（岩土工程专业论文）围束抗液化效果的小型振动台试验研究.pdf

摘要 摘要 建震侔矮下砂土及萁它无糖性地基渡化面亏| 趋的工结构物翁破坏是静 较为普遍的震害现象。围束可以实现抑制土体翦切变形，降低土体动剪应力的效 暴，歇磊达到防治液化蕊鎏的。本文主要透过小型振动愈摸型试验研究饱和砂主 地基中围策的抗液化效果。主要研究成果如下： ( 1 ) 从逑基土、重寒、输天地震波、模銎籍、振动蠹等方两，进行了键和 砂土地基中围束抗液化效果的小型振动台模型试验设计；标定了动孔压传感器系 数。 ( 2 ) 进行了饱和砂土地基中围束抗液化效果的小型振动台模型试验，通过 试验宏蕊现象积强隙承压力的沈较，分析了蠢柬豹藐滚纯效票，主要表现隽孔压 比的降低，或砂土地基液化时间的延长。 ( 3 分析了振动参数对张压院时程莹线豹影璃。警其它条箨都一样麴情况 下，振动加速度越大砂土地基液化时间越短，或者振动加速度越大最大孔愿比也 越大；砂土缝基的液纯对霾随着振动频率麓降低两延长，甚至不液化。 ( 4 ) 分析了围束的平面布置方式和面积对围束抗液化效果的影响。在围束 巍积一样的情况下，纵意固柬的抗液化效果强予横向围慕翡抗液化效栗；在露束 方向一定的情况下，随着围束面积的减小围束的抗液化效果越来越明显。 关键词：小型振动台模型试验；饱和砂土；模型箱；围柬；抗液化 a b s t r a c t a b s t r a c t i 霉戤巍c l i o 珏诚l lo c e 氍i 藏s 雒d ys 跌l 强d 。 魏e rn o 魏c l 鑫y i l 毪稳d e fe a 确q u 疲e ， a n dg e o t e c h n i c a ls t l l j c t u r e sw o u l db ed e s t r o y e d c o m p a n m e n t a t i o nc a nr e a c ht h e 。蟛e e i v eo fl i q 粥董l i 。nf e s i s t 黼e eb yi 蕊南i t i n gs o i l 盎e 嚣d e 两m a 圭i o na n d 糟d u e i 薹l g s o i ld y n a m i cs h e a rs t r c s s 7 1 1 1 r o u g hs m a l ls h a k i n gt a b l em o d e l t e s t ，m el i q u e f a c t i o n 稽s i s 专盟e eo f e o 翔p 醒鼬e n a 童i o n 主ns a 稔拖e ds a n d ys o 疆i s 鞠a l y z e d 。甏l em a i ne n t e n l s o ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o 、s ： f 妁m 南u 稚越i o ns o i l ，c 鲫p a 戎激e n 镪矗。鞴i n p u 枝i n g i s m i ew a v e ，氆o d e lb o x ， s h a k i n gt a b l ea j l ds oo n ，t h ed e s i g no ft h el i q u e f a c t i o nr e s i s 协n c eo fc o m p a n m e n t a t i o n i ns 鑫l u f a l 甜s 鑫趟ys o i lo l las m 越ls h 呔i n g 敦l b l em 丽西把瓯i s 蠡n i s h e d 秘甜d i l i o n ，m e p a p e rp a y sa t t e n t i o nt ot 1 1 ec a l i b r a t i o no ft h ed y n a m i cp o r ew a t e rs e n s o rc o e 饿c i e n t ( b ) 确el i q u e 蠡糙t i 鞠r e s i s 触c eo fe 伽1 p 硪m e 赫t a 专i o n 珐洳f a l e ds a 薹l d ys o i lo na s m a l ls h a k i n gt a b l em o d e lt e s ti si n t r o d u c e d b yc o m p a r i s o no ft h et e s tp h e n o m e n o n 鞠d 氇ep o r ew a t e fp 鹳s s u f e ，m ei i q u e 矗c i o nf e s i s t a l l c eo fc 鲫p a r 扛n e n l a t i o ni s r e n e c t e dt h a tt h ep o r c 、v a t e rr a t i ob e c o m e ss m a l l e ro rt h el i q u e f i e dt i m eo ft h e s a l l d y s o 主lb e e o m e sl o n g e fu n d e r e o m p a r t m e n t 缴i o ne o n d 撼o n s ( c ) t h ei m p a c to ft h es h a k i n gp a r a m e t e r so nt h ep o r ew a t e rr a t i oi sa 1 1 a l y z e d w h e no t h e rc o n 蛳o n sa r et h es 锄e ，t h el i q u e 矗e dl i m eo fm es 狐d ys o i lb e e o m e s s h o r t e r0 rt l l el a 玛e s tp o r ew a t e rr a t i ob e c o m e s b i g g e rw i t ht h es h a j ( i n ga c c e l e r a t i o n i n c r e a s i n g 骶l el i i 邓e e dt i m eo ft h es a n d ys o i lb e c o m e s1 0 n g e rw i t hs h a l ( i n g f e q u e n c yd e c r e a s i n g ，e v e nn ol i q u e f a c t i o nc a nh a p p e n ( d ) 拍ei m p a c to ft h ec o m p a f t m e n t a t i o nl a y o u ta n dm ee o m p a r 砸1 e n t a t i o n 鲫e a o ni t sl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c ei sa n a l y z e d w h e n 也es h a l ( i n gp 缄l m e t e r sa n dt h e n u m b e ro f 像e c o m p a n m e n t a t i o n sa t h es 蝴e ，m ei m p a c to fi o n g i t u d i n a l c o m p a r t m e n t a t i o n o n l i q u e f a c t i o n r e s i s t a i l c ei sb e t t e rt h a nt h a lo ft 舰s v e r s e c o m p a 咖e 嫩a t i 锄1 渤ei m p a c to fc o m p a 椭m e n t a t i o no nl i q u e f a c t i o nr c s i s t a n c ei sm o r e o b v i o u s l yw h e nt h ec o m p a r t m e n t a t i o na r e 8i ss m a l l e r 1 ( e y w o r d s ：s m a l ls h a k i n gt a b l em o d e lt e s t ；s a t w a t e ds a l l d ys o i l ；m o d e lb o x ； c o m p a n m e n t a t i o n ；l i q u e f a c t i o n 心s i s t a l l c e 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 及取缳的研究成果。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) ：毒2 益l 弘寸年j “月 以因 学位论文使用授权说明 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) ： 巾j 月磊 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 第l 章绪论 地震( e 粗h q u a k e ) 是指因地球内部缓慢积累能量的突然释放或指人为因素 引起的地球表层的振动【l j ，同台风、暴雨、洪水、雷电等一样，是一种自然现象。 地球上每天都在发生地震，一年大概有5 0 0 万次，其中约5 万次入们可以感觉到； 可能造成破坏的约有1 0 0 0 次；7 级以上的大地震，平均每年有十几次。地震不 仅会引起地面破坏、建筑物与构筑物的破坏、山体等自然物的破坏，丽且因为破 坏了自然和社会原有的平衡、稳定状态而引起一系列的次生灾害，如：火灾、水 灾、毒气泄漏、瘟疫等。表1 1 1 2 l 为2 0 世纪世爨范围内发生的重大地震。 表1 12 0 世纪灾难性地震 死亡人数死亡人数 基麓国别、遣赢麓期国剐、缝点 ( 入)( 人) 1 9 0 4 4 4 克什米尔1 9 万 1 9 7 2 4 1 0 伊朗、德黑兰o 5 万 1 9 0 6 。4 1s 美溺、l 曩金由7 万余 1 9 7 2 ，1 2 。2 2 怒翅拉蹑，遥拉瓜6 万 1 9 0 8 1 2 2 8 意大利8 5 万 l9 7 5 2 4 巾国、辽宁海城0 1 3 万 1 9 2 0 。1 2 1 6 中豳宁夏海原2 0 万 1 9 7 6 2 4 危地马拉2 。