（岩土工程专业论文）地震作用下坝基土体液化的判别及有限元分析.pdf

摘要 我国是一个多地震的国家，地震所造成的巨大破坏促使人们对现有建筑物 的抗震性能进行准确评估和预测。为了对土体振动液化进行深入的研究，本文 以实际工程为基础进行了液化判别。 以试验为鏊础，利用标准黉入毒数试验、抗液化麓应力试验、翦韬波速试 验的结果进行液化判别。并将三种方法的判别结果进行了对比分析，证明三种 方法对液化的潮尉结莱基本致。囝辩又对孔压的鬃袄情况_ i 行分褥，认为孔 压达到上覆压力的8 0 时土体就发生液化，并将此作为本文有限元分析的液化 判剐标准。 本文又在液化判别的基础上利用有效应力法的动力分析方法对坝基土体进 行有隈元分耩。并将液佬静翔羯结暴与标准羹入击数法、蘩落渡速法、室内捩 液化剪应力法的判别结果进行对比，证明了利用该有限元分析程序判别土体振 动滚纯静实爱蠖帮可纛蛙。运建该 线性有羧元程序，对建震熬凄黪大小对波 化的影响及对孔压的发生和发展的影响进行比较分卡斤，同时对坝基下卧粘土层 麴戆黯液化转彩旗遴行毙较分疆。 关键词：动三轴试验标准赏入击数抗液化剪应力翦切波遮有限 元分瓠等效线性模型有效应力法 a b s t r a c t t h e r ea r em a n ye a r t h q u a k e so c c u r r i n gi n0 1 1 1 c o u n t r y , t h ea c c u r a t ee v a l u a t i o n a n df o r e c a s to ft h es e i s m i cb e h a v i o ro fe x i s t i n gb u i l d i n g sa r ep r o m o t e db yt h e e n o r m o u sd e s t r o ym a d eb ye a r t h q u a k e s i no r d e rt or e s e a r c hd e e p l yt h e g r o u n d l i q u e f a c t i o n ，t h el i q u e f a c t i o ne v a l u a t i n gb a s e do na c t u a le n g i n e e r i n gi sp e r f o r m e di n t h i sp a p e r b a s e do ne x p e r i m e n t ，l i q u e f a c t i o ni se v a u l a t e dt h r o u g hs p t 、s h e a rw a v ev e l o c i t y m e t h o da n di n d o o rc o n l i q u e f a c t i o ns h e a rs t r e s sm e t h o d t h er e s u l t so ft h et h r e e m e t h o d sa r ec o n t r a s t e da n dp r o v e dt ob ec o n s i s t e n t b ya n a l y z i n gt h ec u m u l m i o no f p o r ew a t e rp r e s s u r e ，w ec o n s i d e rl i q u e f a c t i o no c c u r sw h e nt h ep o r ew a t e rp r e s s u r e g e t st o8 0p e r c e n to fo v e r b u r d e np r e s s u r e ，a n dt h i si sc o n s i d e r e dt ob et h ee v a l u a t i n g s t a n d a r do fl i q u e f a c t i o nb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si nt h i sp a p e l o nt h eb a s i so f l i q u e f a c t i o ne v a l u a t i n g d y n a m i cr e s p o n s eo fd a r nf o u n d a t i o ni s a n a l y z e db ye f f e c t i v es t r e s sm e t h o d ，a n dt h er e s u l t o fl i q u e f a c t i o n e v a l u a t i n g i s c o n t r a s t e dw i t ht h er e s u l t so fs p t 、s h e a r w a v e v e l o c i t y m e t h o da n di n d o o r c o n l i q u e f a c t i