宁晋泊湖积一冲 积洼地及冲积平原之间。滏阳河自西南向东北流经震区中部。极震区内的居民点 多为土坯墙结构的平房，多数分布在巨厚的亚粘土、粘土、粉砂土等沉积物之上。 在地震中，受喷水冒砂、液化的影响，土层承压能力显著降低。 1 9 7 5 年辽宁海城发生7 3 级地震，盘锦地区南河沿东混凝土公路桥岸坡和桥 头路堤开裂，一侧的桥台向河心方向滑移1 3 m ，桥墩倾斜，桥面高低不平，不能 通行。广泛分布的地裂缝是这次地震造成地面破坏的主要现象之一。在地区西部 辽河下游冲积、滨海沉积的平原区，地裂缝宽为十几厘米至几十厘米，最宽可达 3 m ，长一般为几米至几百米，方向复杂多变，以北东向和北西向最为发育，其中 河海大学硕士学位论文 较大的地裂缝多与河流大致平行；东部低山丘陵地区的地裂缝以北东向和北西向 两组最为发育，一般宽几厘米至7 0 厘米，长十几米至几十米，少数长达4 0 0 至 5 0 0 m 。 1 9 7 6 年在河北省唐山、丰南一带发生了7 8 级强烈地震，这是我国历史上一 次罕见的城市地震灾害，北京和天津市受到严重波及，地震破坏范围超过3 万平 方公里，有感范围广达1 4 个省、市、自治区，相当于全国面积的三分之一嘲。极 震区内几乎所有建筑物均荡然无存，在震区及周围地区，出现大量的裂缝带，喷 水冒沙、井喷、重力崩塌，滚石、边坡崩塌，地基沉陷，岩溶洞陷落以及采空区 坍塌等。唐山地区总的直接经济损失达5 4 亿元，公共设施遭受严重破坏，灾情之 大举世罕见。唐山地震造成的地面破坏现象主要是地裂缝和喷水冒砂。唐山地震 震害受地貌影响很大，震区北部为低山丘陵区，基岩裸露或者散沉积物较薄，震 害较轻；南部为冲积、洪积平原，松散沉积物厚，地下水位浅，震害明显加重。 天津地区发生了大面积粉土地基液化现象【2 ”。 随着经济建设的迅速发展、西电东送、南水北调和西部大开发战略的实施， 我国水利工程的建设必将得到快速发展，高坝水库的建设也越来越多。混凝土面 板堆石坝是近二三十年发展起来的一种坝型，以其安全性、经济型、适应性等优 点受到国内外坝工界的普遍重视，是极具发展前途的一种新坝型1 1 。国内外已 建和在建的l o o m 以上的高面板堆石坝已达几十座。我国面板堆石坝的研究和建 设起步较晚，但发展很快，已建和在建的面板堆石坝中坝高在l o o m 以上的就有 1 0 座。在高坝大库中，面板堆石坝占了相当比例，像天生桥、水布垭、紫坪铺、 大柳树、公伯峡、吉林台等高坝都是重要的工程。 一般认为，面板堆石坝具有良好的抗震性能，其主要表现在：面板堆石坝下 游水位以上的堆石体处于干燥状态，地震时不可能产生附加的孔隙水压力而引发 堆石体的液化、强度降低和坝坡失稳等；良好的振动碾压施工方法使坝体材料达 到密实状态，从而具有良好的抗震强度和很小的沉降量；多年来未曾有面板堆石 坝因遭受地震而产生严重破坏的实例。然而值得指出的是，现存的大多数面板堆 石坝都处在中低地震烈度区，并且坝高有限，运行时间不长，经历地震考验不多， 至今还没有一座面板堆石坝经受过强震的考验，因而缺乏实际震害资料和工程抗 震经验i l2 1 。 1 2 混凝土面板堆石坝的研究现状 混凝土面板堆石坝是以堆石为受力主体，上游混凝土面板为防渗主体的一种 堆石坝，常简称为“面板堆石坝”或“面板坝”。现代混凝土面板堆石坝具有剖面 小、安全性能好、对地基要求低、可简化导流、施工方便、工期短、受气候影响 较小、造价低等诸多优点，而日益受到坝工界的重视，并成为有较强竞争力的坝 第1 章绪论 型。 混凝土面板堆石坝的发展大致经历了三个阶段i s , 10 】：早期( 1 8 7 0 1 9 4 0 年) 抛填堆石阶段；过渡期( 1 9 4 0 1 9 7 0 年) 由抛填堆石向碾压堆石发展； 现代阶段( 1 9 7 0 年后) 以碾压堆石为主体特征，同时在坝体结构及施工技术上有 很大的改进，并向高坝发展。 