3 万 1 9 2 3 。9 1日本、横滨1 4 万 19 7 6 6 2 6 印尼、伊里安查亚o 3 万 1 9 3 5 5 3l印度、奎达5 万l9 7 6 7 2 8中国、河北唐山2 4 2 万 1 9 3 9 。l 。麓智弱 3 万 1 9 7 6 8 ，1 7 薄律宾、撩兰老o 8 万 1 9 3 9 1 2 2 7 土耳其、埃尔津詹l o 刀 1 9 7 7 3 4 罗马尼旺1 5 4 1 人 1 9 5 0 + 8 。1 5 中国、西藏察髑3 万 1 9 7 8 9 。1 6 伊甥、塔巴疑2 。5 万 1 9 6 4 3 2 7 美国、阿拉斯加1 3 1 人 1 9 8 0 1 1 2 3 意大利南部2 9 3 1 人 1 9 7 0 5 3 l玻利瓦尔5 万1 9 8 5墨两哥、墨甄哥城3 万 本世纪亚洲发生多次重大地震，如2 0 0 3 年1 2 月2 6 日伊朗巴姆发生里氏6 4 级地震，它不仅使一座两千年古城被完全摧毁，而且造成人员巨大伤亡，地震死 亡人数接近4 万人，成千上万人无家可归。2 0 0 4 年1 2 月2 6 日上午，印尼苏门 答腊岛以北海域当地时间8 时发生地球4 0 年来最强烈的9 o 级大地震，并引发 了灾难性的海啸，殃及斯罩兰卡、印度、印尼、泰国、玛来西亚、马尔代夫和孟 加拉国等沿海地区，造成近3 0 万人遐难，数百万灾民无家可归。 第l 章绪论 图1 1 唐山地震中由于地震液化而引起的公路开裂 1 1 2 新渴( n 垤a t a ) 地震中的液化现象 19 6 4 年6 月1 6 曰，日本新渴县发生7 5 级大地震，造成2 6 人死亡，4 4 7 人 受伤，房屋全坏1 9 6 0 户，半坏6 6 4 0 户，农田、交通、船舶等均有破坏。地震灾 害中，以地基液化现象造成灾害最为突出【6 j 。新渴市几乎都是由信浓川堆积物 ( 砂、粘土、堆土) 构成的软弱地基。地下水位很浅，离地面仅1 米。该地基在 地震的强烈冲击下，发生大面积液化，出现地面沉陷、开裂、滑动、喷水冒砂等 现象。新渴市1 5 0 0 栋钢筋混凝土建筑物有3 1 0 栋遭到破坏。部分房屋建筑虽连 根拔起，但房屋结构本身却完好无损( 见图1 2 1 7j ) 。 图1 2 新溻地震中地震液化引起的建筑物倾斜 溺海大学硕士学霞论文： 疆柬抗滚纯效采酶小整振动台试验疆究 地推动了众多学者对土的液化特性的深入研究及岩土工程的迅速发展。经过四十 多年的发展，关于土体液化特性的研究已豳益广泛与深入，对于饱和砂土液化的 原因和机理、液化的判别方法、抗液化的加固技术等方面的研究已经取褥了丰硕 的成果。目前，土体液化后的性状研究逐渐成为热点f 1 2 - 卯，但由于地震发生的频 繁性和不可预测性，以及土层的复杂性和多样性，因此对土体液化特性的认识还 远远不足，所以砂土液化问题仍是岩土工程界一个值得广泛熏视和深入研究的课 题。 l 。2 。l 地震液化研究现状 随着2 0 世纪5 0 年代地震液化灾害的不断报道，人们对液化问题逐渐重视起 来，但液化的定义却没有很好的统一，在实际应用中液化的定义比较混乱强琊。比 较常见的有“初始液化( i n i t i a ll i q u e f a c t i o n ) 、实际液化( a c t u a l “q u e f a c t i o n ) 、 循环液化( c y c l i cl i q u e f a c t i o n ) 等。1 9 6 6 年s e e 7 l 等人把不排水循环剪切试验 中有效应力第一次为零的状态称为“初始液化 ，从而把液化过程分为“初始液 化前( 简称液化前) ”和“初始液化后( 简称液化后) 两个阶段。c a s t r o ，r o b e r s t o n l l 碓 等人认为，土体结构是否破坏与初始液化无必然联系，是由其自身变形决定。即 使不发生初始液化，只要土体结构破坏，强度降低到一定程度同样也会出现流动 破坏状态即土体液化。1 9 7 9 年c a s a g r a n d e 通过试验研究了“实际液化 与“循 环液化 在物理意义上的区别，并提出了“流动结构、“稳态抗剪强度 等概念， 为液化后相关闯题的分析提供定义方法。然丽目前使用最广泛的是1 9 7 8 年美国 土木工程师协会岩土工程分部土动力学委员会对“液化”的定义：任何物质转化 为液体的行为或过程【3 j 。 综合以上的描述，从液化的机理角度而言，液化有两种基本的理解：一种观 点是以s e e d 为代表的，以液化的应力状态为出发点，认势法向有效戚力为零时 达到液化状态，即“初始液化 ；第二种观点是以c a s t r 0 等人为代表，以位瑚趔 x 海海大学硕士学位论文：围束抗液化效果的小型振动台试验研究 诧 现象。在大量实验硗究的基础主，1 9 7 5 年s e e 纛等正式地提出经验法，它是 液化研究史上的里程碑。此时，与地震液化相关的振动孔隙水压力变化规律迅速 发展，如：2 0 世纪7 0 年代m 馥i 穗、珂s 璎e r 等人提蠢的孔隙水压力应变模型、疲 力模型、内时模型、能量模型、有效应力路径模型和瞬态模型；1 9 8 1 年f i n l l 利 用内时理论建立了饱和砂在循环荷载作用下孔隙水歪力计算模型。