（环境工程专业论文）黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟.pdf

黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 t e s t j n gr e s e a r c ha n dn u m e r j g a ia n a i y s i sf o r e a r t h q u a k el i q u e f a c t i 0 1 3o ff o u n d a t j 0 1 qs o jjj nt h e y e i l o wr i v e rd e l t a a b s t r a c t t h ep a p e ri n c l u d e sf i v ep a r t s t h ef i r s tp a r ts u m m a r i z e st h es i g n i f i c a n c eo f s t u d y ， s t a t u sq u oa n dc o n t e n t so fs t u d y t h es e c o n do n es h o w st h et e s t i n gr e s e a r c hw o r ki n s i t u a t i o na n dl a b o r a t o r y t h et h i r do n es e t su ps e i s m i cp a r a m e t e r sa n dt i m e d i s t a n c e c n r v eo fg r o u n dm o t i o nt h r o u g hs i t es e i s m i cr i s k t h ef o r t ho n ea n a l y s e st h ed y n a m i c p r o p e r t i e s o fs i l t s ( i n c l u d i n gd e f o r m a t i o na n d i n t e n s i t yp r o p e r t i e s ) u n d e r s e i s m i c l o a d i n g t h e l a s to n ei st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rl i q u e f a c t i o n p o t e n t i a l o ft h e s a t u r a t e ds i l t su n d e rd i f f e r e n ts e i s m i cl o a d i n gb ym e a n so ff i n i t ee l e m e n t a c c o r d i n gt od a t u m ，t h ef o u n d a t i o ns o i lo ft h ey e l l o wr i v e rd e l t aa r es a t u r a t e d s i l t sw h i c ha r et e n dt ol i q u e f y a n dt h es a t u r a t e ds i l t sh a v eu n c o m m o n p m p e r t i e s ，w h i c h d i f f e r sf r o mo t h e rs o i l a tp r e s e n t ，r e s e a r c hw o r ka b o u tl i q u e f a c t i o no ft h i sa r e ai sf e w a n dt h em e t h o d sa r ef o r m u l ac o m i n gf r o mc r i t e r i o n m o r er e s e a r c hw o r ki sg o i n gt ob e d o n ei no r d e rt ov a l i d a t et h e s em e t h o d sh o l d i n gt r u eo rn o t i ti so fp e r t i n e n c ea n d s c i e n c et o a n a l y s ed y n a m i cp r o p e r t i e s o fs i l t s t h r o u g h t e s t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s y n t h e s i z e sk n o w l e d g eo fm a t h s ，m e c h a n i c sa n dc o m p u t e rt oa n a l y