o ns h e a rs t r e s sm e t h o d b yc o n t r a s t i n gt h e r e s u l t s t h el i q u e f a c t i o n e v a l u a t i n gt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a m m ea r ep r o v e dt ob ep r a c t i c a b l e a n dr e l i a b l e b yt h e n o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n tp r o g r a m m e ，t h ee r i e c to fs e i s m i c i n t e n s i t yt ol i q u e f a c t i o na n dt oo c c u r r e n c ea n dd e v e l o p m e n to fp o r ew a t e rp r e s s u r e a r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，t h ee f f e c to f s 1 1 b j a c e n tb e dt ol i q u e f a c t i o na r ec o m p a r e d a n da n a l y z e dt o o k e y w o r d s ：c y c l i ct r i a x i a lt e s t ，s p t , c o n l i q u e f a c t i o ns h e a rs t r e s s ，s h e a rw a v ev e l o c i t y f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，e q u i v a l e n tl i n e a rm o d e l ，e f f e c t i v es t r e s sm e t h o d 独创性声明 本人声鹱搿整交魏学位谂文是本人在导簿瘤导下避行的蹬究互 乍彝驭褥浆 磷究成聚，除了文中将剐奇西以标浚和致谢之楚外，论文中不包含冀谴入已疑疑表 蠛撰写避豹掰究戏莱，氆不包含为获褥基姿盘篷或葵谴教骞撬褥翡学位或 歪 书蔼使雳过的零辛剃。与我同工俸的鞠忠辩本研究所骰的任俺嚣献均已程论文中 俸了秘确麓说黉并表示了瀣蠢。 学位皱律麓叛唾雄签字黼即节年弼磊 学位论文版权使脂授权书 本学位谂文 睾者完全了薅蕴凌盘整有美绦搿、使角学位论文静蕊定。 将授权叁鎏基燮可以褥学位论文的全部或部分肉容编入裙关数据库避幸亍裣 索，劳累爝影印、缭印或扫疆等复制手段保存、汇编臣供褒淹鞠僚阕。同意学校 两餮象有获懿门或辊构邀疲论文驹复印件帮磁盘。 ( 镶密懿孥稼论文在解塞薅遥薅奉授投谈鹗) 学懂黻赭签名：枷弘 餐字嚣娥；协悔嬲歹隧 鳓魏扔k 然字曩勰：塘慨冀善嚣 第一章绪论 1 1 地震灾害 第一章绪论 世界上多次破坏性地震曾发生，如1 9 0 6 年美国旧金山大地震、1 9 2 3 年 日本关东大地震、1 9 6 0 年智利南部地震、1 9 6 4 年阿拉斯加大地震、1 9 6 8 年 同本十胜冲大地震、1 9 7 6 年中国唐山大地震、1 9 8 9 年美国洛马普里埃塔地 震、1 9 4 4 年美国诺斯雷奇地震、1 9 9 5 年日本阪神大地震等。2 0 世纪6 0 年 代以来，世界范围内地震活动频繁，特别是1 9 6 4 年曰本新泻地震、美国阿 拉斯加地震引起的饱和砂土液化和地基失效，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。 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，伴随地震而引发的各种破坏现象。如在1 9 7 5 年海城地震 和1 9 7 6 年的唐山地震中，海城与天津的很多地区发生了粉土、粉砂液化现 象。 总的来说，我国已建的水利工程运行情况良好，工程失事很少发生，可 能会使人们认为大坝对于地震而言是相对稳定安全的，因而造成一种安全的 假象。但在1 9 7 6 年唐山大地震中，一些土坝遭到不同程度的破坏。密云水 库白河主坝、唐山地区陡河水库土姗以及蓟县于桥水库大坝，均由于坝体或 坝基中的饱和砂土液化，引起了震害。这使得工程界认识到必须重新具体评 价水利工程的抗震安全性，加强研究水利工程的抗震性能，对水利工程抗震 设计提出相应的建议和抗震措施。研究大坝在地震作用下发生液化破坏，具 有重要的学术与工程应用价值。 近些年来，随着城市现代化与经济的高速发展，一旦发生地震而释放出 的巨大能量，不但直接造成建筑物及设施的破坏，而且其次生灾害造成的损 失会也十分巨大。地震所造成的巨大破坏，促使从事地震工程的研究人员和 岩土工作者，进行更为深入的研究，充分利用现有的地震资料，最大限度的 运用现代试验技术、分析方法和计算理论，对现有的工程建筑物及设施的抗 震性能进行准确评估和预测，进而指导抗震设计并采取必要的减震防灾措施 就显得特别重要。 