与此同时 c a s a g r a n d e 重新调整了他以前提出的“临界孔隙比的概念和试验方法，并提出 “流动结构、“稳态变形 及“稳态抗剪强度 等概念，d o b 攀，p o u 的u s 等人 在此基础上做了进一步地系统性研究工作。二十世纪八十年代以来，液化问题的 研究重心逐渐转囱液化零| 起的变形评价，如：1 9 9 1 年琵g i a n 【锈等人、1 9 9 9 年 j i b s o n 【2 0 】等人提出了预测液化引起地面侧向位移的公式或方法；1 9 9 8 年 s h a m o t o 疆1 互习等人提出了可同时预测液化焉地表侧向位移和沉降的新方法。 国内在振动液化方面的开创性工作应归功于我国学者黄文熙，汪闻韶等人。 五十年代末，我国学者黄文熙教授最旱提出利用振动三轴仪对土体的动力特性进 行试验研究的思路，并开展了大量的试验研究工作，取得了丰硕的成果。1 9 6 2 年汪闻韶瞄】基于室内试验结果，提出了饱和砂土振动孔隙水雁力的扩散及消散规 律，并利用有限差分法给出了计算实例。虽然我国在砂土液化方面的研究开始于 二十世纪五十年代末，但是比较广泛而深入的研究还是源子二十世纪六七十年代 国内相继发生的几次破坏性大地震【2 4 1 ，这些地震灾害中出现了大量的液化破坏事 侧，造成了巨大的损失，为科研工作者提供宝贵的原始资料。随着这几次破坏性 地震的发生，地震液化问题逐渐成为土工抗震工程领域的一个热点研究课题。谢 定义1 2 5 】提出了孔压的瞬态模式，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。在考虑最小能原理、颗粒滑移机理、硬化机理及剪 胀机理的前提下，沈珠江【2 6 】从砂土变形的微观机制出发，构造出了一个含有1 0 个参数的砂土本构模型，借此计算正弦荷载下的孔愿增长规律。张克绪1 2 7 j 提出用 八面体动剪切强度验算液化范围，解决了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问题，并给出对应的液化判别式。 此外，1 9 8 7 年何广讷【2 8 j 等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；门福录和崔杰1 2 9 ，3 明从两相 介质相互作用的观点出发，探讨了砂土液化问题。近期在砂土液化方面，我国的 8 第1 章绪论 学者如刘颖、沈珠江、徐志英、谢定义、魏汝龙、周健等人做了大量的研究工作。 总体丽言，在液化研究方面，无论是理论层面还是实际应用层面，我国与世 界上其他国家还存在一定的差距，尤其是美国和日本在液化研究方面积累了大量 的现场资料和丰富的实验数据。因此，开展砂土地基液化方面的工作具有相当的 价值与意义。 1 2 2 饱和砂土地震液化机理及影响因素 饱和砂土地震液纯是指饱和松砂在地震循环萄载作用下趋于密实，导致孔隙 水压力骤然上升，而在短暂的震动过程中，孔隙水压力来不及消散，从而使土体 有效应力减小，当体有效应力完全消失时，砂土完全丧失抗剪强度和承载能力， 呈现类似液体的特征。实质上就是在地震荷载反复作用下砂土颗粒向下沉落时受 到孔隙水向上摊出的阻碍，在结构破坏的瞬间或一定时间内，砂土颗粒处于局部 或全部悬浮状态，从而砂土的抗剪强度部分或全部丧失。 i 。2 2 1 饱和砂土地震液化枧理 从上述液化的过程分析，砂土地震液化的条件主要有f 3 1 1 ：比较大的地震； 松散堆积的砂性土( 中砂以下的砂土域粉土等少黏性的细粒土) 地基；高地下 水位。 根据砂土地震液化的过程和条件，推断地基地震液化的视理如下f 3 1 】： ( 1 ) 地基土为疏松饱和的砂性土 饱和松砂或粉士多为不稳定的散粒结构，在地震荷载作用下会出现剪缩现 象，即土体趋于密实，体积减小。 ( 2 ) 孔隙水压力的上升、超静孔隙水压力的形成 在地震循环荷载的作用下，砂土或粉土趋于密实，颗粒间的孔隙要减小，但 孔隙水又来不及及时排出，所以土颗粒呈现悬浮状态，土粒闯的压力发生转移， 形成超静孔隙水压力。 ( 3 ) 超静孔隙水压力骤然增加 地震荷载的强烈震动使褥超静孔隙水压力的形成与消敖不能同时进行，著且 随着震动的延长，超静孔隙水压力不断升高。当超静孔隙水压力升至相应的固结 压力时，土体间的有效应力为零，土体呈现液态的性状，从两出现喷水、冒砂的 9 第1 常绪论 地震条件、埋藏条件、土性条件【3 9 1 。 ( 1 ) 地震条件 地震条件主要包括地震强度和持续时间。在其它条件都相同的情况下，地震 强度越大，则地面加速度越大，饱和砂土越容易液化。地震持续时间越长，则地 震循环荷载的作用次数越多，砂土越容易液化。即便是没有发生液化的砂土层， 当震动时间较长时也有发生液化的可能性。 ( 2 ) 埋藏条件 a ：上覆土层厚度。 上覆土层厚度越薄，则上覆有效压力越小，若使饱和砂土液化，即所需的超 静孔隙水压力也越小。一般情况下，在一定的地震荷载作用下，当饱和砂层埋 深越浅时砂土越容易液化；当饱和砂土层埋深越深时砂土越难液化。 b ：上覆土层的透水性。 上覆土层的透水性是决定其下卧砂土层液化与否的蒸要因素之一。饱和砂土 层受地震萄载作用时，如果其上覆层透水性越大，则地震过程中形成的超静孔 隙水压力消散得越快，因此很难在砂土层内聚集起发生液化所需的超静孔隙水压 力，砂土层从而不发生液化现象。