s e sl i q u e f a c t i o no f f o u n d a t i o n ，w h i c hi ss t r i c t n e s sa n d t a k e si n t oa c c o u n tm u l t i f a c t o r s s e i s m i cp a r a m e t e r sa n dt i m e d i s t a n c ec u r v e so fg r o u n dm o t i o nu n d e r6 3 ，10 a n d3 p r o b a b i l i t yo f e x c e e d a n c ea r es e tu pb ya n a l y s i so fs i t es e i s m i cr i s k r e s e a r c h w o r ka b o u td y n a m i cp r o p e r t i e so fs a t u r a t e ds i l t si ss t u d i e du s i n gc y c l i cl o a d i n gt e s t ， i n c l u d i n gs h e a rm o d u l e s ，d a m p i n gr a t i o ，c r i t i c a lp o r ew a t e rp r e s s u r er a t i o ，p o r ew a t e r p r e s s u r ea n ds h e a rs t r e n g t hm o d e l a tl a s t ，b a s e do nt h eb i o tc o n c r e t i o nt h e o r y ，t h e p a p e ra n a l y s e sl i q u e f a c t i o np o t e n t i a l o ff o u n d a t i o nu n d e rd i f f e r e n t p r o b a b i l i t y o f e x c e e d a n c es e i s m i cl o a d i n gu s i n gf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w h e ns e i s m i c 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 l o a d i n g i s6 3 a n d10 p r o b a b i l i t yo fe x c e e d a n c e ，a l ls i t e sd o n t l i q u e f y w h e n s e i s m i c l o a d i n g i s 3 p r o b a b i l i t y o fe x c e e d a n c e s i l t s4m e t e r su n d e r g r o u n d i n d o n g y i n g g a n ga n ds i l t s 3m e t e r su n d e rg r o u n di ng u d o n ga r el i k e l yt ol i q u e f y ，s i l t s b e t w e e n6 8m e t e r si nd a w a n g b e iu n d e rg r o u n da r el i k e l yt ol i q u e f yt o o a n dp o r e - w a t e r p r e s s u r es u r f a c eg r o w sr a p i d l y k e yw o r d s ：s a t u r a t e ds ii t s ：a n a l y s i so fs e i s m i or i s k ：t e s t i n gr e s e a r c h d y n a m i cp r o p e r t i e s ：n u m e r l e a i s i m uj a t i o n 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 u 日| j 菁 本论文依托于山东省建设厅基金项目“黄河三角洲饱和地基土地震液化判 别综合方法研究”，在其资助下完成。 根据目前对黄河三角洲形成的原因、历史和过程的研究，尤其对该区地基 土工程地质性质的研究，该区的沉积物为饱和粉质土，且具有很强的独特性， 不同于一般土体。而目前对于该区的液化判别工作开展较少，且多是利用规范 中的标贯、静探、剪切波速进行液化判别的公式，这些方法是否适用于该区， 有待于进一步的研究。