第一章绪论 1 2 无粘性土液化的研究现状 1 2 1 振动液化的机理 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，无粘性土的液化是一个过程。美国土木 工程师协会岩土工程分会i 动力学委员会1 9 7 8 年对“液化”一词的定义糯 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 力增蕊和有效压力减少所导敬的觚圈态翻液态的交佬。汪阉韶给无糟佳液 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”。 关于液化的定义跑较笼统，泛指体袭瑗窭的各静类经液体经态鹩臻 象。人们对这一点的认识并不存在分歧。但是，对液化机瑕的认识，却有两 耱朝羹不蠢豹麓点。 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 子零，甭暴宥饪傍羝撬剪谫黪裁力。当在动蔫俸震豹经蔼一个瓣闻开始 出现这种应力状态时，即认为土达到了初始液化状态。此聪，在往返荷载的 持续 謦t 鏊l 下，轮鋈塞瑷翅始波仡装态，表瑗窭载往返活动性，穗匏凄变 形逐渐积累，最后出现土的熬体强度破坏或超过实际容许假的变形失稳。邀 耪过稳，臻嚣薅毂媲液化状悉豹出现，否则滤不会蠢滚纯酸餐。从这一鼹点 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， 固时援镑始滚纯蕊点域范围凌豹土爨鸯零缕强度，泉分撬主体兹建力、应交 以及稳定性。这种观点以s e e d 为代袭。 冀一手孛观点认为，工程缝构物的破坯，魍根结赡表现为过量的位移，变 形，而不是完全取决于应力条件，液化不在予必须达到初始液化的应力条件。 在很多情况下，即使土体中势没有达到初始液化状态，但土体由于其结构破 坏和孔压上升而引超的强弱化，出现其有液化状态的流动破坏，就认为士体 已经波 七。农这静观点中，应用了c a s a g r a n d e 提出的临界孔隙比( 临界孔 隙眈嫩指剪切过程中溉无剪缩又无蔚胀的孔隙比) 的概念，将士分为剪缩性 土和剪胀性。并提出了稳怒变形和稳态强度的概念，所谓稳态变形是指 在一定常法商有效应力和一定常剪威力作糟下产生的常体积和常速度连续 变形的状态( 即流动变形) ，此时的剪应力即稳态强度。流动破坏只发生在 剪缩後土中。由于剪缩往土在剪留道程中必将出现不断静翦缩，侵土串的我 隙水压力随之升高，土的抗剪强度会迅速降低到稳态强度。故破坏经开始， 裁登然带有流动特征，表现海滚讫流动破环。c a s a g r a n d e 穗瓣结不雅承三轻 第一章绪论 试验中采用定荷加载( d e a d 1 0 a di n c r e m e n t s ) 方式，在实验爨内观察到了“流 动结秘”静现象，壶予其藩救象斧不同，这释流动酸环翼鸯不嗣豹澎态，籀 图1 1 所示。图中b 形式，鼠然也出现了一段流滑，但是当成变达刹一定数 量爱，袁繇箨游秘嚣涨，被髂为“蠢羧渡饯”或“蠢袋藏动”。这秘蘧点以 c a s t r o r o b e r t s o n 等人为代表。 酗1 一i 三轴试验中的流滑现象( c a s a g r a n d e ，1 9 7 9 ) 对于砂土液化机璁，认为有以下三种： 1 。砂沸( s a n db o i l ) 当饱和砂沉积体中的孔隙水压力由于地下水的水力梯腹上升到等于或 超过它的上覆压力时，该饱稿砂沉积体就会发生“沸腾”现象，并丧失承 载能力。这个避程与砂的密实程度和体积应疑无关，而是渗透压力蹲i 起的渗 透不稳定现象。渗透压力与中的孔隙水压力分布肖关。孔隙水压力场的变 化可以是菲动力作用的渗流沥改变所造成的，( 如地下水位上升) ，也可以怒 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 的条件不涉及上覆砂菇的体积成变特住( 剪服或剪缩) 。 葵一露绪论 2 流滑( f l o ws l i d ) 浚涛是魄瑟裣砂懿颗羧蠢檠在攀程剪韬馋建下，呈瑗爨不霹逆瓣葵积缢 缩，在不排水条件下，引起孔隙水服力增大和有效成力减小，所导数的“无 疆度”豹滚动交形。缝彝砂在滚漆时熬魏熬东压力趋i 鑫子溺围疆力矿， 但仍略小于盯，表明当时仍存在一定有效法向压力和残余抗剪强度，后者 与砂土串载剪应力取褥乎赞。滤浸飘象在簇繇剪切终矮中像能产生。瘊毒上 述具有不同初始应力状态( 等向或非等压圃结) 通过不同应力路径( 单程加 载或 媾强热载) 产生麴渡滑魏象，在渡漏时蚋状态郝落在爆器孑l 黢比的分爨 线上。 3 循环活动憷 c y c l i cm o b i l i t y ) 循环活动性主要发现于相对密度较大( 中密以上到紧密) 的饱和无粘性 土的嗣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 的菜热时刻( 瞬两) 可以出蕊“= 口，。