国内外近二十年来对混凝土面板堆石坝进行了较多的研究和总结。1 9 8 5 年美 国土木工程协会举行了面板坝的学术研讨会，研究讨论了各国碾压式混凝土面板 堆石坝的设计，施工和运行特性，其会议文集是现代面板堆石坝的系统文件【l 川； 1 9 8 7 年c o o k e 和s h e r a r d 在a s c e 专辑上对混凝土面板堆石坝又进行了总结和讨 论【1 4 】；1 9 9 3 年在北京举行的国际高土石坝学术研讨会上，介绍了几乎所有已建主 要混凝土面板堆石坝的设计、施工和运行的情况【1 5 】；1 9 9 5 年我国召开了“中国混 凝土面板坝十年”学术研讨会，总结了我国面板坝建设的实践和经验【1 6 】；2 0 0 0 年 在北京又举行了混凝土面板堆石坝国际学术研讨会1 1 7 1 。 随着混凝土面板堆石坝的发展和坝工界认识的不断提高，该坝型的设计也逐 步走向成熟，但也有该坝型溃败和严重破坏、不能正常运行的沉重教训。从某种 意义上说，现代混凝土面板堆石坝的发展，正是建立在堆石料变形的控制上，以 最大限度地减小堆石体的变形，保证面板与其接缝止水的可靠性。因此，为提高 面板堆石坝设计、施工和运行水平，预测坝体的变形分布、面板的应力和变形以 及周边缝和垂直缝等关键部位的变位量是面板堆石坝设计的重要内容之一【l 。 混凝土面板堆石坝的设计和施工在较大程度上依赖于工程经验，但随着对工 程材料筑坝特性以及大坝应力变形模拟技术的深入研究，理论成果在工程设计和 工程运行管理中的指导作用越来越大、特别是对于2 0 0 m 级的高面板坝【l9 】以及在 特殊地形地质条件下的面板坝，如建于深厚覆盖层上的面板坝i 2 0 】，狭窄、不对称 的“v ”形河谷地形条件下的混凝土面板坝1 2 1 】等。 1 2 1 混凝土面板堆石坝静力分析研究 预估坝体的变形分布、面板的应力和变形以及周边缝和垂直缝的张开量和压 缩量等对指导结构设计有重要意义。根据现在科学发展水平，欲达到上述目标一 般有两个途径：一是有限元分析【2 2 1 ，一是土工模型试验【2 3 1 。后者更不成熟。平面 和空间有限元分析的应用，使得能解决各种复杂问题，如估算在施工期，运行期 各种加载与卸载条件下，堆石体和面板的应力与变形的大小和分布；周边缝的变 位；材料强度发挥的程度，从而判定坝体的稳定性。这为堆石体坝料分区、剖面 优化、施工进度安排、运行性态预测提供了依据 2 4 1 。 对坝体的应力和变形计算、稳定和孔隙压力的变化等，则采用一些近似理论 和方法进行分析控制。然而，进行面板堆石坝的静力分析是一项十分重要的工作。 河海大学硕士学位论文 有效的和切实的分析能积极地指导设计。对坝体本身在竣工期和蓄水期的工作性 态如何，应该有个较准确的认识，以指导面板堆石坝的设计。用有限元分析， 就是能同时计算出应力分布和变位分布。根据这些计算结果和材料强度的关系， 可评价坝体内部的安全性( 通过局部安全系数) ，如果进行逐步的非线性分析，还 有可能了解到坝体从填筑到蓄水过程中的逐步破坏现象。 就目前面言，有限元计算分析是进行面板堆石坝应力变形分析的主要手段， 而材料的本构关系又是有限元计算分析的核心问题之一。早期的面板堆石坝应力 一应变分析多采用邓肯张双曲线e 一模型【2 卯，随着土与堆石本构性质试验研究 的深入和计算技术的进步，该模型的缺陷日益突出，1 9 8 1 年邓肯将该模型进行了 修改，提出了e b 模型瞵l 。堆石本构模型还有广义邓肯e b 模型 2 7 1 、剑桥模型 1 2 8 】、奈勒( n a y l o e r ) k g 模型 2 9 1 、“南水”双屈服面模型【3 伽等。