本文选择试验方法研究该区地基土的动力特性，具针对 性和科学性；数值分析法综合了数学、力学和计算机的知识，用来研究地基土 液化发生发展过程，在分析上较为严密，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地基土液 化区的发生和发展过程。 对该区进行地震液化判别研究工作，首先对于黄河三角洲地区，目前已开 展了一系列不同发生概率风险水平地震下地表土层振动反应谱研究工作，利用 这些资料进行场地土层地震破坏分析无疑具有更强的针对性。而后更进一步研 究了这种特殊地基土的动力特性，建立起数值模拟的模型和参数，并进行了液 化的试验判别。最后用基于b i n 固结理论的有效应力有限元法对地震荷载作 用下的地基土的响应过程进行了数值分析，模拟其液化发生情况，尝试着对该 区饱和粉质土地震液化进行判别，为地区性抗震规范建立奠定基础，为城市抗 震减灾服务，具有深远意义。 回顾我们的工作，做出了一些开拓性的尝试，由于作者水平有煨，文中难 免有错误与不足，恳请同行专家不吝赐教，给予批评指正。 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 1 研究意义、现状与内容 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开发， 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。 黄河三角洲是我国东部主要的地震活动区之一，属华北地震区华北平原地 震亚区，靠近营口一郯城地震带，特点是强度大、频度较高。据考证黄河三角 洲入海口地区，在1 6 6 8 年莒南8 5 级地震，1 8 8 8 年渤海7 5 级地震，1 9 6 9 年 渤海7 4 级地震，1 9 7 6 年唐山7 8 级地震等几次大地震，都曾发生大规模地基 土液化破坏，所以该区的地震灾害应予以足够的重视。 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“。“1 ，该区的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。 根据目前对黄河三角洲沉积物工程性质的研究，尤其结合国家自然基金 “黄河口水下斜坡硬壳形成与破坏”，该区的饱和粉质土具有很强的独特性， 不同于一般土体。目前该区的液化判别多是利用规范中的标贯、静探、剪切波 速等液化判别公式进行，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 试验方法研究该区地基土的动力特性，具针对性和科学性。数值分析法综合了 数学、力学和计算机的知识。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。通过分析建立起黄河三角洲地区饱和粉质土地震液化判别标准，为地 2 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 区性抗震规范建立奠定基础，为城市抗震减灾服务，具有深远意义。 1 2 研究现状 自】9 6 4 年美国阿拉斯加地震和1 3 本新泻地震以来，出于砂土液化而造成 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，才日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。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，进行不同发生概率风险水平地震下的液化预测和研究工作。 对自由场地的砂土液化预测，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 e e 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： ( 5 ) 土层反应分析法； ( 1 ) s e e d 简化分析法“3 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： ( 1 ) 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 ：0 6 5 a m “? h y a( 卜1 ) 。8 “ g 式中：为折减系数：y 为容重；g 为重力加速度；口一为地面最大加速 度：h 为土层厚度。 ( 2 ) 试验确定饱和砂土单元发生液化所需要的剪应力。 ( 3 ) 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。 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 s e e d 分析法简单明了，使用广泛，但确定f 。