只有当上覆层透水性较差，震动产生的超静 孔隙水压力才不能及时消散，砂土层才可能发生液化。 e ：应力历史。 一般情况下，朱遭受过地震的砂土比遭受过地震的砂土更容易液化。 ( 3 ) 土性条 孛 a ：砂土的粒径 不同粒径砂土的室内试验研究表嗳，耀粒砂土由于超静孔隙水压力消散较 快，以及难于悬浮，因此不容易发生液化。 b ：砂土相对密度 砂土的相对密实度d ，= ( 口一一) ( p 。瓢一p m i 。) 。通常认为砂土的相对密实度 d ，越大，砂土越难液化。若相对密度值达到6 6 + 5 以上时，砂土一般不液化1 3 9 1 。 e ：土的结构性 砂土的结构性主要指砂土内部颗粒排列和胶结程度。结构破坏土比原状土容 易液化；新砂层比老砂层容易液化。 游海大学硕士学位论义；围束抗液化效采鲍小型振动台试验研究 重。2 3 液化的判别方法 据地震液化的机理可判断出，地基地震液化与否取决予动力条件( 地震的强 度和持续时间) 和土性条件( 主要是相对密实度和有效固结压力) 。动力条件即 地震施加给地基土麴动力的大小，土性条件嚣地基抵抗癸力馋用的能力。所以， 当动力作用的强度小于地基土的极限抵抗能力时地基土不发生液化；当动力作用 的强度大于地基土的极限抵抗能力时地基土发生液化。 评价地基土液化的可能性不仅是工程建设中可液化地基需要解决的首要问 题，也是地基抗震设计规范中的一项重要谍题。 因前国外较多采用修正的s e e d 判别法【4 0 】，以及能量法等等；国内最常用的 是经验分析法，如建筑抗震设计规范g 8 5 0 1 1 1 吨0 0 l 中推荐的标准贯入法， 以及剪切波速法、静力触探试验法等等。 s e e d 篱化分析法是于1 9 7 1 年由美国 毒克翻地震工程研究中心s e e d 和 d f i s 1 1 教授提出的砂土液化判别的简化计算方法。欧美地区多采用修正的s e e d 判别法。 它以地震在土层中弓| 超的等效循环应力毙a 效来表征动力作用的大小，以一定振 动次数下土层达到液化时所需要的循环阻力比傩r 来表征土抵抗液化的能力。 所以砂土是否发生液化取决于等效循环应力比。奴( c y e l i es 秘e s sr 贰i ) 与地基土 的循环阻力比d 敞( c y c l i cr e s i s 锄c er a t i o ) 的比值。当该比值小于1 时，地基土不 发生液化；反之当该比值大于或等于l 时，地基土发生液化。对于不规则的随机 循环剪应力，可将之转化为等价的规则循环剪应力，然后再进行比较。其实质是 比较砂土中由振动作用产生的剪威力与产生液化所需的剪应力。 地震在土层中引起的动剪应力比可采用s e e d 和i d r i s s ( 1 9 7 1 ) 【4 1 】推荐的简化 公式计算 勰：( 每) o 6 5 ( 鱼) ( 阜) 芦j ( 1 - 2 ) o y o g d p o 其中，c 娘为有效循环应力比，口一为地表峰值水平加速度，g 为重力加 速度，f 。为地震产生的平均循环剪应力，。和盯：。分别为计算点的竖向总应力 和有效应力，为应力折减系数。 嗣前确定抗液化剪应力比有两种方法：室内试验和震害调查。随着试验技术 1 2 第1 章绪论 的提高和震害资料的丰富，该方法的可靠性越来越高。 能量法近年来发展比较迅速，它通过比较地震过程中传播到地基土的震动能 量和土体达到液化所需的极限能量的大小来判断土层是否液化。土的抗液化能量 和抗液化剪应力比一样，都可以通过室内试验和震害调查获缛。强莳度量场地能 量的方法主要有两种：基于g u t e n b e 瞎一r i c h t e r 能量的方法和基于a r i a s 烈度的方 法。 g u t e n b e 曙和r i c h t e r 提出的衡量地震辐射能的公式： e = 1 0 麟m ( 1 3 ) 式中，巴为从震源辐射出的总能量( k j ) ；m 为地震震级( 里氏震级) 。 蕊a s 提出的衡量场地震动强度的公式： 磊2 驰蜘者+ 胁) 川 m 4 ， 式中，j a 为底层顶部地震运动的a 矗a s 烈度；口；( ) 为x 向的水平加速度时程； 掰。( f ) 为y 方向的水平加速度时程；g 为重力加速度；r 为地震持续时间。 标准贯入法是我国研究者以世界各地广泛的地震现场实测资料、室内液化 实验为基础建立起来的经验公式，提出了在一定地震烈度条件下，场地的饱和砂 发生液化时所对应的标准贯入锤击数临界值心的计算方法。该方法考虑了粘 粒含量对液化的影响。公式如下【4 2 l ： 以1 5 m 1 5 脚s 以2 0 肌 ( 1 - 5 ) 式中：k 为标准贯入锤击数临界值：o 为锤击数基准值，其值如表l - 3 所 示；蠢。为饱和土标准贯入点深度( m ) ；矗。为地下水位埋深( m ) ；成为粘粒含 量百分率( ) ，当小于3 或为砂土时均取3 。当现场标准贯入试验值小于。时， 则为液化土，否则为非液化土。 | n 万 - ， 以l _ ，一“ 小质 d 一 ) j f 仅 以 仉 + 一 9 4 h q = = 心 心 溺海久学矮：l ：学莅论文；围柬菝液耽簸采的奎蘩振动套试验研究 表1 3 标准贯入锤击数基准值 设计地震分组 7 度8 度 9 度 第一组6 ( 8 )l o ( 1 3 )1 6 第二、三组8 ( 1 0 )1 2 ( 1 5 )1 8 茳：藜专淘敦霞蠲予役铮基本媳震麴逐发菇，1 5 9 鞠0 。