以邓肯e b 模 型及双屈服面弹塑性应用较多。屈服面弹塑性模型是沈珠江在吸收邓肯模型和剑 桥模型优点的基础上，经过多年研究与不断完善于1 9 9 0 年最终确立的。该模型即 反映了土与堆石的剪胀剪缩性、应力路径转折后的应力应变特性，同时又可以 采用目前通用的常规三轴试验【3 1 】确定其模型参数，因而在实际工程中得到较多的 应用。 从大量计算分析的结果上看，由于堆石材料应力应变关系具有明显的非线性， 因此，其本构模型必须准确反映这种非线性关系，线弹性模型对于堆石变形的计 算是不合适的。另外，堆石料的剪缩特性对面板的应力有一定的影响，对于堆石 剪缩特性的合理考虑，宜采用弹塑性模型。采用多屈服面，非关联流动法则的弹 塑性模型将是未来面板堆石坝计算分析的发展方向，但这一类模型目前仍面临着 试验方法特殊、计算参数类比性差，以及计算复杂等问题。就目前而言采用邓肯 的模型并结合一些适当的修正，其计算分析的结果基本上是可信的。就工程实用 的角度而言，其计算结果的精度也可以满足工程的要求1 3 2 。 混凝土面板一般处于三向受力状态【3 2 1 。研究表明，混凝土材料在复杂应力状 态下的应力应变关系不是直线关系，在抗压强度的3 0 5 0 范围内应力应变关系 可视为直线，在低应力时塑性应变在在总变形中所占比例很小，当应力水平超过 5 0 时，塑性应变比例增大。殷宗泽教授等根据混凝土三轴试验资料提出混凝土 材料在低应力下的弹模随变化的线性模型以及在高应力水平下的弹模双屈服模 型，并通过实例分析，指出当混凝土材料中应力不接近破坏状态时，两者之间无 大的差别。在面板堆石坝分析中，混凝土面板、混凝土趾板多采用线弹性模型。 顾淦臣【33 】教授等的研究认为，混凝土面板比较大，对混凝土采用分段线性模型。 混凝土面板采用线弹性本构模型。混凝土面板用梁单元、四边形单元、薄板 单元和六面体单元进行模拟以及面板沿厚度方向分为一排和三排单元进行计算比 较，面板单元取法不同，堆石体的应力和位移计算结果基本相同，它主要影响面 板本身的应力和位移。面板采用带角变位的薄板单元不能保证面板单元与相邻接 4 第1 章绪论 单元的位移协调，导致面板应力计算结果不理想，面板角变位的计算方法不会提 高坝体及面板应力应变分析的精度。面板混凝土和堆石料的变形特性相差悬殊， 水荷载作用下堆石体压缩，面板发生挠曲，但面板变形后的曲率不大、弯矩小， 薄板单元和分三排单元的计算结果都证实了弯矩小的结论。不考虑弯矩对面板应 力的影响，不会造成大的误差，面板厚度较小，单元形态比较规则，不会使雅可 比行列式的值太小，不致于在有限元计算中产生大的误差。面板采用普通的四边 形或六面体单元离散能满足要求。 在面板堆石坝的结构中，涉及到刚性的混凝土面板与散粒体堆石的相互作用 面，以及面板纵缝、面板周边缝等接缝系统，因此，在面板堆石坝的数值计算分 析中，需要对坝体结构中各类不同材料的接触面和面板的分缝进行有效的处理。 由于接触面两侧材料性质相差悬殊，在外力作用下，通常都会表现出与连续体不 同的剪切滑移、脱开分离等特殊的变形特征。为反映两材料间的相互作用，进行 有限元分析时，接触面的模拟常采用无厚度的g o o d m a n 单元刚和d e s a i 提出的薄 层单元【3 卯。接缝采用了分离缝、复合板模拟、自由面模拟、软单元以及止水连接 单元等模式。面板缝( 混凝土面板与面板之间) 以及周边缝( 面板与趾板之间的 接缝) 中设计各种止水材料，将其相互连接起来以防止漏水，并允许一定的相对 变形。常用的止水材料有铜片、塑料、不锈钢片及各种嵌缝填料。