比较粗略且不考虑孔隙水压 力的发展水平：另一方面判别结果的正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，其主要内容分为粗判和细判。 ( 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。 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【9 l 来模拟在地震时 土的应力状态。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。“” 4 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 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。此法的研究现状、发展趋势以及具体技术路线将在后面的章节作详述。 土层反应法考虑的因素可咀很多，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，这也有定的难度。 1 3 本文研究内容 以上介绍了各种方法以及它们各自的特点并进行了辨识。针对本文研究 的具有很强独特性的饱和粉土，根据现有条件，鉴于经验法和概率法的不适 用。本文尝试通过室内原状土试验建立土层反应分析法的材料参数和模型，应 用有限元数值方法模拟黄河三角洲地区饱和粉土对地震荷载的响应情况。与此 同时，根据室内试验分析粉土的动力特性并进行液化的初判。 ( 1 ) 研究区域的界定 本基金项目在现代黄河三角洲边缘确定三个典型地段进行研究，分别为北 部大王、东北部叶瓣上的东营港、南部孤东。三个典型研究区基本涵盖了不同 时期现代黄河三角洲沉积形成的地基土类型。 ( 2 ) 现场测试 在东营港典型研究区进行钻孔、取样，现场力学指标的测试，现场地球物 理指标的测试。本文主要就其中的钻孔和剪切波速进行了分析。 ( 3 ) 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 ( 土的含水率、密度、饱和度、液限、塑限、粒度成分、矿物成分、微结构) 和静力学性质指标试验( 渗透试验、固结试验和三轴试验) 。 ( 4 ) 地震动时程的建立 通过不同手段测试获得黄河三角洲地区场地土层的物性参数和波速资料， 进行地震危险性分析，提供不同概率水平下输入的地震动参数和时程曲线。 ( 5 ) 土的动力特性研究 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 根据现场测试和室内试验的分析，选取有代表性的原状土样，进行动力特 性的循环荷载试验，以进行饱和粉质土动力特性的分析和液化破坏的判别研 究，并且为数值方法分析饱和粉质土对地震荷载的响应提供材料参数和模型。 ( 6 ) 土层动力反应分析 综合分析国内外土层反应分析法的现状及发展趋势，结合本项研究的条件 和特点，选择使用基于b i o t 动力固结理论的二维排水有效应力的有限元方 法，进行黄河三角洲地基土在不同地震水平下的土体的反应分析和液化判别。 黄河三角洲地基士地震液化的试验研究和数值模拟 2 现场、室内试验的分析研究 2 1 黄河三角洲的概况及典型研究区域的界定 黄河以其水少沙多，尾闾善徙著称于世。巨量的泥沙入海为黄河三角洲的 形成和发育提供了丰富的物质基础。自1 8 5 5 年黄河改由渤海入海以来，尾闾 河道频繁摆动，由各个时期的三角洲沉积相互叠置，形成现代黄河三角洲体 系。黄河三角洲工程地质环境取决于形成黄河三角洲的沉积动力环境，黄河三 角洲的特点是由黄河的多泥沙以及善淤善徙所形成的。所以，沉积物具有独特 的性质“。 因为黄河所携带的泥沙中有9 0 来自黄土高原，黄土高原的土以粉土粒 级为主，粘土粒级较少。而黄河泥沙约有9 0 沉积在河口外3 0 k m 以内的河口 三角洲复合体内，因此，在三角洲沉积体系中，粉土粒级占绝对优势。”。 黄河三角洲地区的钻孔资料较多，以5 号桩钻孔为例，地层的特征具有 一定的代表性，能反应近代黄河三角洲地区的地层特征。根据钻孔资料的分 析，5 号桩钻孔4 5 0 m 深度的岩心，沉积物为粉砂质粘土、粘土质粉砂、细 砂、细砂质粉砂等粉土类土。全新统在5 号桩钻孔中厚度约为2 0 m ，颜色为黄 色，下部为粉砂质粘土，主要为潮坪一浅海一三角洲相沉积。上部主要为粘土 质粉砂，为近代或现代三角洲相沉积“”。 表2 - 15 号桩地层特征 地层岩性粘土矿物 c a c 0 3 厚度伊利石 统层沉积物颜色m d 鲫。s k 女1 7 i o a7 i o a ( m ) 全 a 粘土质粉砂 5黄色50 60 2 56 40 31 12 8 6 新b 细砂粘土 1 3黄色40 6o 2 06 2o 61 22 1 0 统 质粉砂 c粉砂质粘土2黄色g2 00 0 l6 60 31 01 5 8 4 上更 d细砂质粉砂2 黄色 62 5o 5 06 50 31 15 0 0 e 粘土质粉砂 1 8黄色62 oo8 07 2o 。