（岩土工程专业论文）粉土和粉砂的动力特性及地震液化研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要2 0 0 0 年9 月 摘要 一f 人们对于饱和砂土的动力特性和液化势研究已经进行得很多，但实际工程 中的土常含有一定粘粒成分，这些含有少量粘粒的粉土或粉砂在地震中也有液 化的危险，因此研究粉土、粉砂的动力特性，评估它们在地震作用下的液化可 能性，具有重要意义。 通过共振柱试验和不排水动三轴试验，本文分析研究了应变幅、有效围压、 土颗粒组成和结构性对动荷载下钱塘江粉土和粉砂的剪切模量、阻尼比和应力 一应变关系的影响，得到较为完整的粉土和粉砂的动力变形曲线，并用 h a r d i n d m e v i c h 的修正双曲线模型拟合了土体的动应力应变关系了 本文结合现场跨孔法与共振柱试验进行比较，分析了室内试验的剪切波速 小于现场测试值的原因，认为重塑试样若是仅采用密度为控制指标不足以再现 土体的动力特性和抗液化强度。在前人对剪切波速和土体液化势关系的研究基 础上，提出采用剪切波速作为试样制备的另一个控制指标，将室内试验和现场 资料有机地联系起来，在试样的剪切波速和密度与现场土体一致的条件下，研 究体的液化势。 一l 利用新研制的弯曲元测试系统，对士样的剪切波速进行监控，通过小应变 幅的排水振动提高试样的剪切波速至预定值，实现对土样剪切波速的控制。在 此基础上，通过不排水应变控制循环三轴试验结果研究了饱和粉土和粉砂的液 化性质。本文对比了未振样和预振样的试验结果，讨论了预振对土样的剪切模 量g 、孔压发展和液化临界剪应变的影响，认为预振使重塑样结构更接近于 现场天然沉积土，采用同时控制土样的密度和剪切弹模的方法，能使重塑土样 更真实地反映土的抗液化性质。 本文还提出液化临界剪应变垴是随着液化振动次数m 变化的，是地震震级 和烈度的函数，不应是一个常数，文中给出了相应于不同地震烈度的液化临界 剪应变的变化范围和均值，并用参考剪应变消除围压的影响，得到了粉土和粉 砂的液化振动次数，和x 之间的关系式。 本文在d o b r y 和汪闻韶的临界剪切波速液化判别法的基础上，根据试验结 果，提出了一种新的利用剪切波速进行液化判别的方法，利用该新方法和其它 一些常用的判别方法对钱塘江地区饱和粉土、粉砂地基的液化可能性进行了评 估。 j j 、 j、 关键词：压电陶瓷，弯曲元，粉土，粉砂，剪切波速，动剪弹模，修正双曲线 模型，应变控制动三轴试验，液化势j 临界剪应变 i v 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t2 0 0 0 年9 月 a b s t r a c t t h es t u d i e s0 1 1d y n a m i cb e h a v i o ra n dl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c eo fs a t u r a t e ds a n d s h a v eb e e nc o n d u c t e de x t e n s i v e l yi nl a b o r a t o r y m o s to ft h es t u d i e so nt h i ss u b i e c t h o w e v e r , h a v eb e e n1 i m i t e dt oc l e a ns a n d s o nt h eo t h e rh a n d ，s o i l sc o n t a i n i n gs o m e f i n e sa r ef a rm o r ef r e q u e n t l ye n c o u n t e r e dt h a nc l e a ns a n d si ns i t u m o r e o v e r , t h e r e a r em a n yc a s e sw h e r em es o i l sk n o w n h a v i n gl i q u e f i e dw e r es i l t ys a n d so rs a n d ys i l t s c o n t a i n i n gac e r t a i np e r c e n to ff i n e s i ti so fc r i t i c a li m p o r t a n c et os t u d yd y n a m i c p r o p e r t i e so fs i l t ys o i l sa n d t h e i rl i q u e f a c t i o np o t e n t i a ld u r i n ge a r t h q u a k e s i nt h ed i s s e r t a t i o n r e s o n a n tc o l u m nt e s t sa n du n d r a i n e dc y c l i ct r i a x i a lt e s t sa r e p e r f o r m e d o n l a b o r a t o r