3 鳃豹地这 剪切波速判别法最早是1 9 8 0 年由d o r b y 和p o 、e l l 【4 3 】根据应变原理提出，并 予1 9 8 碡年由我囡学者汪闻韶矧营先雩| 进圆内。剪锈波速判别法是以主在地震作 用下的剪应变作为饱和土层液化判别的基本量，利用虎克定律导出其间接判别量 一临雾剪切波速。由于该判别量稳定性较好，可在土层原位状态下通过溺试的方 式得到，同时其力学指标明确，因而近几年来应用比较广泛，尤其是在有经验的 缝区。以剪切波速为指标的液化判别方法较多，但基本上可以分为如下两种类型 【4 5 】：第1 类方法：利用剪切波速以与标准贯入击数之间的经验关系，将以标 准贯入击数为指标的液化判别式转换成以剪切波速为指标的液化判别式；第2 类 方法：统计分析具有剪切波速资料的现场地震液化资料，确定以剪切波速为指标 的地震液化判别式。 静力触探法是1 9 5 4 年由我国陈宗基教授自荷兰引进面来，并在黄土地区进 行了试验研究f 4 酗。1 9 6 4 年王钟琦等成功地研制出我国第一台电测式触探仪p w 。 2 0 世纪8 0 年代以后虽对探头传感器技术进行一定改进，但网前主要使用的仍然 是“单桥 探头和“双桥 探头。 当实测计算比贯入隰力罗，或实测计算锥尖阻力敷小于液化比贯入阻力临界 值p 科或液化锥尖阻力临界值口，时，应判别为液化土【4 8 1 ，并按下式计算： 邓如瓯吼 ( 1 - 6 ) q “，2 9 印口w 掰口，j 式中：p 曲、g 棚分别为地下水位d 。= 2 m 、上覆非液化土层深度屯= 2 m 时，饱和 土液化判别比贯阻力和锥尖阻力基准值；掰。为地下水位影响系数：搿。为上覆非 液化土层影响系数；口。土性综合影响系数。 除上述判别法以外，仍有土层反应分析法、有限元计算法等等。另外，随着 1 4 第1 章绪论 学科的交叉与耦合，地震液化可能性判别中又出现了概率统计分析法、人工神经 网络法等，一系列的地震液化判别方法。 1 2 4 室内土工动力测试技术 试验研究是地震液化研究的一个重要组成部分，并且随着科技的发展测试技 术越来越完善。许多研究者在这一领域徽了大量研究性工作，如c a s a g 姗d e 和 马斯洛夫根据直剪试验( 或三轴剪切试验) 结果和振动液化试验的试验结果提出 了妊界孔隙比和临赛加速度的概念。2 0 世纪5 0 年代末黄文熙教授首次使用振动 三轴仪进行砂土液化研究，随后该方法逐渐受到重视，并开展了大量的试验研究 工作，取得了巨大的成果；土工研究的发展带动室内测试技术的趸新。现今，室 内土工动力测试技术主要利4 9 j ： 循环振动三轴试验。它与静三轴试验具有相似的轴对称应力条件，首先对试 样施加模拟的动主威力，同时测得试样在动荷载作用下所表现出的动态响应，再 根据这些指标的关系，推算粥岩土材料的各项参数，以及在模拟某种实际振动的 动应力作用下试样所表现的性状。自2 0 世纪6 0 年代以来，该项试验技术在国内 外已得到广泛使用，并已成为常规试验方法之一。借助该试验可以测出饱和液化 土层在排水及不排水条件下孔隙水压力的变化，从而可以用有效应力的概念去解 释土的液化机理。在这一方面，1 9 6 2 年汪闻韶等基于试验成果，较旱提出了饱 和砂土振动孔隙水压力的扩散及消散规律，并将马斯洛夫的一维动力渗透理论扩 展到三维问题。1 9 6 6 年s e e d 和l e e 完成了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，他们提出以孔压值作为判断砂土 是否液化的依据，并首先提出“初始液化的概念。 振动剪切试验。一般认为，地震作用引起地基土的动力变形，主要是剪切波 由下卧层向上传播引起。为了模拟这种动力变化，2 0 世纪7 0 年代相继出现了振 动单剪仪和振动扭剪仪。振动单剪仪是在土样上施加往返水平剪力使土样处于动 剪切状态，如2 0 0 0 年m e n e s e s 等酬用在两个互相垂直的方向加载的动单剪仪及 空心圆柱样扭剪仪，研究余震对变形及残余强度的影响，研究结果表明在一个方 向上为静加载时另一个方向上的动加载可引起更大的变形、更小的残余强度；魏 汝龙等f 5 l 】利用振动单剪仪研究了在往复荷载作用下饱和粉砂孔隙水压力的变化 河海大学硕上学位论文：围束抗液化效果的小型振动台试验研究 规律。振动扭剪仪是在土样上施加往返扭矩使土样处于动纯剪状态，如s h e r i f 曾利用扭转仪研究饱和砂土孔隙水压力的变化，并提出了一个孔压增长模型； 1 9 9 8 年n a l ( a t a 等用动扭剪仪研究主应力轴旋转对流动变形的影响。 共振柱试验。根据共振原理，改变激振频率使圆柱形试样产生共振，从而推 算试样动弹性模量及阻尼比参数。共振柱试验是无损试验，试验本身具有可逆性、 可重复性，所以可以获得稳定的测试数据。目前已成为小应变范围内测定土的动 剪切模量和阻尼比等参数的最好仪器【5 2 。 离心模型试验。该试验是一种研究土体动力特性的重要方法。它可以将现场 条件下较大范围的研究对象用较小的模型来进行研究，先将原型的尺寸按一定几 何比例缩小为模型，再按相似条件选定材料，施加荷载，测定出应力、应变，最 后反算到原型，其中的关键是模型材料的选取。