l0 56 0 0 新统 f粉砂质粘土5 黄色 92 0o 0 06 80 ，41 04 0 0 本项目在现代黄河三角洲边缘确定三个典型地段进行研究，分别为a 北 部大王，b 东北部叶瓣上的东营港，c 南部孤东( 图1 ) 。三个典型研究区基 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。由于时间的限制， 7 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 目前只开展了东营港典型研究区的工作，另外两个典型研究区还有待于下一步 的工作，本论文对孤东和大王研究区采用搜集的资料。 a 废弃河道；b 现代黄河三角洲边界：a 大王：b 衷营港；c 孤东； 1 1 8 5 5 1 8 8 9 年：2 1 8 8 9 1 8 9 7 年；3 1 8 9 7 1 9 0 4 年；4 1 9 0 4 1 9 2 9 年； 5 1 9 2 9 1 9 3 4 年：6 1 9 3 4 1 9 3 8 、1 9 4 7 1 9 6 4 年：7 1 9 5 4 1 9 7 6 年；8 1 9 7 9 年后 图2 - 1典型研究区的平面布置图 各部分沉积物的工程性质和分布特征，通过现场和室内试验进行分析。现 场测试的优点是避免了在取样、运输过程中所产生的扰动对试验结果的影响。 现场测试进行了大量的工作，本文主要分析的是钻孔资料和波速结果。室内试 验对取回的土样进行了详细的研究分析，以获得土样的物理性质和静力学性 质。通过现场和室内试验，一方面建立起计算区域的模型，为数值模拟做铺 垫：另一方面分析沉积物垂向分布特征，根据沉积物特性，选取有代表性的土 8 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 样进行动三轴试验，进行液化的判别，并获取沉积物的动力学特性，建立起数 值模拟的材料参数和模型。 2 2 现场、室内土工测试工作 因为时间的关系，目前仅开展了东营港典型研究区域的现场和室内土工测 试工作，就此作详细介绍，而对于另外两个典型研究区域，采用收集的资料进 行对比分析。 2 。2 1 现场工作 ( t ) 钻孔 研究区东营港布置3 个钻孔，孔深2 0 米，孔间距1 0 米，全程p v c 套管 护壁，测定孔口标高与坐标。东营港钻孔柱状图见附表一。 ( 2 ) 取样 在研究区东营港取两个钻孔样，0 l o 米深度全程取芯，l o 2 0 米范围按 1 米间隔取芯，利用p v c 薄壁取土器，确保样品不扰动和密封。取回做室内 试验和循环荷载试验。 ( 3 ) 波速测试 研究区东营港进行两个孔单孔剪切波速测试和两次跨孔剪切波速测试： 0 l o 米深度按5 0 厘米间隔进行剪切波速测试，l o 2 0 米深度按l o o 厘米间 隔进行剪切波速测试，波速测试数据结果表见附表二。利用这些数据主要用于 以下几方面的分析。( 1 ) 计算地基的动弹性模量、动剪切模量和动泊松比； ( 2 ) 场地土的类型划分和场地土层的地震反应分析；( 3 ) 配合其他测试方 法，综合评价场地土的工程力学性质。 2 2 2 室内试验 对东营港钻孔取样进行室内土工试验分析，选择2 0 个原状样品进行比 重、容重、含水量、液限、塑强、固结试验、粒度成分，了解现彳弋黄河三角洲 沉积物物理、力学性质。选取有代表性的8 个土样，进行多级固结不排水静 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 三轴试验，分析其静荷载强度，并提供数值分析的材料的静力参数。东营港土 工试验成果表见附表三，收集的孤东和大王北研究区的土工试验成果表见附表 四、五。 2 3 现场、室内试验的数据分析 综合钻孔、波速结果和室内试验资料分析得到研究区沉积物性质如下。 ( 1 ) 粒度成分 东营港沉积物的主要粒度成份为细砂粒、粉粒和粘粒。细砂粒含量多为 3 4 ，少数达到3 0 ：粉粒占主体，含量集中在8 0 9 2 5 ：粘粒含 量差别相对较大，从3 3 0 。搜集的孤东和大王北的资料中粒度分析试验 相对较少，不够完全，这里不作具体分析。 在前人进行的研究中，对于黄河口沉积物根据不周的规范给予了不同的命 名，主要有粉土和粉砂两种类型。建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 7 2 0 0 2 ) “”对粉土的定义，粒径含量大于o 0 7 5 m m 不超过5 0 ，且塑性指数 i 1 0 的土。这种土既不同于粘性土，又有别于砂性土，具有独特的性质。 粉土中粉粒含量占绝对优势，砂粒和粘粒含量相对较少。海洋地质调查规范 “，根据各个粒级对沉积物进行命名，对粉砂的定义为当砂粒和粘粒的含量 相对较低，均不超过2 0 ，土粒中粉粒的含量较高。则该粒组命名为粉砂。 研究区内的沉积物根据不同的规范可以有不同的命名。