y - p r e p a r e dr e c o n s t i t u t e ds p e c i m e n so f s i l ta n d s i l t ys a n df r o m q i a n t a n gp d v e ra r e a c o m b i n e dw i t lt h er e s u l t so f t h et w os e r i e so ft e s t s t h ew h o l e c u r v e so f n o r m a l i z e ds h e a r m o d u l u s ，g g 倒a n dt h ed a m p i n gr a t i o ，dv s s h e a rs t r a i n ， ya r eo b t a i n e d t h em o d i f i e dh y p e r b o l i cm o d e l p r e s e n t e db yh a r d i na n dd m e v i c hi s u s e dt oe v a l u a t et h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po ft h es t u d i e ds o i l s f u r t h e r m o r e ，t h e i n f l u e n c eo fs t r a i na m p l i t u d e ，c o n f i n i n gp r e s s u r e ，d i f f e r e n tg r a i nc o n t e n t sa n ds o i l s w a c b l r eo nd y n a m i c p r o p e r t i e so f s i i t sa n d s i l t ys a n d sa r ed i s c u s s e d i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ef i e l ds h e a rw a v e v e l o c i t yt e s t e db yc r o s s h o l em e t h o d i s u s u a l l y 1ot ol5p e r c e n tg r e a t e rt h a l lt h a tm e a s u r e db yr e s o n a n tc o l u m nt e s t s t h o u g ht h ed e n s i t yo ft h er e c o n s t i t u t e ds p e c i m e n sa r et h es a m ea st h a ti n s i t u i t s h o w st h a tm a i n t a i n i n gt h ei n i t i a l ( b e f o r ec y c l i c l o a d i n g ) d e n s i t yo ft h es p e c i m e n e q u a lt ot h ei n s i t us o i ld e n s i t yc a n n o tb y i t s e l fi n d i c a t et h es a m ed y n a m i c p r o p e r t i e s a n dl i q u e f a c t i o np o t e n t i a la si nt l l ef i e l d i n i t i a l ( b e f o r ec y c l i c1 0 a d i n g ) s h e a rw a v e v e l o c i t 、f ( o re l a s t i cs h e a rm o d u l u s ) i ss e l e c t e da sa n o t h e rp a r a m e t e rf o rr e m o l d e d s p e c i m e n s f o r g o o d c o r r e l a t i o nw i t l ls o i l l i q u e f a c t i o n r e s i s t a n c ei ns i t u t h e e v a l u a t i o no f l i q u e f a c t i o ni so n t h ec o n d i t i o nt h a tt h er e c o n s t i t u t e ds p e c i m e np e r s i s t s b o t hd e n s i t ya n ds h e a rw a v ev e l o c i t ya si ti n s i t u b e n d e re l e m e n t sa r ed e v e l o p e do na l l e x i s t i n g2 h zd y n a m i ct r i a x i a