河海大学【3 6 1 、 四川联合大学口7 1 等对止水铜片、止水塑料、不锈钢波纹片等进行了一系列试验研 究工作，提出了用于接缝单元分析的力与相对位移关系式。对于接缝的模拟计算 还处在不断的探索之中。 1 2 2 混凝土面板堆石坝动力分析研究 面板堆石坝特别针对高坝抗震特性的分析同样是一个重要研究课题。根据面 板堆石坝的结构特点及一些堆石坝遭遇地震后的调查情况，认为用薄层碾压填筑 的面板堆石坝具有良好的抗震性能。到目前为止，经过地震考验的几座面板堆石 坝的峰值加速度都未超过o 2 9 ，也就说，在强地震作用下面板堆石坝的性态还未 受到实际检验。因此，国内外学者对强地震区面板堆石坝的性态及抗震措施进行 了广泛的研究。 国内外许多学者在面板堆石坝的抗震稳定性和动力分析方面作了大量专门性 研究与探讨。一般结论认为地震等动力因素不会在堆石体中产生孔隙水压力，或 孔隙水压力不足以危及坝体的稳定；地震作用由于混凝土面板与堆石的震动频率 存在差异，两者之间的相互协调比较重要，面板一旦产生开裂与漏水并不会危胁 大坝的稳定，但变形有一定程度的增加；由于面板堆石坝的整体刚度较其他土石 坝高，故不会过分地放大地震加速度值，但在坝顶一定范围内最好采取加固措施， 以防动力荷载引起的震陷，对于强震尤应给予重视i 3 8 】。 河海大学硕士学位论文 国外关于面板堆石坝的抗震分析、对面板及堆石体之间的相互作用等问题不 做特殊处理，地面运动也仅考虑水平地震输入。如1 9 8 8 年美国的西特( s e e dh b ) 教授等【3 9 1 就利用上述简化的方法且不考虑库水对坝体的影响，对面板堆石坝典型 剖面进行了二维有限元分析，除了计算坝体的地震加速度反应外，还根据坝内加 速度反应用改进的n e w m a r k 滑块位移法对下游坝壳的可能变形进行了预测。美国 的布里奥( b u r e a u ) 等【柏】采用堆石料的弹塑性摩尔- 库伦( m o l a r - c o u l o m b ) 模型， 根据堆石材料内摩擦角随有效应力的变化曲线定义了一个变化的屈服面，引进液 体单元和液固接触面单元，对l o o m 高的理想面板堆石坝进行了整体变形分析。 国内关于面板堆石坝的动力计算与抗震分析研究更加深入细致一些。河海大 学顾淦臣教授【4 1 1 于1 9 8 5 年以实际面板堆石坝为研究对象作了二维非线性动力分 析，计算中考虑了面板混凝土的动力非线性弹性模量和强度是应力速度的函数， 并在面板与堆石之间设置接触面单元。此外，面板与垫层平面间的抗滑稳定、下 游坝坡的抗滑( 圆弧滑动) 稳定，都按滑裂面上的静、动应力之和校核抗震稳定 安全系数。1 9 8 6 年开始将二维分析推广到三维分析，并考虑了动水与坝的相互作 用，将水体划分为空间单元连结于坝体单元，求得附加质量矩阵。通过对若干实 际工程的计算预测面板堆石坝的工作性态，为改进结构设计提供了依据。迟世春 【4 2 1 进行了考虑水体压缩性与不考虑水体压缩性的对比分析，结果表明，在计入动 水压力影响的情况下，考虑水体的压缩性与不考虑水体的压缩性得到的结构动力 反应量差别很小。考虑水体的压缩性后，动力分析却变得十分复杂。一般的混凝 土面板堆石坝的动力分析中，不考虑水体的压缩性。 大连理工大学韩国城、孔宪京等 4 3 ，4 4 l 开发了二维、三维面板堆石坝动力分析 的计算机程序。用简化的水体单元( 体应力等于水的体积压缩模量乘以体应变) 模拟流固耦合，用b f g s 方法进行完全非线性的动力迭代计算，对堆石采用弹塑 性的德拉克普拉格( d r u c k e r - p r a g e r ) 模型，计算了面板堆石坝在强震作用下的 动力反应和永久变形。 沈珠江 4 5 ，4 6 等对破碎后的堆石料进行了振动三轴试验，测得试样在振动过程 中的体积动态变化过程，在此基础上建议了一个计算堆石坝地震永久变形的计算 模式。