根据建筑地基基础 设计规范粒径含量大于o 0 7 5 n m a 基本上不超过1 0 ，最大值也远小于5 0 ， 塑性指数分成两种，多数土样4 , 4 i 。1 0 ，少数土样1 0 1 。1 5 。按照该规 范定名为粉土和粉质粘土。而根据海洋地质规范的命名原则，定名为砂质粉 砂、粉砂和粘土质粉砂。根据前人的研究成果“，沉积物的剪切模量随着粉 粒和粘粒的含量等因素而变化。尤其粘粒含量的多少对粉质土的动力特性起着 举足轻重的影响，故本文以建筑地基基础设计规范为依据，典型研究区东营港 的沉积物主要分为粉土和粉质粘土和极少量的粉砂( 夹层) ，孤东的沉积物类 型为粉士、粉质粘土和粘土，大王北的沉积物主要是粉土、粉质粘土和粉砂。 ( 2 ) 物理性质 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 东营港研究区域沉积物的含水率为2 3 7 3 8 4 ；天然密度为1 9 2 0 1 9 c m 3 ，干密度为1 3 6 1 6 0 9 c m 3 ；孔隙比为0 6 8 2 0 9 9 9 ：饱和度为 9 3 i o o 。孤东研究区域沉积物的含水率为2 3 1 4 0 6 ：天然密度为 1 7 2 0 4 9 c m 3 ，干密度为1 1 4 1 6 l g c m 3 ：孔隙比为0 6 4 l o 9 6 2 ；饱和 度为9 3 1 0 0 。大王北研究区域沉积物的含水率为1 8 0 3 5 7 ；天 然密度为1 8 7 2 0 7 9 a m 3 ，干密度为1 4 1 1 7 5 9 c m 3 ：孔隙比为0 5 3 3 0 9 2 5 ；饱和度为8 5 1 0 0 。由于黄河三角洲的沉积物多是在快速沉积条 件下形成的，所以粘粒含量越高的，孔隙水越难排出，一般其含水量高于3 0 ，天然容重低于1 9 3 9 c m 。 ( 3 ) 塑性特征 东营港研究区沉积物的液限在2 7 4 3 4 1 之间，塑性指数在4 + 4 1 4 6 之间，粉土芹粉质粘土的液限熬别不大，而塑性变化很大，这对于土的工程性 质影璃很大。孤东研究区沉积物的波限在2 6 。6 4 8 3 之闼，粉土的骥性指数 鸯8 。8 9 ，9 ，耪质旗夔塑镶搔数为1 0 2 1 3 ，糖翡鳖毪捂数必t 9 5 2 4 0 ，该隧沉积物的液限和擞暇相差都比较大，土的塑性较高。大王北研究 区沉积物的液限在2 2 4 3 1 1 之间，塑性指数为8 8 1 3 3 。 ( 4 ) 力学性质 流积物嬲力学经震是攒在辩力 筝曩下爨表魏翳狴矮，主要为交形特性秘 强度特性，遴常以压缩模量和挽剪强度参数来表示，它蹙的工程穗餍的重要 组成部分。土的力学性质主露取决于土的粒度成分、矿物成分、结构和构造， 还与土的受力历史有关。通道围结试验得到东营港沉积物的压缩系数为 0 。“7 o 2 7 5 m p a ，压缩摸羹为7 1 5 擗p a ，通过不攘水静三轴试验褥到有效 内摩擦麓为1 7 i 。4 0 。：凝聚力为o 5 4 k p a 。缀东茨强蘩敦垂臻系数秀 0 0 7 o 9 3 m p a 一，压缩模量为2 5 6 2 8 3 1 m p a 。肖效内摩擦角7 。1 3 。； 粘聚力为3 3 7 7 k p a 。大王j b 沉积物的压缩系数为0 0 9 o 4 1 m p a ，压缩模 量为4 7 1 8 。2 m p a 。有效内滕撩角为7 。1 39 ；粘聚力为9 1 3 6 2 k p a 。 黄、潺三爱渊瓣震羝压缩牲、糕强度。 ( s ) 滚欷物垂奁分布特餐 分析三个典型研究区沉积物的垂直分布特征，建立起液化分析的材料分类 i f 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 和计算区域。对东营港研究区，结合钻孔资料、波速测试和土工试验成果，对 孤东和大王北研究区，分析搜集的试验资料，得到三场地土层剖面特征如下。 a ) 东营港 东营港沉积物的垂向分布特征是粉土层和粉质粘土层交替出现，每层内又 常常有互层的现象。 表2 - 2 东营港典型研究区的土层剖面 第一层，l m 左右的厚度，粉质粘土层，褐黄色，可塑一软塑状态。湿，含 少量氧化铁；剪切波速值7 6 3 9 6 1 m s ；细砂粒含量仅为2 2 ，粉粒和粘粒 各占6 9 3 和2 8 5 。塑性指数为1 0 7 。 第二层，5 m 左右的厚度，粉土层，灰黄色一褐黄色，稍密- 中密状态，很 湿，含量少氧化铁，夹粘土质粉砂薄层；剪切波速值1 7 7 2 2 8 9 m s ；细砂粒 含量达到2 0 3 0 ，最多达到5 0 ，粉粒5 0 7 0 ，粘粒占1 0 。塑性指 数为8 8 9 6 。 第三层，3 m 左右的厚度，粉质粘土层，灰黄色，可塑- 软塑状态，湿，含 量少氧化铁和云母片，夹粉砂薄层；剪切波速值1 5 0 1 9 0 m s ；细砂粒含量 2 4 ，粉粒8 0 9 0 ，粘粒占1 0 左右。塑性指数为1 2 2 。 第四层，6 m 左右的厚度，粉土层，灰黄色，中密状态，湿，含量少氧化 铁和少量有机质；剪切波速值1 4 0 1 9 0 m s ；细砂粒含量8 ，粉粒6 7 ，粘 粒占2 5 左右。