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，形成了饱和砂在循环翦切作用 下出躐的循环活动性。循环活动性的物理机制是比较复杂的，扶宏观来看， 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稽局。对于只有剪缩丽无剪胀的饱和松砂，姗 不会出现循环活动性，而只能出现流滑。 上西三稀视理虽有区澍，但又互有联系。 另一方面，地震产生的能量是从簇源以地震波的形式通过岩土介质向外 传疆鞠扩散麴，在这一过程中，适震波弱佟褥导致奔质痿点糍量状怒改交， 使之产生位移变动，从而表现为震动与震动破坏。地震强度不同，介质内分 匆豹戆璧密瘦不霹，掰 | 超鹣叛魂及缓坏懿耩度夯育掰不溺。 1 2 。2 砂掇动液化的判别 1 2 2 1 砂土液化的初步判别条件 我莺有关髋范对构判指标的规定大致楣简，基本上采用土中粕粒含量再 分率、地质年代、地+ f 水位深度和上粳非液化土层熙度四个指标。陈国兴等 ( 2 0 0 2 ) 综合凿内多稀有关舰范，薅议判别魄面以下2 0 r e 范围内肖饱和凭 粘性土层和少牯性土层时，可采用以下初判条件： 1 圭逄震烈发为6 度露，一般可不计液纯静影噙，但对液纯沉陷敏感的黧 要工稷结构物，可按7 度考虑； 2 。粒径d o 。0 0 5 m m 鲮糖粒含爨百分率反2 0 或塑秣捂数? 。】0 或 第一章绪论 液限含水量暇3 5 的饱和土需要考虑液化。主要包括p 。3 的饱和砂土 和p ，= 3 1 0 的饱和粉性土，其中，。3 的土可统称为无粘性土，3 ，。 1 0 的土可统称为少粘性土： 3 地震烈度为7 9 度，地质年代为第四纪晚更新世( q 3 ) 及其以前时， 冲积或洪积形成的密实饱和无粘性或少粘性土； 4 地震烈度为7 、8 、9 度时，粒径小于o 0 0 5 m m 的粘粒含量百分率分 别不小于1 0 、1 3 、1 6 的饱和少粘性土； 5 对于地下水位深度d 。和上覆非液化土层厚度d ，这两个初判指标，构 筑物和铁路、公路抗震设计规范均用图来表示。 1 2 2 2 砂土液化的进一步判别 s e e d - - i d r i s s 简化方法和经验方法( 规范方法) 是两个最具有代表性的方 法，其他方法大多是依据这两个方法演变出来的。 1 s e e d i d r i s s 简化方法( 抗液化剪应力法) 浚方法s e e d 于1 9 7 1 年提出，是最早提出的一个判别具有水平地面的自 由场地液化的方法，也是目前国内外应用最广泛的方法，属于试验一分析判 别饱和砂土液化的方法。在这个方法中许多影响饱和砂土体液化的因素得到 适当的考虑。这个方法的关键是确定出地震时水平地面下饱和砂土单元的水 平地震剪应力和饱和砂土发生液化的剪应力，然后将二者进行对比，以判定 在该地震烈度下该砂土单元是否会发生液化。 2 经验方法 经验方法有以下的几种： ( i ) 标准贯入击数法 标准贯入击数法( 简称标贯法) 是各国抗震规范判别场地砂土液化常用 的方法。标贯法是以7 6 c m 的落距，将6 3 5 k g 的探头打入土中1 5 c m ( 不计 击数) ，然后再打入3 0 c m ，累积3 0 c m 的锤击数6 ，。 用标贯法判别就是对比土体的实际的标准贯入击数与临界标准贯入击 数。所谓临界标准贯入击数，就是实际情况下产生液化与不液化的界限状态 时土体应该具有的最低标准贯入击数。 ( 2 ) 剪切波速法 自1 9 8 0 年d o r b yr ，p o w e l l 首先按应变法原理提出用剪切波速矿预测砂 土液化势的方法以来，已受到普遍关注，是当前抗震工程研究中的热点问题 之一。剪切波速判别土体的振动液化具有物理意义明确、波速值离散性小、 第一鬟绪论 预测可靠性高、可重复、经济性好、快速等优点。 羹缓波速法判别麓是褥臻赛葵甥波速与实繇豹葵甥波速k 籀篦较， 当。 k 时，则该土体液化。 1 2 3 液化的影响因素 1 。魏蛙覆 1 1 试验及实测资料都表明：粉砂、细砂、粉土中级配均匀的砂土比级 配良好豹砂暴发生液化；【2 】移主静密实发是影嘲渡化弱整要因豢。震磐 调查资料证实：7 度烈度的媳震，相对密度大于5 0 的砂土不液化；若土的 相对密凄丈予8 0 ，靼健是8 度豹媳震烈凌，也不零易发生滚纯。b r a j a m 。 d a s 在文献中对不同相对密度的萨克利门砂的试验表明；当往复应力峰值一 定时，往复加凝次数随租对蘩疫的提嵩囊迅速增大或当往复次数一定时，往 复应力峰值随相对密度的提商而明擞增大；【3 】砂土颗粒的排列、土粒间的 胶结物质等，对砂土液化也稳影响。扰动姥原状容易渡化，毅沉积的砂 土比古老砂屡容易液化。 2 的初始应力状态 砂土液化室内振动三轴试验说明：对于问样条件的土样，发生液化所需 的动威力将髓着固结成力的增大丽增大。b r a j a m d a s 认为：对于给定的胡 始稆对密度和往复应力峰值，g f 起液化所需的往复加荷次数将随着周围压力 的增大而增大，而且对所有的相对密度都适用。 3 震渤的特髋 + f 1 地震的强度。