在土的液化研究方面，2 0 0 4 年 g o n z a l e z 通过离心机实验研究了固结压力对深层水平饱和砂土液化可能性的影 响，实验结果表明，松砂在高围压下仍有完全液化的可能：李湘松采用双向振动 离心机试验分析了多向振动对砂土液化的影响，其结果显示，水平砂土的抗液化 能力受双向振动的影响较小，单向振动与双向振动下孔压的增长速率区别不大。 振动台试验。振动台试验是2 0 世纪7 0 年代发展起来专用于研究土体液化性状 的大型室内动力试验。可以制备模拟现场瓦条件下的大型均匀试样，也可以模 拟现场剪切波的传播，并可测量出液化时砂土中实际孔隙水压力的分布，而且在 振动过程中能用肉眼观察试样。振动台试验从实质上来说是一种动单剪试验。依 靠振动台试验国内外已经取得了许多研究成果，如y o s h i m i ( 1 9 7 7 ) 、刘惠珊( 1 9 8 4 ) 和陈文化( 1 9 9 8 ) 分别在振动台上进行了有结构物存在时，饱和砂层的液化特性 试验研究，从不同角度分析结构物对孔压变化的影响；王建华( 2 0 0 4 ) 通过振动 台试验，研究了饱和砂土中桩基础的振动特性。 1 2 5 抗液化加固技术【4 2 】 当天然地基满足不了抗液化要求时，需要对地基进行人工加固与处理，使其 满足规范要求。在地基液化加固处理方面，国内外学者与专家做了大量的工作， 得出一系列的方法，并在工程中得到了有效的应用。 1 2 5 1 全部消除地基液化沉陷的措施： 1 6 筇l 章绪论 ( 1 ) 采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度( 不包括桩尖部分) ， 应按计算确定，且对碎右土，砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于 0 5 m ，对其他非岩石土尚不小于1 5 m 。 ( 2 ) 采用深基础时，基础底面埋入液化深度以下稳定土层中的深度不少于o 。5 m 。 ( 3 ) 采用加密法( 如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等) 加阉时，应处理至 液化深度下界。振动或挤密碎石桩加围屠，桩闽土的标准贯入锤击数不宣小于上 述标准贯入液化判别法中的液化判别标准贯入锤击数临界值。 ( 4 ) 非液化土替换全部液化土层。 ( 5 ) 采用加密或换土处理时，从基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下 处理深度的l 趁且不小于基础宽度的l 垮。 1 2 5 2 部分消除地基液化沉陷的措施： ( 1 ) 处理深度应使处理后的地基液化指数减少，当判脚深度为1 5 瓣时，其值不 宜大于4 ，当判别深度为2 0 m 时，其值不宜大子5 ；对独立基础和条形基础，尚不 应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值。 ( 2 ) 采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于上述标 准贯入液化判别法规定的液化判别标准贯入锤蠢数临赛值。 1 2 5 3 减轻液化影响的基础和上部结构处理的措施： ( 1 ) 选择合适的基础埋置深度。 ( 2 ) 调整基础底面积，减少基础偏心。 ( 3 ) 加强基础的整体性和霹度，如采黑箱基、筏基或钢筋混凝交叉条形基础， 加设基础圈梁等。 ( 4 ) 减轻萄载，增强上部结构的整体嚣l 度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避 免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等。 ( 5 ) 管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。 1 。3 本文的主要工作 本文正是基于上述研究背景及意义，希望通过室内小型振动台试验分析抗液 化处理中围束法的抗液化效果。 主要工作安排如下： 湾海久学颧士学位论文：圉束抗液纯效采薛小麓振动台试验研究 ( 1 ) 对国内终砂土地基液化研究现状进行总结。在分析现有研究成果不是的基 础上提出了本文需要解决的问题。 ( 2 ) 在分毒厅地震作用下体的运动以及比较墨前试验基本状况的基础上，进行 室内振动台模型试验设计。 ( 3 ) 从试验的宏观现象和孔压比时程益线两个焦度来研究围束的抗液化效果； 分析振动台的振动控制参数对本次试验的影响。 ( 4 ) 从围束的平面布置方式和圈束亟积嚣个层面出发，进一步分析圈束抗液化 效果的影响因素。 1 8 第2 章室内振动台模型试验设汁 第2 章室内振动台模型试验设计 2 。1 引言 地震是一种天然的“试验”，也是霹靠的“试验，它熊够最真实地反应液化 稳定与变形问题，因而地震后的震害调查成为解决评价地震液化地基稳定与破坏 闻题的一个重要手段。但是，毒于实际震害事例的偶然性以及现场条件的不礁定 性，很难单纯通过震害调查搦示地震液化对于地基和建筑物的影响。