lt e s t i n g s y s t e mi ns o i lm e c h a n i c sl a b o r a t o r yo f t h eh o n g k o n gp o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y t h e i m p r o v e ds y s t e m a l l o w sf o r d i r e c t l ym e a s u r i n g t h e v e l o c i t y o fs h e a rw a v e t r a n s m i t t e dt h r o u g has o i l s p e c i m e n b a s e do nt h en e ws y s t e m ，u n d r a i n e dc y c l i c s t r a i n - c o n t r o l l e dt e s t sa r ec o n d u c t e dt oe v a l u a t et h el i q u e f a c t i o np o t e n t i a lo fs i l t sa n d s i l t ys a n d s w h o s es h e a rw a v ev e l o c i t y ( o re l a s t i cs h e a rm o d u l u s ) w e r ec o n t r o l l e db y p r e s t r a i n i n g t h ev a r i e dr a n g ea n dm e a nv a l u eo fc r i t i c a ls h e a rs t r a i na r ep r e s e n t e d b a s e do nm et e s tr e s u l t s ag r o u po ff a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h el e s u l t so ft h et e s t s i sd i s c u s s e d v 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t2 0 0 0 年9 月 c o m p a r i s o nh a sb e e nm a d eo nt h et r a d i t i o n a lp r e p a r e ds p e c i m e n s w h i c hh a v e o n l yt h es a m ei n s i t ud e n s i t y , a n dt h es p e c i m e n s ，w h i c hh a v eb o t ht h es a m es h e a r w a v e v e l o c i t ya n di n s i t ud e n s i t y p r e s t r a i n i n gh a sd e f i n i t ee f f e c t so ni n c r e a s i n gs h e a r m o d u l u s 。s i m u l t a n e o u s l ys l o w i n gd o w nt h ed e v e l o p m e n to fp o r ep r e s s u r ea n dt h u s s 廿e n g t h e n i n gt h el i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c eo ft h es p e c i m e n s o b v i o u s l y , t h ep r e v i o u s s t r a i nh i s t o r yc a nr e c o v e ro ra t1 e a s tp a r t l yr e c o v e rt h es t r u c t u r eo fn a t u r a ld e p o s i t si t s e e m st h a tt h er e c o n s t i t u t e ds p e c i m e n sr e p r o d u c e dt h ei n s i t um o d u l u sa n dd e n s i t y t o g e t h e rc a n r e f l e e ll i q u e f a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l si nt h e 矗e l dm o r e a c t u a l l y t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec r i t i c a ls h e a rs t r a i ni saf u n c t i o no fc y c l i cn u m b e r ， w h i c hm e a n st h ec r i t i c a ls h e a rs t r a i ni si n c o n s t a n ta n dv a r i e dw i t l lt h ee a r t h q u a k e m a g n i t u d ea n di n t e n s i t y b a s e do nt h et e s tr e s u l t s ，t h er e l a t i o no fc y c l i cn u m b e rv s t h er a t i oo fc r i t i c a ls h e a rs t r a i nt oi t sr e f e r e n c es h e a rs t r a i ni sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r an e w a p p r o a c hb a s e do n t h eu s eo f t e s tr e s u l t sa n dt h ec o n e e p t so f c r i t i c a ls h e a rs 仃a i na n dc r i t i c a ls h e a rv e l o c i t yw h i c ha r ep r e s e n t e db yd o b r ya n d w a n gw e n s h a oi sd e v e l o p e dt o e s t i m a t ei n i t i a l l i q u e f a c t i o no fs o i l s e v e r a lo t h e r c o m m o nm e t h o d sa r eu s e dt oe v a l u a t el i q u e f a c t i o np o t e n t i a lo fs i l ta n ds i l t ys a n d d e p o s i t s ，e g s pt ，s i m p l i f i e dm e t h o ds u g g e s t e db ys e e dh i sc o l l e a g u e s ，d y n a m i c f i n j t ee l e m e n tm e t h o d n l er e s u l t so b t a i n e db yt h e s ed i f i e r e n tm e t h o d si n d i c a t et h a t c y c l i ci i q u e f a c t i o na n di t se v a l u a t i o na r eo fg r e a tc o m p l e x i t y l i q u e f a c t i o na n a l y s e s r e q u i r ec a r e f u ls e l e c t i o no f a l lp a r a m e t e r sa n dt h ei n t e r p r e t a t i o no f a n a l y t i c a lr e s u l t s m u s tb em a d eo nt h eb a s i so f e x p e r i e n c e d p r o f e s s i o n a li u d g e m e n t k e y w o r d s ：p i e z o c e r a m i c ，b e n d e re l e m e n t ，s i l t ，s i l ts a n d ，s h e a rw a v ev e l o c i t y , e l a s t i cs h e a rm o d u l u s ，m o d i f i e dh y p e r b o l i cm o d e l ，s t r a i n - c o n t r o l l e d t r i a x i a lt e s t ，l i q u e f a c t i o np o t e n t i a l ，c r i t i c a ls h e a rs t r a i n 浙江大学博士学位论文第一章2 0 0 0 年9 月 1 1 粉土及其研究现状简介 第一章绪论 建筑地基基础设计规范g b j 一8 9 中将粉土定义为塑性指数i n 1 0 ，粒径 大于0 0 7 5 m m 的颗粒含量不超过全重5 0 的土。这种土，在我国沿海及内陆 各省市都有分布。 粉土是一种具有特殊工程性质的土。它属于低塑性土，一般7 0 以上的粒 组是粉粒和细、极细砂粒，比表面积不大，毛细现象活跃。与粘性土相比，粉 土渗透系数较大，对地基排水固结有利。根据成因不同，粉土可以分为冲积粉 土、洪积粉土、坡积粉土和残积粉土四种类型【”。随着原始地貌位置和沉积环 境的不同，在地势较高的位置易形成残积粉土，而在台地的中下部易形成坡积 粉土，在平缓的平原处则形成冲积粉土。