例如日本新泻地区在1 9 6 4 年前的3 0 0 多年中曾遭受 过2 5 次逢震灾害，憾萁中其有3 次在部分地区发生过液化；【2 】地震持续 时间。对于同性质的土，施加同样大小的动应力时试样烈否液化，取决于 振动静次数或攘动时闽。当薅震历时较长时，帮使礁震的强度较低，砂稳 可能发生液化。 4 场楚滚仡势懿改交 预测土层在一定假设条件下是否发生液化的总趋势，通常称为液化势。 对于蠡盘场，土层受爨拳平方淘翡撼震俸爱瓣，建鼷赘应力涟深疫静交诧燕 一条曲线，而土的抗液化强廉随深度的变化则基本上是一条直线，因此同一 耘毫戆点兹瘦力凌态禳润，这样滚诧送在理论上薤怒一令无隈戆求乎层。巍 场地上修筑建筑物之后，基础附近的应力状态发生变化，液化势的分布也发 生变化，麦予熄基中辫掇应力对液化疑季率裁捧耀，蒸疆下豹圭最难波纯；经 篁二篓兰堡 一一 于基础外，接近4 5 。线附近的较浅的隧域比自由场更容易液化。 1 3 地震反成分析 2 0 世纪六七十年代，美国、日本、中因相继发生的一系列与饱和砂土 振动液化相关麴堤坝地震破坏，使人们议识到誊毅的拟静力法分橱这类堤坝 的地震稳定性楚不适宜的。 对场地进行地震反应分撕，首先爱确定土的动力本构模型，强地震作用 下，土体具有非常复杂的非线性弱化动力特性。因此，在地震反应分析中， 必须尽可能真实的考虑土的非线性特性。为此发展了基于有限元法评价土体 的液化特性的动力分轿方法来处理此类同瑟，这其中最其代表性的方法是蓠 先由s e e d 等人提出并应用于塞菲尔德坝和下圣菲尔南多坝的动力分析的等 效线谜总应力分析法。 等效线性模型是l d r i s s 与s e e d 予1 9 6 8 年提出的，并首先应用予场地的 遗震爱应分轿。等效线经模型楚把筏态精弹萑俸，采用等效动模蟹和等效 阻尼比两个参数反映土的动_ 陵力应变关系的基本特征：非线性与滞回性，并 将动凌鲞与隧愆篦表示为动应变酶函数。利麓阻尼陇浆变化摇述土动力特魏 的滞回性。等效线性模型的不足是不能描述循环加载过程中的应力成变曲线 变讫。 利用等效线性模型进行场地地震反应计算时，可以进行总应力分析和有 效应力分蔹。蕊应力分孝厅方法粒基本蹬发点在子尧圭蠹震 乍露藿 睾是个疰l 蒸 岩垂直向上传播的水平剪切波。当地髓引起的这种綦岩振动输入到上部具肖 牯滞毽遐酶覆蕊主傣孛薅，必褥奁主钵靛不淹帮整弓l 起一耱涎瓣窝鬻涨落交 化的地震剪应力，如果将这种随时间研；规则变化的地震剪应力简化为一种等 效兹一定锺繇次数豹均匀葵黩力，剿可躅冠撼熬瘟力，壤琴次数辩该帮谴撵 进行振动三轴试验，测出引起土体液化所需的动剪应力或称抗液化剪应力。 如果这个摭液化剪应力丈子实际豹地震剪应力，爱认为该部位无液纯发生； 反之则发生了液化。各部位的液化稳定性以该处抗液化剪应力与地震剪应力 的比值( 抗液化安全系数) 来反映。在憨应力分橱过程中，不考虑熊振动弱 化对土渤力特性参数的影响。而在有效应力分析中，考虑士的震动弱化对土 动力特性参数、进面对地震反成分柝结果的影响。 奁进行场地地震反应分析时，存程多种可供选择的求解方法。熟中有代 表性的是波动艇法与裔限元解法。相对于波动解法讲，有跟元法更逡合考虑 土的菲线性及振动弱化特性，更容易实现场地地震反应的宵效应力分析。 第一章绪论 i d r i s s 曾对这两种解法的总应力分析结果进行了对比，表明它们是吻合的。 1 4 本文的研究内容 本课题以尔王庄水库实际工程进行土坝土体震动液化的研究。尔王庄水 库位于天津市宝坻县南部，是引滦线路中段距天津市区最近的一座中型平原 水库，对引滦入津输水工程有着重要的调节作用，可提高天津市供水的保证 率。由于水库的重要性，本文进行了以下几方面的研究： i 通过室内振动三轴试验。通过试验研究地基中粉土粉砂的液化特性， 并对循环应力作用饱和土的累积孔压进行分析，建立累积孔压和应变之间的 关系。进行剪切波速试验和模量试验，试验结果用于液化判别与土体稳定分 析。 2 通过标贯击数试验、抗液化剪应力试验和剪切波速试验。对坝基的 饱和粉土、粉砂进行液化判别，并将三种液化判别结果进行对比分析，以求 判别的可靠性。 3 分析动荷作用下孔压的发生和发展情况以及液化发生时孔压达到的 状态。 4 编制二维非线性有限元分析程序。考虑土体的振动弱化特征，利用 等效线性模型对坝基土体的液化进行分析，通过与室内试验和现场试验的对 比，证明有限元程序的可靠性，同时对有限元的运算结果进行分析。在利用 有限元分析土体液化的过程中，对地震烈度对液化的影响及对孔压的发生和 发展的影响进行比较分析研究，并对下卧土层对液化的影响进行分析研究。 第二霉坝鏊体麴试验研究 第三章受基体的试骏研究 2 1 土样的基本特性 2 1 1 土层分布情况 零漂蓬静磷究薅象为竣蘩主俸。试样取爨天津市宝坻罢南部豹尔王窿求 库。尔王庄水厍位于天津市囊坻区南部尔王庄乡境内，引滦明渠中段右侧。 莲天津泰区2 8 公里，距宝舔豢骧3 4 公里。羹羹貌上瘸子海彀净积乎漂低逶中 的洼地，地势平缓，是一座平原水库。 对容王_ 窭承瘁兹工程裁溅表胡，壤基数主必蔫联系垒耨统第一疆穗淀积 层、第一海相沉积层和第二陆相沉积层。除堤体外，原地面以下约3 0 多米 漯凄藏瀚内第一蘧甥蒺主要为辖、粉囊糕主；第一海藤蔗主要为淤泥囊壤 土、粉土、粉砂、粘土、粉质粘土，局部呈邂镜体状分布；第二陆相层主要 为粉痰牯土，攫闻套粉耪砂夹层。 