在地震永久变形的计算中，整个地震过程分成若干时段，对每个时段进行 逐步积分，求得该时段由地震引起的永久体积应变和剪应变增量，按初应力法将 其转化为虚荷载加到各单元结点，再用总应力法进行静力分析，得到时段结束时 单元结点永久变形增量，将每一时段的永久变形量累加，即可求得地震永久变形。 四川大学刘浩吾等【4 7 】用动力波振法进行面板堆石坝的行波分析，比较了不同地震 输入下坝体动力反应的特点、规律和对抗震安全的影响。 影响混凝土面板堆石坝动力特性的因素较多，从目前总的做法来看，均是将 各影响因素分别进行考虑，因而理论分析结果与实际特性尚有很大的出入。面板 堆石坝动力计算与地震反应分析仍然是一个值得深入研究的问题。 6 第1 章绪论 1 3 地震液化的研究现状 在地震作用下，土壤承受往复剪应力作用，从而产生超静孔隙水压力，孔隙 水压力增长的结果，便会导致饱和砂( 粉) 土的承载力降低，最终可能发生破坏。 地震液化是一个涉及面很广且较为复杂的问题，不仅与地震的输入、饱和土的特 性有关，还与场地、基础和上部结构的相互作用等有关，至今对它的研究内容和 方式方法已是多种多样。 最早的地震液化研究出自c a s a g r a n d e 的经典工作。其后，我国的黄文熙【4 柳 教授在1 9 5 9 年讨论了这一问题。而后，汪闻韶【4 9 】教授基于室内试验结果，曾提 出一个孔隙水压力的增长模式。但地震液化问题引起人们的广泛重视是在1 9 6 4 年美国a l a s k a 地震和日本新泻地震之后。s e e d 等人【5 2 】提出的基于室内试验和液 化简化分析方法，其研究结果得到很高的赞誉，开创了液化分析的一个新阶段。 早期的液化研究目标主要是为了得到液化条件，以预报液化的产生，室内实 验仪器主要为单剪和三轴剪切仪。为了防止和减轻液化灾害的产生，人们重点在 液化的产生条件、预报方法及防护措施等方面进行了大量实验和理论上的研究， 并取得了一系列的成果 5 3 - 5 5 l 。 1 3 1 国外地震液化研究 早在1 9 3 6 年，美国的c a s a g r a n d e 就对砂土液化问题开展了一些研究工作， 并且提出用临界孔隙比法作为饱和砂土液化的判别方法；1 9 4 8 年，t a y l o r 对该判 别方法的异议，使人们开始探索其他途型5 6 1 。s e e d 5 7 一s l ，f i n n 5 9 ，6 0 1 ，i s h i h a r a 6 i l 等在液化研究方面也作了重要的工作，他们从6 0 年代初开始进行了大量的实验研 究，s e e d f 6 2 1 ，f i n n f 6 3 j 等还对欧美国家从6 0 年代初到8 0 年代初的振动荷载作用下 饱和砂土的液化工作做了总结。1 9 7 5 年s e e d 等【删正式地提出经验法，该方法具 有简明实用的特点，是一个在工程中很实用的方法，可以说是液化研究的一个里 程碑。因为它直接包括了现场真实响应的一些复杂的和不确定的因素，但是其往 往局限在特定的地区，并且很难用来计算二维效应。 就液化的评价准则而言，大致存在着以s e e d t 5 2 】等人为代表的循环活动性准则 和以c a s a g r a n d e l 6 5 】为代表的临界孔隙比准则，不同的液化评价准则相应地代表了 土体液化的不同研究途径。对于地震液化的研究方法，大致可以分为总应力分析 方法和有效应力分析方法两大类，以下就根据这两类方法来简述国外液化研究的 发展。 