塑性指数为6 4 9 6 。 第五层，5 m 左右的厚度，粉质粘土层，灰黄色，可塑状态，湿，含量少 氧化铁和云母片，夹粉土薄层：细砂粒含量8 ，粉粒8 4 ，粘粒占8 左 右。塑性指数为1 0 8 1 4 ，8 。 b 1 孤东 从表2 3 看出，孤东沉积物主要是粉土、粉质粘土和粘土互层组成。 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 表2 - 3 孤东典型研究区的土层剖面 第一层，3 m 左右的厚度，粉土层，塑性指数为9 2 9 8 。 第二层，2 m 左右的厚度，粉质粘土层，塑性指数为1 0 2 1 0 9 。 第三层，8 m 左右的厚度，粉层，塑性指数为8 5 9 9 。 第四层，7 m 左右的厚度，粘土层，塑性指数为1 9 8 2 1 6 。 c 1 大王北 表2 - 4 大王北典型研究区的土层剖面 从表2 - 4 看出，大王北沉积物主要是粉质粘土、粉土和粉砂土互层组成。 第一层，4 m 左右的厚度，粉质粘土层，塑性指数为1 0 4 1 2 4 。 第二层，2 m 左右的厚度，粉土层，塑性指数为1 0 。 第三层，2 m 左右的厚度，粉砂土层。 第四层，1 2 m 左右的厚度，粉质粘土层。塑性指数为1 0 1 3 。 综合分析影响液化势的各种因素，基本上可归纳为：土的特性、环境因素 和地震特性三大类。在此考虑土的特性对液化势的影响，土的特性包括： ( 1 ) 动剪切模量；( 2 ) 阻尼特性：( 3 ) 单位容重；( 4 ) 粒径特征；( 5 ) 相对密度；( 6 ) 土的结构。三个典型研究区的沉积物以粉质土为主体，包括 粉土、粉质粘土和粉砂土。这些土都是属于容易液化的土。 小结：通过本章的分析，获得研究区沉积物的物理、力学工程性质，沉积 物分布特征等，为以后的液化分析做好准备工作。 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 3 地震动时程的建立 对黄河三角洲地区进行地震危险性分析，建立该区的地震动参数和地震时 程，用以地震反应的输入荷载。 3 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，主要问题是：( 1 ) 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。( 2 ) 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。( 3 ) 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。概率法以超越概率来表示场 地的地震危险性。概率分析方法简述如下： 设有n 个统计区对场地有地震危险性贡献，而第n 统计区在场点的地震 动年超越概率为只，则场点总的地震动年超越概率为： p = 1 一y 、f 1 一只) ( 3 1 ) 地震统计区是地震活动性分析的基本单元，它应具有统计上的完整性和地 黄 可三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 震活动的一致性，地震时间过程符合分段泊松过程，t 年内平均地震发生率为 v ，则 乓= 掣e x p ( 叩) 2 ) 其中圪为统计区内未来t 年内发生k 次地震的概率。统计区内大小地震 的比例遵从修正的g u t e n b e r g - r i c h t e r 震级频度关系，相应的震级概率密度 为： 加( 肘啬耥 睁s ) 其中为统计区b 值的2 , 3 倍，m 。为统计区的震级上限。在地震活动统 计区内，地震活动水平和强度的分布是相对均匀的。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布系数是与震级有关的 常数，记为f ，m ，其物理含义为，一次震级为m ，o 5 a m 的地震落在第l 个潜在震源区的概率。f m 作为震级的条件概率，可以反映统计区内地震空 间分布的非均匀性，对指定震级档的f m ，在整个统计区内是归一化的。即 有： f i n l j = 1 ( 3 4 ) 其中n 为统计区内能够发生m 0 5 a m 级地震的震源区总数。 根据分段的泊松分部模型和全概率定理，一个统计区所发生的地震在场点 所产生的地震动( a ) 超越给定值( a ) 的概率为： p 口 口) = l e x p 卜v 善肌茗p ( m j ) f i m j p ( 爿 d 旧扛( 印幽删臼 ( 3 5 ) 其中，p ( m j ) 为统计区内地震落在震级档m o 5 a m 内的概率： 脚户吾舯渺掣) ( 3 _ 6 ) 一重型三鱼型些墨圭些墨堕垡塑望壁里塞塑塑堡垡型 3 2 黄河口地区地震危险性分析 1 地震烈度与地震动衰减关系 地震烈度衰减关系采用椭圆形地震动衰减模型，其形式如下： j = b o + 蜀x m 十b 2 l o g ( r + r o ) + 5 ( 3 - 7 ) 其中，m 为地震震级，r 为震中距，i 为地震烈度，风为可变回归参数。 