不同类型的粉土具有不同的野外特征， 如残积粉土因未被搬运，不仅没有层理等构造，而且颗粒分选差，但细粒含量 相对较多；坡积粉土自上而下呈由粗而细的分选现象；洪积粉土常具有不规则 交错层理及夹层等构造；冲积粉土则具有较好的磨圆角，粗细颗粒分选较好并 有清晰的层理。 不同成因类型的粉土有其各自的物理力学性质。但不论何种成因的粉土， 结构性都比较差，在野外钻探取土和运输过程中极易扰动失水，而使室内试验 结果失真。同时，其活跃的毛细现象给塑限、液限及塑性指标的测试造成了困 难，使试验误差增大。剪切试验时，在竖向压力下比粘性土易排水固结，快剪 的内部应力接近慢剪的有效应力。因此会得到偏大的内摩擦角，而粘聚力却比 较小。 同时，粉土在地震荷载作用下，容易发生液化1 6 ) 。在我国海城、唐山地震 时，不仅饱和的细砂地基产生液化，而且饱和的粉土、粉砂地基也产生了液化， 给农田，水利设施，桥梁及各种工业民用建筑造成了严重的损害。国内外以净 砂、细砂为主进行的地基液化研究已进行的很多，而对粉土地基的液化及动剪 强度问题，还未能象砂土那样明确提出具体的判别方法和标准。 由于粉土在物理力学性质、土的颗粒组成和孔隙中薄膜水等引起的物理化 学及强度等特性与砂土不同，在动荷作用下产生的超孔隙水压力及残留孔隙水 压力上还存在许多问题，使得影响粉土液化特性的因素很复杂【2 】口1 。因此，在 地基抗震稳定分析中，进行粉土地基的动力特性、动剪强度和液化问题的研究， 探讨其规律性，具有重要的实际意义。 国内外目前对粉土的研究主要有：粉土承载能力【4 7 】，粉土的工程地质性 浙江大学博士学位论文第章2 0 0 0 年9 月 质，粉土的动力性质【5 j 1 6 m 1 。其中对粉土动力特性的研究多借助于动三轴试验 来研究土的液化特性，多集中于粉土中粘粒含量、塑性指数等对抗液化强度的 影响，综合考虑粉土的应力一应变关系、动强度、阻尼、液化特性，并兼顾到 粉土结构性的模拟研究还很少见。 1 2 土的震动液化研究发展 我国是一个多地震国家，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。伴随地震常常发生的各种破坏现象，若不考虑上部结构的影响， 对自由场而言，因地震引起的地基震害可分为两个部分：一是土体对地震运动 的放大效应，地震时地面运动的震动强度( 如地面运动最大加速度、震陷等) 是导致上部建筑物破坏的直接原因。通常地震波从基岩通过一定厚度的土层传 到地表面，土体会将地震波放大，使地表面地震最大加速度、振幅等大于基岩。 地基愈松软，放大效应愈明显，震害也愈严重。二是土体的震陷，这是由于土 经受振动后产生孑l 压使土体软化以及惯性力直接效应综合形成的附加变形。这 种软化主要是因为土中孔隙水压力的增长，有效应力减小，土强度及变形模量 随孔压的升高而降低。当孔压的上升超过上覆压力时，就会造成地基液化。 液化对地面构筑物的破坏是严重的，造成的损失是巨大的。在我国，】9 6 6 年的邢台地震引起的砂土喷水冒砂，造成建筑物严重破坏；1 9 7 5 年辽宁海城地 震，震区西部大面积砂基液化，给公路、桥梁、水利设施、地下管道等造成了 严重的损害；1 9 7 6 年唐山地震时，使唐山地区发生了大面积的地基液化，造成 了密云水库等多处堤坝表面保护层的流滑现象；1 9 9 9 年9 月，台湾发生的7 2 级地震，同样也伴随有液化现象发生，造成房屋倒塌、地面开裂等多项事故。 在国外，除了早期的日本新泻地震和美国阿拉斯加地震外，近年来，又有多次 地震m 】也都引起大规模土体液化，造成了巨大的经济损失。 饱和无粘性土与少粘性土体的震动液化势预测，一直是土动力学与土工抗 震研究中的一个重要课题，在国内外都得到了广泛的重视和研究。这些研究主 要集中在震动液化产生机理和条件，影响因素，抗液化强度的确定以及液化产 生可能性的评价方面”。 1 2 1 液化机理 美国土木工程师协会岩土工程分部土动力学委员会1 9 7 8 年对“液化”一 词的定义就是“液化任何物质转化为液体的行为或过程。” 9 1 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，对土液化机理的认识，却有两种明显不同的观点m “。 浙江大学博士学位论文第一章2 0 0 0 年9 月 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。当土的动荷作用的任何一个瞬间开始出现 这种应力状态时，即认为土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的威胁。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或刚度，来分析土体的应力、应变以及 稳定性。这种观点以s e e d t ”】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 或应变，而不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，但土体由于土结构破坏 和孔压上升而引起的强度弱化，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 提出的临界孔隙比的概念，将土分 为剪缩性土和剪胀性土。