1 3 1 1 总应力分析方法 总应力法是直接依据土的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 7 河海大学硕士学位论文 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 i 钢 法为代表，但是该法是一维总应力法。该法定义地震时砂土的平均动剪应力强度 小于一定的动剪应力强度时砂土发生液化。m i c h e a l 和p e t e r l 67 】利用基于总应力法 来评估斜坡液化后期的位移，并且模拟了1 9 7 1 年s a nf e m a n d o 地震时上游的s a n f e r n a n d o 大坝的响应。随后s e e d 等【删人又提出二维总应力法，该法是个平面应 变问题，但同样做了土的有效内摩擦角在往返荷载下与静荷载下相同以及土单元 的水平面为液化破坏面的假定。m e j i a 和s e e d 于1 9 8 1 年将总应力法推广到三维 空间，计算采用频域的方法进行，考虑了土的动力非线性1 6 9 - 7 “。目前更被研究人 员推广的是将经验法和总应力法相结合，称为总应力合成法，这一方法已在北美 工程实际中推广应用。 1 3 1 2 有效应力分析方法 有效应力法以总应力法为基础，本构模型仍采用等价粘弹性体，但是在每一 时段末增加了残余孔隙水压力或残余变形的计算。1 9 6 6 年，s e e d 和l e e 7 2 1 发表了 采用振动三轴试验模拟饱和砂层在地震波水平循环剪切作用下砂土地震液化的定 量分析结果，在其研究中以孔压值作为判断砂土是否发生液化的依据，并提出其 后被广泛引用的“初始液化”的概念。1 9 7 6 年，f i n n 等人首次提出了将孔隙水压 力逐渐增长量与动力反应分析联系起来的有效应力分析法l ”1 。之后，关于砂土地 震液化及与地震液化密切相关的振动孔隙水压力变化规律的研究得到迅速发展。 上世纪7 0 年代，s e e d 、m a r t i n 和l y s m e r t 7 4 帐据振动三轴试验成果，提出了 一个振动孔隙水压力与振动次数间关系变化的孔压模式，这一模式主要针对土体 为等向固结的条件。1 9 7 5 年，i s h i h a r a 等【7 5 l 提出了孔隙水压力发展的有效应力模 型，能清晰地反映饱和砂土振动开始到初始液化发生所经历的应力路径，有助于 理解孔隙水压力发展的起伏波动性，但它不能很好体现动荷载下饱和砂土实际交 替变化和孔压起伏波动的规律性，并且对初始液化、屈服方向独立性及孔压特征 的假定也不尽合理。y o u d 于1 9 7 0 年将孔隙水压力的发展与振动过程消耗的能量 联系起来而提出了孔压的能量模式，该模式将孔压与振动过程中消耗的能量联系 起来1 7 6 】。1 9 7 9 年，n e m a t - n a s s e r 和s h o k o o h 发表了从能量角度研究振动下均匀松 砂的震密和孔隙水压力增长的机理及其相应的理论，由于能量是一个标量，所以 还可用这种方法通过叠加原理来解决复杂荷载下的动力问题7 ”。e n e n 和m a h e r 基于对含细粒的o t t a w a 砂的常规三轴动力试验结果验证了n e m a t n a s s e r 和 s h o k o o h 提出的孔压增长理论模型，并探讨了细粒含量对孔压增长的影响1 7 ”。 m a r t i n 等人于1 9 7 5 年提出了孔压的应变模式，认为不排水条件下的振动孔隙水压 力等于排水时永久体积变形与回弹模量的乘积，它直接和动力分析中的应变幅联 系起来，因此目前己成为i l 压研究的一个重要方向，但它原则上只适用于在静力 上处于压缩状态、动力上处于剪切或纯剪状态的土体【7 9 1 。