据此公式利用历史地震资料通过回归可得到本地区具体的地震烈度衰减关系。 地震烈度资料直接引用矬利油田地震区划中由2 7 个5 级以上的地震i 己录 资料求得的烈度衰减公式： 长轴方向：乞= 4 1 7 i + 1 3 9 0 m - 3 5 2 9 9 l g ( 也+ 1 6 ) ，盯i 口= 0 5 5 7 ( 3 8 ) 短轴方向：，6 = 1 5 9 6 + 1 4 1 3 m 2 6 3 6 5 l g ( r6 峋，口1 6 = 0 5 4 8 ( 3 - 9 ) r 。、r 。为别为椭圆的长、短半轴，吼。和q 。为回归方差。 地震动衰减关系选用胡聿贤先生给出的基岩地震加速度峰值和反应谱衰减 关系。地震动衰减关系的具体形式为： l o g s a ( t ) = b o + 骂x m + b 2 l o g ( r + 3 0 ) + 占 ( 3 - 1 0 ) 式中，玩，置，b ：为衰减系数。下表给出了这些衰减系数的具体数据。 表3 1 基岩地震动衰减系数 tb ob lb 2 0j 7 l0 6 5 72 ，1 80 ，4 2 0 0 52 8 4 1 10 4 9 82 2 0 6 80 3 7 0 12 9 2 40 5 5 6 82 ，3 2 6 20 4 2 0 1 52 8 8 2 80 5 4 7 72 2 30 4 7 0 22 7 1 30 5 4 2 12 1 0 3 30 4 8 0 2 42 8 2 7 60 5 0 6 72 0 7 0 l0 5 2 0 32 4 9 4 80 ，5 0 4 1一1 9 1 3 90 5 5 0 42 0 9 40 5 3 6 11 8 6 7 80 6 4 0 51 2 0 40 5 3 5 5一1 4 3 9 10 6 5 0 60 7 1 0 80 6 5 2 8一1 6 2 8 10 7 0 80 0 5 0 90 7 6 4 l1 ，7 0 0 10 7 5 1- 0 。3 9 9 20 8 3 0 31 ，7 2 60 8 1 4- 0 9 2 9 40 8 2 2 4一1 5 1 1 90 7 8 21 2 9 4 30 7 8 2 91 3 1 0 70 7 4 3一1 5 8 1 80 ，7 7 0 2一1 1 9 4 70 6 9 52 3 6 4 70 8 9 4 8 1 2 9 80 6 1 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 2 地震活动统计区的划分 ( 1 ) 郯庐地震活动统计区 本地震活动统计区南起安徽嘉山，向北经宿迁、新沂、郯城、临沂、潍坊 附近，穿越渤海到达辽宁营口、沈阳等地，止于开源一带，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活动统计区之一。由于区划 场地位于本地震活动统计区西侧，本地震活动统计区发生的强烈地震对工作区 将有影响。 ( 2 ) 河北平原地震活动统计区 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、蚌埠一 线，北界位于燕山南侧，西界位于太行山东侧，东界位于下辽河辽东湾拗陷的 西缘，向南延伸天津东南，经济南东边达宿州一带。由于区划场地位于本地震 活动统计区东缘，本地震活动统计区发生的强烈地震对工作区也将有直接影 响。 3 地震活动参数的确定 ( 1 ) 郯庐地震活动统计区 a 震级频度关系 对1 9 4 8 年以后的地震资料进行分幌该统计区经历了1 5 4 8 1 6 6 8 年的第 一次活跃期和自1 8 2 9 年开始的第二活跃期，到1 9 9 9 年止，虽然第二活跃期已 经历时1 7 0 年，超过前一活跃期，但一般认为自1 9 6 9 年渤海7 4 级地震和 1 9 7 5 年海城7 3 级后，该统计区现仍处于应变大释放阶段后期，今后百年将仍 有可能释放7 级左右地震的能量，又由于该统计区南北两端历时地震记载有一 定的差异，在震级频度关系统计时采用分段加权补震方法进行处理，由加权后 的7 3 次5 级以上历史地震统计得到该统计区的b 值为o 6 0 。 b 震级上限 郯庐地震活动统计区发生的最大地震是1 6 6 8 年郯城8 5 级地震，故郯庐 带的震级上限定为8 5 级。 e 年平均发生率 郯庐地震活动统计区未来百年内仍有可能释放7 级地震的能量，由1 4 8 0 年以来的7 级以上地震资料求得7 级以上地震年平均发生率为：v ，= 0 0 1 1 9 ， 17 黄河三角洲地基土地震液化的试验研究和数值模拟 据此，由公式v 。= 1 0 h “v ，求得未来百年郯庐带内4 级以上地震的年平均发 生率为：v 。= o 7 5 。 d 平均震源深度 根据历时地震记载和现代地震活动性资料，华北地区