（地质工程专业论文）可液化土的地震液化试验及数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 人们对饱和可液化土的动力特性和液化势研究已经进行了很多，并取得了大 量的研究成果，但在实际应用中，往往受条件所限，造成液化层的分布情况不 明、液化层的动力特性资料不足、液化层的地震液化对构筑物变形的影响不详 等问题。本文通过调查研究、室内试验、现场测试、计算分析、归纳总结的研 究思路，对研究区的地震液化反应做了系统研究，结合研究区内的实际工程， 评估了抗液化措施对研究区内构筑物的地震液化影响。 本文共分四个部分。第一部分对论文的研究意义、现状及内容进行了阐述； 第二部分介绍了研究区概况，针对研究区内的可液化土层( 粉性土层) 进行了 现场和室内常规试验，获得了研究区的场地性质和液化层分布特征；第三部分 对研究区内的饱和粉性土在循环荷载下的动力特性进行了研究，包括变形特性 和强度特性；第四部分结合研究区内的实际工程，进行地震荷载下的构筑物地 震液化有限元数值模拟，并通过数值模拟的方法，分析研究了抗液化措施对构 筑物地震液化变形的影响。具体的研究内容如下： 首先，通过现场调查、常规室内试验，确定研究区内的可液化土层及其基 本特性，同时利用现场测试的资料确定了研究区内可液化土层的分布情况。 利用共振柱和动三轴试验，针对研究区内可液化的粉性土进行了动力特性 试验研究，分析研究了饱和粉性土的不排水动应力应变关系和阻尼特性；对 研究区内的饱和粉性土的液化机理，室内试验液化判别标准及影响饱和粉性土 液化的诸多因素进行了研究，发现室内试验中饱和粉性土的液化临界孔压比为 o 7 ，得出粉性土的抗液化强度指标等有限元模拟参数，同时通过室内试验的液 化判别印证了现场测试的判别结果。 最后，利用l i q c a 有限元程序，针对抗液化措施采取前后的研究区内的杭州 湾北岸某电厂的取排水隧道断面和天津西部某水库围坝断面，进行了地震液化 有限元模拟，研究分析了抗液化措施对隧道断面及库坝断面的地震液化变形的 影响，本研究中的数值模拟结果很好的验证了现场、室内试验的液化判别结果， 估算了地震荷载可能产生的变形破坏。 本文的创新点在于：针对研究对象，综合利用现场测试、室内试验、有限 元数值模拟方法对工程抗震减灾进行了系统研究，有很强的工程实用价值，对 今后的土体地震液化研究及相关工程的液化防治具有参考价值。 关键词：可液化土，地震液化，试验研究，动力特性，数值模拟 a b s t r a c t ab s t r a c t t h es t u d i e so nd 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 fl i q u e f i a b l es o i l 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 n l a b o r a t o r h o w e v e r , b u ti t i sl i m i t e db ym a n y o b j e c t i v ef a c t o r si np r a c t i c et h a tm a k et h ed i s t r i b u t i o no ft h el i q u e f i a b l es o i ll a y e r u n c l e a r ；t h ed a t ao fd y n a m i cp r o p e r t i e so ft h el i q u e f i a b l es o i ll a y e r si n a d e q u a t ea n d t h ei n f l u e n c eo fs e i s m i cl i q u e f a c t i o nt ot h es t r u c t u r eu n k n o w ne ta 1 t h i st h e s i su s e s t h em e t h o do fi n v e s t i g a t i o n 、t h et e s t i n gr e s e a r c hw o r ki ns i t u a t i o na n dl a b o r a t o r y 、 c a l c u l a t i o na n a l y s i sa n ds u m m a r i z a t i o nt o s y s t e m a t i c l y r e s e a r c ht h es e i s m i c l i q u e f a c t i o nr e s p o n s eo ft h er e s e a r c ha r e a f u r t h e r m o r e ，c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a l p r o j e c ti nt h er e s e a r c ha r e a ，t h ei n f l u e n c eo ft h er e s i s t a n c em e a s u r eo fl i q u e f a c t i o nt o t h es t r u c t u r eo ft h ep r a c t i c a lp r o je c tc a nb ee v a l u a t e d t h i s p a p e ri n c l u d e s f o u r p a r t s t h e f i r s tp a r t e x p l a i nt h es i g n i f i c a n c eo f s t u d y ，s t a t u sa n dc o n t e n t so ft h es t u d y t h es e c o n dp a r ti n t r o d u c e st h eo u t l i n eo ft h e r e s e a r c ha r e a a i m i n ga tt h el i q u e f i a b l es o i ll a y e r ( s a t u r a t e ds i l t s ) i nr e s e a r c ha r e a t o t e s tr e s e a r c hw o r ki ns i t u a t i o na n dl a b o r a t o r y , w ec a no b t a i ns i t ep r o p e r t i e sa n dt h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ro ft h el i q u e f i a b l es o i ll a y e r t h et h i r dp a r ta n a l y s e st h ed y n a m i c p r o p e r t i e so 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 di n t e n s i t yp r o p e r t i e s ) u n d e rs e i s m i c 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 