钻孔取样处的土体依次分布主要为： 1 填土：主要由旗缀戏，黄褪色糠褐色，硬，不均匀，郄分夹磊 子。厚度为6 米； 2 ，旗土及淤泥痰糙土：获竭色，中密，均匀，部分有锈斑，簿度为3 米6 米： 3 粉土及粉砂：灰色获黑色，饱和，稍密中密，鞍均匀，部分德 硬，部分含有粘土夹聪，厚度为3 米8 米； ( 3 1 ) 粘：位于9 + 3 5 0 钻孔处。深灰色黑色，饱和，较硬，含有机 质，黑炭质，簿度约为l 米发右； 4 粉砂及粉土：灰色获黑色，饱和，稍密中密，析水，部分夹糨 土薄鼷，厚度为5 米9 米： 5 粉质粘土及粘土：黄灰色灰黑色，饱和，较硬，部分不均匀。 获尔王瘫水库取闽的土徉逢深为8 2 l 朱。梯取出聪，立即蜡封，辩 标签，标明上下。在鬟验室对篡原状土进行研究。 第二灌蠼罄体的试验硪究 _ - _ _ - ，_ _ ”一一 2 1 2 土体的基本物理性臆 2 1 2 1 基本物瑾指标 粉粉砂抟基本貔理指橡见表2 一l 。 本章针对所取土样进行了比重、塑液限等些黛内常规试验，试验方法 参照土工试验方法橼准g b j l 2 3 8 8 。所得指据，如表2 2 ，2 3 援示。 含水率 容重 孔隙比饱和度 l 芸 土质湿干 k n m 3k n m 3 睇 | 6 + 粉土 2 4 ，4 3 0 31 8 ，9 一1 9 8 1 4 5 - 1 5 90 。6 9 6 - 0 8 6 19 5 9 7 0 0 0 粉砂1 9 1 - 2 2 6 1 8 7 1 9 41 4 6 一i 5 80 6 9 8 - 0 8 7 2 9 5 0 9 1 9 +粉 2 5 3 3 1 81 8 9 1 9 31 48 一1 5 ，7o 7 3 2 - 0 ，8 9 9 9 l 一9 9 3 5 0 粉砂 1 79 2 4 61 8 g 一1 9 91 4 ，9 1 6 2o 6 5 2 - 0 8 0 29 0 9 7 1 l + 粉砂 1 8 。3 2 3 11 8 8 一1 9 31 4 4 一1 5 。10 6 8 2 - - 0 。8 8 19 5 - 9 8 8 0 0 粉土2 4 3 0 7 1 8 5 2 0 51 4 4 1 5 90 6 9 8 - 0 8 8 18 9 9 6 袭2 2粉土粉砂的物理力学性质 层土粒比重塑艰渡限塑性摆数压缩摸鬟 l 强号 名称 瓯 耽 睨 ip e s ( m p 。) 粉土 2 。7 01 5 8 72 5 。78 ，8 41 1 3 3 6 + 0 0 0 粉砂 2 6 8f1 4 7 2 粉 2 ，7 0i 7 。42 5 。491 0 ，9 5 9 + 5 5 0 粉砂 2 6 8 1 3 8 0 耪砂 2 。6 8i11 3 。l l 1 1 + 8 0 0 粉土2 7 0 1 6 g2 5 19 21 0 4 9 从表2 一l 和2 2 中可见，不同孑l 号处的粉土和粉砂的基本物理指标和撼 零物理蛙据爨郝缀接邋。 第二章坝基土体的试验研究 表2 3其他主要土层的物理力学性质 土层土粒比重塑限液限塑性指数压缩模量 名称 g ，耽睨 i pe s ( m p 。) 填土2 7 41 8 2 。1 8 43 5 2 3 7 61 7 8 一1 8 65 1 8 6 1 4 粘土 2 7 418 3 1 8 - 83 2 5 。3 6 91 6 18 25 1 9 5 5 5 粉质粘土2 7 21 4 7 1 8 12 7 ，1 3 2 31 2 4 1 7 54 9 4 5 5 6 2 1 2 2 粉土粉砂的颗粒组成及分类 本文对粉土、粉砂进行了颗粒分析试验。试验采用筛分法，用六偏磷酸 钠作为分散剂。粉土样中粉粒粒组( o 0 7 5 0 0 0 5 m m ) 含量占总土重8 0 ， 其粘粒含量小于1 0 ，定名为砂质粉土。粉砂样中的中砂粒组( o 5 02 5 m m ) 和细砂粒组( o 2 5 0 1 m m ) ，占总重5 0 以上；其粉粒粒组超过 2 5 ，定名为粉土质砂。图2 1 为粉砂和粉土的级配曲线。 粉砂 图2 ，1颗粒级配曲线 粉土 粉土和粉砂的级配常数见表2 - 4 。从两种土样的不均匀系数和k 。和曲率 系数足。来看，两种土样都属于级配较差的土样，液化可能性大。 表2 - 4粉土和粉砂的级配常数 土类 d 6 0b 。d 3 。 d 1 0 k 。= d 6 0 d 1 0 世。= 丽d s 。2 了 名称 ( m m )( r a m )( r a m ) ( r a m ) 粉砂0 1o 0 90 0 50 0 0 4 2 5 6 2 5 粉土0 0 3 20 0 3 0 0 2 20 0 0 7 4 52 2 第二豢坝蘩髂的试验研究 2 2 坝基土体的动黧轴试验研究 本文选择天津地区尔王废水库坝基的坝基土体，通过室内应力控制振动 三享盔试验遴行分援研究。本搴豹试验终渠将对建筑甥下魄彝钵豹振动渡纯 进行室内判别，并为地震反应分析提供必要的动力参数。 2 2 1 试验概况 2 、2 1 1 动三辘瓣试验溅理 地震时，水平土层中某一单元上的应力状态可作如图2 2 所示的简化。 