( 1 瞄界孔隙比是指剪切过程中既无剪缩又无剪胀的孔 隙比。) 并提出了稳态变形和稳态强度的概念，所谓稳态变形是指土在一定常 法向有效应力和一定常剪应力作用 下产生的常体积和常速度连续变形 的状态( 即流动性交形) ，此时的 剪应力即稳态强度。流动破坏只发 。 生在剪缩性土中，由于剪缩性土在； 剪切过程中必将出现不断的剪缩，l ： 使土中的孔隙水压力继续升高，土! 的抗剪强度会迅速降低到稳态强 度。故破坏一经开始，就必然带有 流动特征，表现为液化流动破坏。 c a s a g r a n d e 在固结不排水三轴试验 。 中采用定荷加载( d e a d 1 0 a d i n c r e m e n t s ) 方式，在试验室内观 察到了“流动结构”的现象，由于 具体的条件不同，这种流动破坏具 。 有不同的形态，如图1 1 所示。图。 中b 形式，虽然也出现了一段流 滑，但是当应变到达一定数量后， t 有所停滞和回胀，被称为“有限液 化”或“有限流动”。这种观点以 c a s t r o ，r o b e r t s o n ! 1 1 】【”1 等人为代表。 - 、。苎? 彳 厂、 。 陋 图1 1 三轴试验中的流滑现象 ( c a s a g r a n d e ，1 9 7 9 ) 浙江大学博士学位论文第章2 0 0 0 年9 月 现在对于砂土液化机理，普遍认为主要有以下三种2 】【”】： 1 砂沸( s a n db o i l ) 当一个饱和砂沉积体中的孔隙水压力由于地下水头变化而上升到等于或超 过它的上覆压力时，该饱和砂沉积体就会发生上浮或“沸腾”现象，并且全部 丧失承载能力。这个过程与砂的密实程度和体积应变无关，而是渗透压力引起 的渗透不稳定现象，渗透压力与土中的孔隙水压力分布有关。这种孔隙水压力 场的变化可以是非动力作用的渗流场改变所造成的，( 如地下水位上升) ，也可 以是动力作用( 如地震) 引起的间接或直接孔隙水压力上升所造成的。出现砂 沸的条件并不涉及上覆砂层的体积应变特性( 剪胀或剪缩) 。 2 流滑( f l o ws l i d e ) 流滑是饱和松砂的颗粒骨架在单程剪切作用下，呈现出不可逆的体积压 缩，在不排水条件下，引起孔隙水压力增大和有效应力减小，最后导致“无限 度”的流动变形。饱和砂土在流滑时的孔隙水压力趋近于周围压力a ，但仍略 小于g ，表明当时仍存在一定有效法向压力和残余抗剪强度，后者与砂土中的 剪应力取得平衡。流滑现象在循环剪切作用中也能产生。所有上述具有不同初 始应力状态( 等向或非等压固结) 通过不同应力路径( 单程加载或循环加载) 产生的流滑现象，在流滑时的状态都落在临界孔隙比的分界线上。 3 循环活动性( c y c l i cm o b i l i t y ) 循环活动性主要曾被发现于相对密度较大( 中密以上到紧密) 的饱和无粘 性土的固结不排水循环三轴或循环单剪和循环扭剪试验中。即仅在循环周期中 的某些时刻( 瞬间) 可以得到“= o ，。加载前期的累积剪缩( 孔隙水压力上升) 和后期的加载剪胀和卸载剪缩交替作用，就形成了饱和砂在循环剪切作用下出 现的循环活动性。循环活动性的物理机制是比较复杂的，从宏观来看，可认为 与试件在循环作用中的剪缩和剪胀交替变化有关，从而形成了间歇性瞬态液化 和有限度断续变形的格局。对于只有剪缩而无剪胀的饱和松砂则不会出现循环 活动性，只能出现流滑。 流滑和循环活动性分别是从力和位移的角度看液化问题。上面三种机理虽 有区别，但又互有联系。 1 2 2 液化影响因素 砂土液化影响因素问题的研究从6 0 年代就已开始t “1 【”儿l “，一直都没有间断 过7 】，而且发展到研究不同液化机理产生的液化的影响因素方面| 1 8 1 1 5 ”。研究表 明，饱和砂土发生液化，取决于一系列因素的综合影响。影响液化的因素很多， 前人对液化影响因素的研究包括：循环动力类型、振动频率、大小、方向等 1 9 h 2 3 】；土的颗粒组成【2 4 】；初始应力比【1 1 】1 25 】：固结应力1 ；土体的结构性】；土 浙江大学博士学位论文第一章2 0 0 0 年9 月 的排水条件、饱和程度【2 7 】；应力历史、超固结作用 2 8 1 2 9 ；排水条件i ”1 等等。胡 定和张利明1 将前人的研究成果列为下图，较为全面地总结了已知的土体液化 的影响因素。 宏观地震液化 土质条例f 排水条件ff 静力条件ff 动力条件 茎l 三l 鍪l 三l 二 l 薹f 兰 i 二l藿 地 貌萎 三i 兰i f 三i ： 图1 2 液化影响因素( 引自胡定和张利明，1 9 9 1 ) 1 2 3 液化评估方法 大体来说，地震时土体液化势的判别主要可以分为两大类： 第一类：基于以往地震经验的液化势评估法。对已知场地液化与否的土层 进行勘探，获得某些判别指标的现场试验数据，如s p t 、c p t 【”】、剪切波速【1 8 】【”】i “】 等，得到一些经验公式，或用直观方法划定液化的分界线，并用该经验公式或 分界线来判别所研究的土体是否液化。这种经验性方法避免了室内试验中土样 扰动等问题，但对低塑限到中塑限粘土、粉土、含较多细粒的砂土以及砾砂等 过去曾发生过液化的土，已经积累的现场试验数据还比较少。 