因此，通过 模拟地震条昝下土与结构物相互作雳的模型试验，分析它的作用过程，揭示其忐 部规律，为研究液化特性提供一定的理论依据。 振动含试验是2 0 世纪7 g 年代发展起来专篇予研究土层液化性状酶大型室内 动力试验。它利用模型试样模拟天然土层的实际应力条件，对试样土层自下而上 地输入某一随机波或给定特定参数的波形，使土层在输入酶求平循环荷载俸焉下 受剪，该过程能够最大限度地模拟地震波的实际作用。在现实中地基是没有边界 的。两在振动台模型试验中，只能用有限尺寸的模型箱模拟原型她基。这样，虫 子其四周边界上的波动反射以及体系振动形态的改变将会给试验结果带来一定 的误差，即所谓“模型籍效应 。露时在徽模型试验的时候，只能用重塑土代替 原状土，所以固结状态很难与现场相同。因此振动台模拟地震液化试验只能是定 性或半定量模拟现场原状土的液纯性熊。 与离心机试验相比，振动台试验的重要特征在于试验是在重力加速度为1 9 的环境下进孳亍酶，不麓获褥像离心极试验那样较高的应力场，毽是这并没有限割 科研工作者利用振动台试验研究饱和砂土液化问题的积极性。振动台试验最大的 优点在于激振系统熊够提供二维、甚至三维熬振动麓力，两且一般情猛下其模型 比离心机试验模型大得多。同时，振动台试验因为不存在“科里奥利效应”【5 3 】 所以进一步增翔了它酶优势。地震作用下的层反应是极其复杂的。蛋嚣，久稍 对它的认识还不够全面，在实验室这个有限的条件下还做不到比较理想地模拟这 一复杂豹过程，只能在某种程度上加以近似。般情况下，覆盖在基岩之上土层 中的波速远小于基岩中的波速，并且波在土层中传播所消耗的能量也比在撼岩中 斡大。掇摆渡的搏射原理，在离震中鞘远楚裁可以认为震动主要是寒自基蛰的剪 1 9 溜海大学硕士学位论文：围寒撬液纯效采静，l 、遴振动台试验研究 切波竖直向上传播的结果蚓，如图2 一l 所示。 i 磊矿基岩 图2 1 地震动剪切波示意网 因此，对于实际地基来说，的振动变形主要是由于剪切波自下卧层向上传 递所引起的。饱和土体的地震液化也被认为是由于地震剪切波引起土层剪切变形 所致。在水平土层中取一个土体单元，没有缝震的情况下，侔用在土体单元上的 竖向有效应力为：；水平向有效应力为峨仃：；其中蚝为静止侧压力系数吲( 如 图2 。2 b 所示) 。在地震循环剪应力气作用下单元土体的应力状态如图2 2 a 和2 2 c 所示。冒翦绝大部分液化研究都以该理论为指导，进行各式各样的模型试验和理 论分析。 a b e 图2 2 在单元体上由于地震引起的循环剪应力 本次振动台模型试验流程与主要内容的框架如图2 ，3 ： 第2 章室内振动台模型试验设计 图2 - 3 振动台模型试验流程与恚要内窑的框架 2 2 模型试验的设计 2 。2 。量模型箱的研制 根据前面的分析，地震剪切波引起土层剪切变形被认为是饱和土体发生液化 的原因，天然土层在地震荷载作用下的变形如图2 4 所示。模型试验结果的可靠 程度取决于试验过程能否真实地再现原型复合地基的实际工作状态。因此，在振 动台模型试验中，理想的模型箱的设计应满足两个条件：能够正确模拟土的边 巽条件；熊够正确模拟土的剪切变形刚。 2 l 海海大学磺量学蕴论文：黧京抗浚 艺效采豹冬麓振动台试验疆究 ：=：=：=篇=黛= 三 廿。， 基岩运动 垄石 图2 4 天然屡在地震作用下的变形 由于土体材料的复杂性以及地震波在土层中传播的复杂性，完全模拟原型地 基的实际边界条件几乎不可能。在这种情况下，如何减少模型箱边界的波动反射 成为模型试验的关键问题。成功的模型箱设计要求模型箱的边界对整个系统工作 状态的影响减至最小，馒模型土在模型箱中能够焉现天然土层的实际地震反威。 为了能够准确模拟土体的边界条件，减小试验误差，各国学者纷纷致力于模型箱 的设计。目前为止，振动台模型试验中常餍的模型箱大致有三种型式l 翊。 第一种为刚性模型箱，在模型箱内壁粘贴泡沫等柔性材料来吸收边界的反射 波以模拟土的边界。这种模型箱2 0 世纪8 0 年代被学者蜘广泛采用，如l 【i m 戤附、 y o s h i m i 、s a s a k i 等等；以及我国的学者王士风、韦晓等等，都曾采用过这一类 型的模型箱。在这种简单的、酒l 性壁的模型箱里，土俸不可糍均匀地变形。这种 模型箱模拟实际土体的效果与模型箱内壁所贴材料的性质，以及所贴材料的厚度 有很大关系：材料太柔太厚，则土层发生弯遗变形掰不是剪切变形，试验误差偏 大；材料太刚太薄，则边界的反射波太强，难以实现实际土层的自由场反应。 第二种为圆筒型柔牲模型箱，由美国转e 彘l e y 大学鹾e 粥a n 莲博士首先设计， 并用于桩一土一结构物动力作用的振动台试验研究。这种模型箱包括块围成圆 筒形的橡胶膜，膜的上端固定于上部钢圆环，钢圆环由四根钢杆支撑，钢杆与铡 圆环之间用万向结联接，下端固定于基底钢板；橡胶膜外包纤维带或钢丝以提供 径向刚度，外包纤维带或钢丝的间距对试验结果影响很大，太小则成了刚性模型 第2 章室内振动台模型试验设计 箱，难以形成剪切变形；太大则在振动时土体约束压力因土体向外膨胀而释放， 同时土层可能发生弯曲变形。这种模型箱内的模型土可以发生多方向平动的剪切 变形。 第三种为叠层剪切变形模型箱，m a t s u d a 等最早采用这种模型箱尝试饱和砂 土振动台试验。这种模型箱一般由1 0 2 0 层矩形平面钢或铝