通常认为，建震蘅载主要是囱下酐綦岩处竖庭向上传播的剪留渡辱| 起酶，怒 种幅值、频率不断变化的不规则运动过程。为在振动三轴仪上模拟这种应 力状态，逶鬻簧把这稀不麓簧i 的地麓动简化成等效紫箍育黻循环次数静强 动。这样在试件上应模拟两种应力状态，即地震前主要由有效覆盖膳力引起 静静瘦力f ，。萃鼙k o 盯，。( 图2 2 a ，瓦为静铡压力系数) 稻逾建时的壹棼匀罐环 剪应力丸，( 图2 2 b ) 。 试俘率龛在密霾、镪葺鞋缆稻结稳等方瑟尽可能模 薹i 现场屡静实际游 况。此外，考虑到地震过程时间短暂，主震时间仅十几或几十秒，地震产生 瓣超孔压来不及港散，因蘧，巍试验室蠹是在不蓑 求条伴下送行试验翡。s e e d 教授在1 9 6 6 年首先撮嫩用不摊水循环荷载三轴试验来实现上述模拟。 0 m a m l j 一一 一，上一。j一 l ，o h0 l 。 g m ab 图2 - 2水平土层中单元的应力状态 应力控制掇动三融试验时通过控制施加给土样的轴向穗载，达到控制 样轴向应力的瞄的。这种试验方法的优点是，控制土样的轴向荷载比较容翁 实现。它的不足是，由于它控制的是土样的轴向荀载，丽土搀在受到振动赫 载作用后，将产生轴向变形与径向变形，从而导致土样横截面积发生变忧， 第二章坝基土体的试验研究 随着土样的振动弱化、变形增加， 产生的轴向应力并不相同。因此， 才能做到真正意义下的应力控制。 22 1 2 动三轴仪简介 在振幅相同的轴向荷载的作用下，土样所 只有在土样的小变形阶段，这种试验方法 本文将采用应力控制振动三轴试验方法。 振动三轴试验是用圆柱形试样，在不同的压力室压力下，施加不同大小 的激振力使试样发生轴向振动和轴向与侧向的振动，量测在振动过程中的轴 向应力、应变以及孔隙水压力的变化。5 0 年代末，黄文熙院士在国内最早 提出了用动三轴仪研究砂土液化的方法，并进行了系统的试验研究。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的性状、振动强度、应力状态和排水条件之间 的关系，指出初始剪应力大小对液化的影响。6 0 年代国内外用振动三轴仪 研究砂土液化及其它动力特性，并得到了很大的发展。 动三轴仪是从静三轴试验发展而来的，它利用与静三轴试验相似的轴向 应力条件，通过对试验施加模拟的动主应力，同时测得试样在承受施加的动 荷载作用下所表现的动态反应。最基本和最主要的是动应力( 或动主应力比) 一 与相应的动应变的关系( 吼s ，或。尼白) ，动应力与相应的孔隙压力变 v2 化的关系( 盯。，“。，) ，从而推出岩土的各项动弹性参数及粘弹性参数，以及 试样的振动液化等。 本文试验使用的仪器为h x 一1 0 0 电一气伺服控制振动三轴仪。该仪器 由美国工程材料试验公司( s b e l 公司) 制造。采用电气伺服控制随动系统， 伺服控制部分，以硬件形式组成，他根据传感器的模拟反馈信号控制土样轴 向的加荷系统。振动信号的发生与试验数据的采集部分使用微机d a 和a d 技术，并以软件形式构成试验控制程序。产生振动信号的d a 板为1 2 位专 用波形发生器，可以根据需要编制相应的试验控制程序，产生振动控制信号。 试验结果和相应的观测通过1 2 位的a d 板直接存贮为计算机数据文件。仪 器具有应力控制和应变控制两种功能，前者是指加荷时控制向土样施加的轴 向荷载，后者是指加荷时控制土样产生的轴向位移。图2 3 为该仪器伺服控 制逻辑框图。 第二章坝基土体的试验研究 图2 - 3仪器伺服控制逻辑框图 2 2 2 抗液化剪应力试验 2 2 2 1 试验土样 本次试验所采用的土样是尔王庄水库坝基下的原状粉土、粉砂土样。在 制备土样时，从取土筒中取出钻探土样放在削土器上直接切削成型。土样高 为8 e r a ，直径为3 9 1 c m 。 2 2 2 2 应力控制振动三轴试验的具体步骤 1 将土样装入振动三轴仪压力室，采用抽真空法对土试样进行饱和。 抽真空的时间大约为4 0 分钟左右，此时土样中的负压接近1 0 0 k p a 。然后对 试样进行上水饱和。饱和所用的水为无气水。 2 在应力控制下，给土样施加等向固结压力，并测量孑l 隙水压力系数b 值。保证b 值达到0 9 6 以上，以满足振动三轴试验对土样饱和度的要求。 饱和完成后，使土样排水固结，以孔压完全消散和土样轴向位移稳定作为固 结完成的标准。 3 按预定试验方案给土样施加循环应力o - ，。按以下标准控制应力循环 次数：若施加的循环应力盯。，较大，试样的振动累积孔压能够达到围压( 满 足液化的孔压标准) ，则应力循环直到试样孔压达到液化破坏标准为止；若 施加的循环应力仃。较小，振动累积孔压不能发展到围压，则应力循环直到 孔压变化相对稳定为止。 2 2 2 3 试验成果 表2 5 所示为动三轴试验所得到的粉土、砂土的抗液化试验结果。 第二灏螟耩土体豹试验垂舅究 键孔号主撵编号夏艇秽。( k p 砖辘怒力( o - 。) 液纯振次 11 5 56 5 8 5 1 8 0 21 5 59 3 。0 3 4 2 粉士( 1 ) 3 1 5 51 0 5 33 9 41 5 s1 2 6 。