土动力学(第4章).ppt

2020 1 16 水利与建筑工程学院 1 土动力学 骆亚生二零零八年四月 Soildynamics 2020 1 16 水利与建筑工程学院 2 第四章饱和砂土及轻亚粘土的振动液化 2020 1 16 水利与建筑工程学院 3 第一节振动液化的机理 液化问题实质上是一个动强度问题 但它因具有强度丧失的急剧性和突发性特点 而又不同于一般的动强度问题 液化是任何物质转变为液体的作用和过程 在无粘性土中 这种转变是由固态到液态 它是孔压增加 有效应力减小的结果 液化定义为一种状态的改变 而与起始扰动的原因 变形或地面破坏运动等无关 液化常产生一种强度的瞬时丧失 但常不产生剪切强度较长期的减小 2020 1 16 水利与建筑工程学院 4 振动液化机理解释 1 在振动荷载的持续作用下 砂土经历了压力由土粒传给孔隙水 又由孔隙水传给土粒这样两个既有区别 又相互联系的发展阶段 即振动液化和振动压密 研究土的动力特性就要防止振动液化 利用振动压密 2 从振动液化阶段的发展来看 饱和砂土其所以能够发生液化现象必须同时具备两个基本条件 一是 振动作用足以使土体的结构发生破坏 即振动荷载较大或砂土的结构强度较小 二是 在土体结构发生破坏后 土粒发生位移的趋势不是松胀而是压密 2020 1 16 水利与建筑工程学院 5 振动液化机理解释 3 如果振动作用的强度较小 力幅小或持时短 不会使土的结构发生破坏 则孔压上升 变形增大 强度降低的现象不会出现 只有当动强度超过前述的临界加速度 持时一定或无限制 或超过临界的振次 幅值一定 的情况下 才可能出现孔压的明显上升和变形的明显增大 最后 当动荷加速度达到破坏加速度或动荷循环次数达到破坏振次时 孔压的上升达到了可能的最大值 2020 1 16 水利与建筑工程学院 6 振动液化机理解释 4 初始液化发生 当孔压等于侧压后 动荷的继续作用将会引起两种可能的情况 一是每周完成的孔压等于侧压 变形持续发展 发生无限流动 二是每周只产生有限的变形 发生往返活动性的有限流动 这是由于土有一定的阻力 或土的松胀 使孔压降低 或土在荷载作用下的硬化 2020 1 16 水利与建筑工程学院 7 第二节影响饱和土振动液化的主要因素 饱和砂土发生不发生液化 取决于一系列因素 影响饱和砂土振动液化可能性的主要影响因素有 1 土性条件 主要指土的颗粒特征 包括颗粒组成 颗粒形状 土的密度特征 结构特征 即胶结状况和颗粒排列状况 以及土体的饱和状态等 2 初始应力条件 主要指动荷施加以前土所承受的法向应力和剪应力以及他们的组合 3 动荷条件 主要指动荷的波型 振幅 频率 持续时间以及作用方向等 4 排水条件 主要指土的透水程度 排渗路径及排渗边界条件 2020 1 16 水利与建筑工程学院 8 一 土性条件 a 从土的颗粒特征来看 土粒愈粗 动力稳定性愈高 因此 粗砂 中砂 细砂 粉砂的液化可能性逐渐增大 不均匀系数超过10的砂土一般较难发生液化 土中的粘粒含量在其增加到一定程度时 土的动力稳定性将有所增大 b 从土的密度特征来看 相对密度愈大 抗液化强度愈高 当有发生液化可能性时 增大砂土的密度是一个良好的增稳途径 注意 特殊情况 2020 1 16 水利与建筑工程学院 9 一 土性条件 c 从土的结构特征来看 土的排列和胶结状况不同 抗液化的能力也不同 排列结构稳定和胶结状况良好的土均具有较高的抗液化能力 原状土比重塑土难液化 古砂层比新砂层难液化 遭受过地震的砂土比未遭受地震的砂土难液化 土粒排列中主要接触方向角大的土比方向角小的土难液化 d 从土的饱和度来看 饱和度愈小 及起始孔压系数B愈小 达到初始液化所需的循环次数愈多 抗液化强度愈高 