在经验公式判别方法中，剪切波速法近年来逐渐被重视，这是因为其测定 简便易行，测量较少受操作条件和方法的影响，现场测试可信度高；同时，剪 切波速是少数几个即可以在室内又可以在现场进行测量的指标( 虽然有人曾尝 试在室内进行s p t 试验【3 ”，但只是研究性的探讨，没有象标贯技术那样形成统 一的认知) ，用剪切波速表示土的动力性质，物理意义明确，可以将室内试验 和现场资料联系起来；随着现场测试技术的发展和反分析手段的提高，用无破 损的表面波测试反演剪切波速的精度也越来越高【3 6 l 。这些优势是现场s p t 或 c p t 指标无法比拟的：而且其判别精度也不低于其他经验方法。但过去的一些 现场资料中，没有关于剪切波速的数据，人们正力图寻找s p t 和c p t 指标与 剪切波速的关系即】，将现有的s p t 和c p t 资料与室内试验数据、土的强度联 系起来。 浙江大学博士学位论文第一章2 0 0 0 年9 月 第二类：基于室内试验分析液化势。这种方法根据室内试验模拟现场条件 确定土体的抗液化强度，同时用设计地震资料计算地震应力比，比较两者大小 以判别液化与否。一些较重要的土动力学试验有：各种类型的循环三轴压缩试 验【5 3 】 “】、共振柱试验【3 8 1 1 ”】、循环简剪【4 9 】、循环扭剪5 1 、振动台4 “、离心机 模型【4 ”试验。 迄今为止，人们已经相继提出了多种基于室内和现场试验以及震害调查成 果的土层地震液化势的实用分析和判别方法，并已纳入相应的地基抗震设计规 范。 以上两种方法，对于液化可能性的判别是肯定的“是”或“否”，当判别结 果在f 晦界值附近变化时，对液化与否其实是很难给出明确答案的。自7 0 年代 起，随着不确定性方法的引进，在地震液化判别中又出现了一种给出液化概率 的评估方法。这种方法可以考虑某些影响因素( 如震级、震中距、标贯值等) 的不确定性，给出整个场地液化和液化危害程度的发生概率。这种方法在实际 工程中，尤其受到工程师们的欢迎h “。崔杰等【4 ”、陈国兴等4 “、何广讷等【4 ”和 z h a n g e 4 6 】都对该方法做了一定的研究。 1 3 课题研究的目的与内容 1 3 1 课题研究的目的与意义 钱塘江流域正在或将要进行的大规模工程，需要对其流域土体的工程特性 进行深入的研究。该地区的地基土层含有大面积易液化的粉土、粉砂，正如前 文中提到的那样，粉质土的物理力学性质、土的颗粒组成和孔隙中水发展等特 性与砂土不同，影响粉土液化的因素更为复杂。对于抗液化设计，以往的经验 公式大多数是针对饱和砂性土，对粉质土特殊的工程性质没有考虑。因此，在 地基抗震稳定分析中，进行钱塘江地区粉土、粉砂土地基的动力特性、动剪强 度和液化问题的研究，探讨其规律性，建立相应的关系式具有实际意义。 在室内和现场估计土壤动力性质和反应，现在都有适宜的测试手段和指 标。但是，综合室内和现场试验二者的结果往往令人失望，两者之间常有很大 的差别。尤其对于粉质土而言，这类土振动析水现象极为严重，用一般取样方 法很难得到真正意义上的非扰动土。怎样消除扰动影响，提高室内制备试件与 和现场土体性质的一致性；怎样考虑应力历史和时间效应对土壤液化特性影 响，都是要解决的问题。如果不考虑这些因素，则获得一致的现场结果和室内 结果的希望是很小的。 使试样更加真实地反映粉质土的现场动力特性，缩小室内和现场试验结果 之间的差距，不仅对我们所研究的粉质土有意义，对于其它的类型的土体也有 浙江大学博士学位论文第一章2 0 0 0 年9 月 着重要意义。 1 3 2 课题研究的内容 根据实际工程的需要，结合上节所述的研究现状，以及所研究的粉土和粉 砂取样困难，不易得到原状土体的特点，本人对循环荷载作用下粉土和粉砂的 动力特性和液化势进行了研究，主要包括以下几部分工作： 1 联合共振柱和动三轴试验，对钱塘江粉土和粉砂进行静、动力试验研究。 分析了粉土和粉砂在不排水循环荷载下的动力变形和阻尼特性。 2 在原有的动三轴仪上安装了压电陶瓷弯曲元，通过弯曲元一动三轴系统 测试三轴室内饱和土样的剪切波速。在前人对压电陶瓷弯曲元法误差分析的基 础上，与超声波仪和共振柱测试结果相比较，确定剪切波的到时，验证弯曲元 测试的正确性。 3 提出通过先期振动控制试样的剪切波速( 动剪弹模) ，制备初始剪切波速 和密实度都与现场相符的重塑试样，以得到能较真实地反映原位土抗液化性质 的土样，并利用动三轴一弯曲元测试系统实现了试样剪切波速的监控。在此基 础上，对试样进行不排水应变控制循环三轴试验，研究了饱和粉土和粉砂的液 化性质，给出了饱和粉土和粉砂的临界剪应变，并讨论了液化临界剪应变的影 响因素。 与传统的动三轴试验中只控制试样密度的试验结果进行了对比，讨论了液 化试验前的先期振动对土样的剪切模量g 、孔压发展和液化临界剪应变的影 响，论证了同时控制试样初始剪切波速和密度与现场一致的方法，能使重塑土 样更真实地反映土的抗液化性质。 4 在试验基础上，提出了能反映现场土抗液化特性的新的临界剪切波速判 别法。并分别采用标准贯入击数、s e e d 的简化判别法和剪切波速判别法对钱塘 江地区饱和粉砂土地基的液化可能性进行评估，对几种方法的判别结果进行了 比较分析。 5 利用静、动力试验中得到的试验参数和液化循环次数发展模型，用有限 元方法对钱塘江粉土和粉砂地基进行了动力反应分析。 