1 9 8 1 年，f i n n 利用内时 8 第1 章绪论 理论建立了饱和砂土在循环荷载作用下孔隙水压力计算模型，将孔压与某一单调 增长的内时参数联系起来，内时理论把土看作非线性弹塑性材料【舯1 。 1 3 2 我国地震液化研究 我国振动液化方面的开创性的工作应归功于我国学者黄文熙教授、汪闻韶教 授等。汪闻韶、黄文熙在上世纪5 0 年代末和6 0 年代初相继在砂土液化方面做了 一定研究，提出了饱和砂土振动孔隙水压力比与振动加速度和固结应力比的关系， 开辟了我国科研工作者进行土的液化研究的领域。汪闻韶 4 9 1 基于室内试验结果， 提出了一个孔隙水压力的增长模式，考虑了扩散、消散等问题，并利用有限差分 法给出了计算实例。黄文熙【4 8 l 认为圆筒振动液化实验不符合砂坡和砂基中的应力 条件，他在1 9 5 9 年倡议使用动三轴仪来进行，并为国内外重视和采纳。 谢定义【引，s 2 、魏汝龙【s 3 】、沈珠江【州等在砂土振动孔隙水压力的产生和消散问 题的理论研究及在工程计算中的应用等方面作了大量研究。谢定义提出了孔压的 瞬态模式，将振动荷载作用下的孔隙水压力分为应力孔压、结构孔压和传递孔压 三种基本形式，并认为任何瞬态确定的孔压为三者之和，揭示了孔隙水压力瞬态 起伏波动的规律性和平均过程单调增长性的内在原因。魏汝龙基于振动单剪仪， 对粉砂液化进行了研究，提出了表示动荷载大小和循环荷载周数的综合影响的动 力作用综合因子。沈珠江从砂土变形的微观机制出发，考虑了最小能原理、颗粒 滑移机理、硬化机理及剪胀机理，并基于这些认识给出了一个包括1 0 个参数的砂 土本构模型，借此对正弦荷载下的孔压增长进行了计算。 张克绪瞰8 6 1 、何广讷陋7 1 、徐志英【8 8 ，8 9 1 等对砂土、粉土和粉煤灰等的液化问题 作了大量的研究，探索了剪切荷载作用下孔隙水压力的变化规律、砂土的本构特 性和液化的发展过程等。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 一维总应力法中假定的应力条件与实际应力条件不一致的缺点，并给出了液 化判别式。1 9 8 7 年何广讷等考虑到砂土的非线性振动反应和多因素影响，从而采 用内时理论将本构关系表达为单一的内缓变量的函数。徐志英等开发了二维有效 应力动力分析方法，利用等效线性迭代法，通过模型变化修正应力应变关系，进 行坝体的液化动力分析。 此外，门福录和崔杰 9 0 - 9 3 】从两相介质相互作用的观点出发，探讨了砂土液化 问题，门福录还提出了剪切液化和水力液化的不同机理，并提出了r a y l e i g h 波可 能是地震液化的主要动因的新观点。崔杰 9 4 , 9 5 l 用两相介质理论做了进一步论证， 提出了一种从机制上可更合理的解释砂土液化的机理分析方法，从而可以同时把 土一水相互作用，惯性力，水渗流和各种非线形影响因素考虑在内，并可同时求 解出土、水的运动和应力状态。 9 河海大学硕士学位论文 1 4 土体地震液化机理及影响因素 1 4 1 液化机理 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，砂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，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，即认为士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。 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 r a n d e 提出的临界孔隙比( 临