初始饱和度较低的土 只要动应力足够 仍然能够达到液化 由于饱和度稍有变化 孔压系数B将有很大变化 故饱和度的影响不容忽视 2020 1 16 水利与建筑工程学院 10 图4 1 2020 1 16 水利与建筑工程学院 11 图4 2 2020 1 16 水利与建筑工程学院 12 图4 3 2020 1 16 水利与建筑工程学院 13 图4 4 图4 5 2020 1 16 水利与建筑工程学院 14 图4 6 2020 1 16 水利与建筑工程学院 15 二 起始应力条件 振前土的起始应力状态 对抗液化能力有十分显著的影响 在水平表面侧限试验条件下 上覆有效应力愈大 液化的可能性愈小 临界加速度与上覆有效应力之间具有直线关系 在三轴试验条件下 起始固结应力比愈大 抗液化的能力也愈大 附加荷重已经成为一种公认的抗液化措施 它可以在一定程度上弥补饱和砂土密度的不足 2020 1 16 水利与建筑工程学院 16 图4 7 2020 1 16 水利与建筑工程学院 17 图4 8 2020 1 16 水利与建筑工程学院 18 三 动荷条件 动荷条件主要指动荷的波形 振幅 频率 持续时间以及作用方向等 冲击型波荷载作用时 孔隙水压力突然增高 振动型波荷载作用时 孔隙水压力逐渐上升 砂土对于液化的抵抗能力在冲击型波荷载作用时最大 振动型波荷载作用时次之 正弦波作用时最小 2020 1 16 水利与建筑工程学院 19 三 动荷条件 一定数值的振动加速度可以由振幅和频率不同的组合来获得 只要加速度不变 在低频高幅和高频低幅的不同组合情况下 土的动力反应并没有多大差别 但是 一定密度和应力状态下的砂土 在高频率时能够较在低频率时更早的达到动力屈服 动荷作用的持续时间 对砂土液化的发展具有极大的影响 即使动荷的幅值并不大 但如果振动的时间很长 也可能引起砂土的液化 一般认为 振动方向接近土的内摩擦角时抗剪强度最低 2020 1 16 水利与建筑工程学院 20 图4 9 2020 1 16 水利与建筑工程学院 21 图4 10 图4 11 2020 1 16 水利与建筑工程学院 22 图4 12 图4 13 2020 1 16 水利与建筑工程学院 23 四 排水条件 排水条件指土层的透水程度 排渗路径及排渗边界条件 一般来讲 细的颗粒 均匀的级配 浑圆的粒径形状 光滑的土粒表面 较低的结构强度 低的密度 高的含水率 较低的渗透性 较差的排水条件 较高的动荷强度 较长的振动持续时间 较小的法向压力都是不利于饱和砂土抗液化性能的因素 反之 饱和砂土的抗液化性能较好 2020 1 16 水利与建筑工程学院 24 图4 14 图4 15 2020 1 16 水利与建筑工程学院 25 图4 16 2020 1 16 水利与建筑工程学院 26 第三节饱和砂土液化可能性的估计 评价砂土液化可能性是一个十分现实的问题 常用的方法有 临界孔隙比法 振动稳定密度法 临界标准贯击数法 标准爆破沉降量法 临界振动加速度法 抗液化剪应力法 波速法 综合指标法 静力触探法和统计法 这些方法的共同特点都是对比促使液化方面和阻抗液化方面的某种代表性物理量的相对大小而作出的判断 2020 1 16 水利与建筑工程学院 27 1 临界孔隙比法就是对实际的孔隙比与所谓的临界孔隙比进行比较 注意 理论根据 考虑条件 2 振动稳定密度法就是对比沙土的实际密度与振动稳定密度 注意 振动稳定密度概念 与动力强度的对应关系 3 临界标准贯入击数法对比砂土实际标准贯入击数与临界标准贯入击数 注意 临界标准贯入击数概念 与不同地震烈度的对应关系 相应计算公式 2020 1 16 水利与建筑工程学院 28 4 标准爆破沉降量法对比标准爆破沉降量与液化可能沉降量 