5 s4 11 7 57 0 8 91 6 3 21 7 58 3 。0 56 4 粉土( 2 ) 31 7 59 9 2 71 2 41 7 5l 5 3 34 11 5 56 5 6 31 4 8 21 5 59 3 ，4 53 4 耪移( 1 ) 31 5 51 0 2 8 51 6 41 5 51 9 s 5 23 12 2 0l l o 6 91 2 9 22 2 01 1 8 ，9 01 6 粉秒( 2 ) 32 2 01 2 3 2 71 2 42 2 01 5 4 。1 83 2 2 3 坝基饱和土体的累积子l 压分析 试验结果表明，循环应力作用下，饱和 砂土懿魏隙承篷力戆发展分炎簇巧稳定秘 循环失稳两种情况，它们的变化趋势是一致 的。开始照应力覆嚣次数豹蠓鸯鬟，孔压增长 较快，达到一定程度后，孔臌积累变化减慢， 或趋予渡化或趋于耀对稳定。 本文分别对粉土、粉砂土样进行了动三 轴试验，图2 - 4 为动三轴试验的试骏结果之 一。从闰2 - 4 中可见，试验结栗具有渤三轴试 验的典型特征，变形逐渐加大，面孔隙水愿 力逐渐累计。 闰2 - 4 渤兰轴试验记录 第二章壤麓俸的试验磺究 根据动三轴试验，我们可以得到孔压在循环荷载作用下的发展趋势，见 强2 5 。 n 粉士( 1 ) n n 粉砂( 1 ) n 耪土( 2 ) 粉砂( 2 ) 图2 - 5 循环荷载作用f 的孔压发展 图2 - 5 中，横坐标是振动次数n ，纵坐标是累积孔压“与围压吼的比值 k 。觚图中可觅，孔藤在最镪上舞逮度穰- 陕，当孔糕达至l 豳压的7 0 8 0 后，逐渐趋于稳定，丽凰此时即使继续增加循环次数，累积孔压也不会增长。 显应力穰越大，素积我压这虱稳定时的数篷麓，j 、。 为了遂一步繇究累积手0 逶靛发震趋势，我们建立鬃积我聪与应交之闻懿 关系，如图2 - 6 所示。 第二章坝基土体的试验研究 d 5 n 4 f 0 2 r j l 0 , 0 0 7 o e 0 5 o _ y 03 o 2 0 1 o 0 05 5 05 0 0 4 5 0 4 0 o 03 5 03 0 02 5 02 0 08 07 0 6 05 ， o4 y o3 o2 0 1 234557 s t r a i n ：7 一 _ m m m r m - m - i s t r n s t r a i n 5 粉砂( 1 ) 234567 s t r a i n ：篁三童塑茎圭堡塑蔓鉴堕窭 一0 5 5 05 0 0 4 5 0 0 f 03 5 03 0 07 0 6 05 0 4 f o3 0 2 0 1 0 0 2 34 5 6 78 s t r a i n 23 4557 s t r a i n 0 曲 05 5 d 5 0 口4 5 o 帕 y o ，5 o3 0 02 5 02 0 0 1 5 ob 07 0 6 05 04 y d3 o2 0 1 o0 0 1 粉砂( 2 ) 厂” l 2345 8 7 s t r a i n 厂 07 o 6 o 5 o 。 岔o3 d 2 d 234567 s t r a i n 08 d7 06 口5 芏 04 0 3 02 23456 s t r a l l 3 厂 粉士( 2 ) 图2 - 6孔压累积随应变的发展 们 z 们 啦 z 第二章坝基土体的试验研究 从图2 - 6 中可见，对于应力较大的情况，在孔压尚未达到稳定之前，双 幅应变即已达到5 ，此时k 。的值一般介于4 5 一5 0 之间。而对于应力较小 的情况，则在双幅应变达到5 之前，孔压即己达到稳定，其稳定时k 。的值 最大可以达到8 0 左右。此时，试样己经发生较大变形，已基本丧失承载能 力。 2 2 4 剪切波速实验 试验选用的土样为6 + 0 0 0 ，9 + 3 5 0 ，1 1 + 8 0 0 钻孔的原状土样。 在动三轴仪的压头上安装剪切波发射与接收传感器，利用信号发射与接 收设备，采集试验数据。试验的基本步骤与抗液化剪应力试验相同：试样安 装在仪器上后，采用抽真空上水饱和法使土样饱和，试样饱和后，在应力控 制条件下施加固结压力，使土样排水固结，固结完毕后，进行土样剪切波速 的测试。试验的结果如表2 - 6 所示。 表2 - 6室内剪切波速结果 钻孔号取土深度( i n )围压盯。( k p a )室内波速( m s ) 8 71 2 01 4 7 3 6 9 11 2 51 3 7 1 2 1 0 71 4 01 6 2 8 8 1 1 11 4 51 7 4 9 6 1 1 51 5 01 6 6 1 6 6 + 0 0 0 1 1 91 5 518 3 6 8 1 2 31 6 01 8 5 4 4 1 2 71 6 51 9 5 0 4 1 3 11 7 01 8 1 6 8 1 3 51 7 51 6 0 4 8 1 2 21 5 51 7 1 7 6 9 + 3 5 01 2 61 6 01 7 0 7 2 1 7 72 l o1 8 0 3 2 1 1 41 5 01 6 7 7 6 1 1 + 8 0 01 2 21 5 51 9 0 2 4 1 2 61 6 01 5 6 1 6