参考文献 【1 】1 林本海，李业茂( 1 9 9 9 ) 粉土工程性质的探讨中国土木工程学会第八届 土力学及岩土工程学术会议论文集，p p 1 9 1 1 8 4 【2 】k o e s t e r ，j p ( 1 9 9 4 ) i n f l u e n c eo f f i n e s t y p ea n d c o n t e n t o n c y c l i cs t r e n g t h ， g r o u n df a i l u r e su n d e rs e i s m i cc o n d i t i o n s ，a s c en a t i o n a l c o n v e n t i o n ， 浙江大学博士学位论文第一章2 0 0 0 年9 月 g e o t e c h n i c a ls p e c i a lp u b l i c a t i o n ，n o 4 4 ，p p 1 7 3 3 f 3 s i n g h ，s ( 1 9 9 4 ) l i q u e f a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs i l t s ，g r o u n df a i l u r e su n d e r s e i s m i cc o n d i t i o n s ，a s c en a t i o n a lc o n v e n f i o n ，g e o t e c h n i c a l s p e c i a l p u b l i c a t i o n n o 4 4 ，p p 9 1 1 0 5 【4 马巍，徐学祖，张立新( 1 9 9 8 ) 冻融循环对石灰粉土剪切强度特性的影响 岩土工程学报，v 0 1 2 1 ，n o 2 ，p p 1 5 8 1 6 0 5 阮永芬，巫志辉( 1 9 9 5 ) 饱和粉土的若干动力特性研究岩土工程学报， v 0 1 1 7 ，n o 4 ，p p 1 0 0 一1 0 6 6 1v a i d ，y p ( 1 9 9 4 ) l i q u e f a c t i o no fs i l t ys o f t s ，g r o u n df a i l u r e su n d e rs e i s m i c c o n d i t i o n s ，a s c en a t i o n a lc o n v e n t i o n ，g e o t e c h n i c a ls p e c i a lp u b l i c a t i o n ， n o 4 4 ，p p 1 - 1 6 【7 】y a s u d a ，s ，w a k a m a t s u ，k a n dn a g a s e ，h ( 1 9 9 4 ) l i q u e f a c t i o n o f a r t i f i c i a l l y f i l l e ds i l t ys a n d s ，g r o u n df a i l u r e su n d e rs e i s m i cc o n d i t i o n s ，a s c en a t i o n a l c o n v e n t i o n ，g e o t e c h n i c a ls p e c i a lp u b l i c a t i o n ，n o 4 4 ，p p 7 7 9 0 【8 张建民，王建华( 1 9 9 9 ) 土动力学与土工抗震第八届土动力学及岩土工 程学术会议论文集p p 4 4 5 5 【9 】吴世明，徐攸在( 1 9 9 8 ) 土动力学现状与发展岩土工程学报，v o l ，2 0 ，n o 3 ， p p 1 2 5 1 3 1 f 1 0 1 s e e d ，h b ，i d r i s s ，i m a n da r a n g o ，i ( 1 9 8 3 ) e v a l u a t i o no fl i q u e f a c t i o n p o t e n t i a l u s i n gf i e l dp e r f o r m a n c ed a t a ，j g e o t e c h e n g r g d i v a s c e ， v 0 1 1 0 9 n o g t 3 p p 4 5 8 - 4 8 2 11 1c a s t r o ，g a n dp o u l o s ，j ( 1 9 7 6 ) f a c t o r sa f f e c t i n gl i q u e f a c t i o na n dc y c l i c m o b i l i t y l i q u e f a c t i o n p r o b l e m si ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g a n n u a l c o n v e n t i o na n de x p o s i t i o n ，a s c e ，n e wy o r k ，