注意 标准爆破沉降量概念 5 临界加速度法对比实际可能产生的振动加速度与临界加速度 注意 临界加速度概念 6 抗液化剪应力法对比实际地震的剪应力与砂土的抗液化剪应力 注意 抗液化剪应力概念 2020 1 16 水利与建筑工程学院 29 7 剪切波速法对比实际条件下土的剪切波速与可液化剪切波速 如前者大于后者 则无液化可能 反之 则液化 8 综合指标法对比实际条件下砂土的几个土性与应力条件指标和容易发生振动液化时相应指标的经验值 优则不液化 反之则液化 9 统计法对比实际条件下的液化灵敏性指标和一定保证率下的液化灵敏性指标 是一种对以往大量液化和非液化的实际资料经过统计分析来判定未来液化可能性的方法 2020 1 16 水利与建筑工程学院 30 以上各种方法都以不同方式反映了影响砂土振动液化的主要因素 可根据具体情况和实际条件加以应用 但由于各方法立足点不同 依据条件各异 因此得出的结论有时并不一致 此时 液化的可能性应根据各种方法的条件和可靠程度 最后在综合分析的基础上进行评定 2020 1 16 水利与建筑工程学院 31 第四节饱和轻亚粘土液化可能性的估计 由于轻亚粘土是砂土与粘土之间的一种过渡性土 它既具有砂土的某些特性 砂粒和粉粒含量大 又具有粘土的某些特性 有粘塑性和团粒结构 结构强度是抗液化性能有所提高 但粘粒的存在又是标贯击数有所降低 对于这类土单凭标贯击数来判定液化可能性显然不符合实际情况 此时需要考虑粘粒含量的影响 大多数公式采用的途径是在判别公式中引进粘粒含量这个指标 确定出临界标贯击数作为判别依据 有些公式在建立中 在研究轻亚粘土与砂土差别的基础上 在保持砂土已有公式基本形式的条件下作了某些修正 2020 1 16 水利与建筑工程学院 32 第五节液化危害性分析 有可能液化并不一定存在危害 发生液化的危险程度高 并不意味着必须采取直接措施 如果液化并不危及建筑物的稳定性 可以不去花费巨大的财力来对它作过分的处理 可液化土的处理只需与建筑物的稳定和使用要求相适应 即按建筑物的特性及液化的实际危害性采取必要的处理方法和处理措施 2020 1 16 水利与建筑工程学院 33 图4 44 2020 1 16 水利与建筑工程学院 34 从地基方面 埋深愈小 可液化土层愈厚 液化势超过抗液化势愈多 可液化土层的非液化土层愈薄 液化的危害性就愈大 液化的危害性就愈大 反之 液化的危害性就愈小 2020 1 16 水利与建筑工程学院 35 从基础方面 一般 基础埋置深度愈小 荷载偏心愈大 液化的危害性越大 但是如果基础埋置在非液化土层中 埋深使得基础与可液化土层间的非液化土层太薄 则会增大液化的危害性 2020 1 16 水利与建筑工程学院 36 从上部结构方面 主要是上部结构的型式 刚度 质量分布和使用特点 型式 刚度和质量分布可以通过结构的基本周期来反映 在地震作用下 当可液化土层由硬变软时 地基的自振周期增长 这样 对于本来具有较长周期的建筑物会使其地震反应增大 而遭到更大的破坏 增大液化的危害性 对于同样的建筑物 当其因为使用特点可能造成次生危害 或轻微的破坏足以使生产中断 蒙受巨大损失的 也将大大增加液化的危害性 2020 1 16 水利与建筑工程学院 37 第六节增强土抗液化稳定性的基本途径和方法 对于建筑物可液化地基 常用的方法可以归纳为避开 挖换 加密 增压 围封 排水和深基等途径 可按具体情况比较选用 1 避开就是在选择建筑物场地时 如有可能 尽量不要把建筑物放在容易发生液化的地段 2020 1 16 水利与建筑工程学院 38 2 挖换就是将可液化土挖去并用非液化土置换 3 加密加密是一种广泛采用的而行之有效的措施 对于饱和砂土的加密常采用振冲加密法