no ft h es a t u r a t e ds i l t s l i q u e f a c t i o nu n d e rt h e s 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 ，w h i c hc a nc o m b i n ew i t ht h ep r a c t i c a l p r o j e c ti nt h er e s e a r c ha r e a ，t h e na n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fs e i s m i cl i q u e f a c t i o nt ot h e s t r u c t u r e t h ed e t a i l e dr e s e a r c hp r o c e s si ss h o w e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，l i q u e f i a b l es o i ll a y e r si nr e s e a r c ha r e aa n dt h e i rb a s i cc h a r a c t e r sa r e d e c i d e db yi n v e s t i g a t i o na n dr e g u l a rl a b o r a t o r y m o r e o v e r , i na c c o r d a n c ew i t h d a t u mo ft e s ti ns i t u a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o nc o n d i t i o no ft h el i q u e f i a b l es o i ll a y e ri s a s c e r t a i n e d t h el i q u e f i a b l es i l t sd y n a m i cc h a r a c t e rr e s e a r c h e sa r ec o n d u c t e db ym e a n so ft h e r e s o n a n tc o l u m nt e s ta n dt h ed y n a m i ct r i a x i a l t e s t ；t h eu n d r a i nd y n a m i c r e l a t i o n s h i o pb e t w e e ns t r e s sa n ds t r a i n ，t h ed a m p i n gr a t i o ，s a t u r a t e ds i l t sl i q u e f a c t i o n i i a b s t r a c t m e c h a n i s m ，l a b o r a t o r yl i q u e f a c t i o ns t a n d a r d ? t h ee f f e c t i v ef a c t o r so fl i q u e f a c t i o na r e c o n s i d e r e di nl a b o r a t o r y i ti sf o u n dt h a tt h ec r i t i c a lp o r ew a t e rp r e s s u r er a t i oo f s a t u r a t e ds i l t si nl a b o r a t o r yi s0 7 l i q u e f a c t i o ns t r e n g t hp a r a m e t e r su s e di ne l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na r eo b t a i n e d f u t h e r m o r e ，t h el a b o r a t o r ym e t h o dp r o v et h er e s u l t s o ft e s ti ns i t u a t i o n i nt h ef i n a l l y , t h ee f f e c t so fl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c et oh a n g z h o ug u l fw a t e ri n t a k ea n do u t l e tt u n n e ls e c t i o na n dt i a n ji nr e s e r v o i rd a ms e c t i o na r ed i s c u s s e db y s e i s m i cl i q u e f a c t i o ns i m u l a t i o nw h i c a hu s e st h el i q u c ap r o g r a m f u r t h e r m o r e t h e f u n c t i o n so ft h el i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c et os e i s m i cl i q u e f a c t i o nr e s p o n s eo fw a t e r i n t a k ea n do u t l e tt u n n e ls e c t i o na n dr e s e r v o i rd a ms e c t i o na r ed e t a i l e da n a l y z e d t h ei n n o v a t i o no ft h i st h e s i si st h a tu s i n gt h et e s tr e s e a r c hw o r ki ns i t u a t i o na n d l a b o r a t o r y , e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ng i v et h eo b j e c t sa d e t a i l e ds t u d yw h i c hs e r v e f o r t h es e i s m i cr e s i s t a n c eo fp r o je c ta n di so fg r e a ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：l i q u e f i a b l es o i l s ，s e i s m i cl i q u e f a c t i o n ，t e s t i n gr e s e a r c h ，d y n a m i c p r o p e r t i e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 虚乏荸 l ，它年 月订日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 左权 d 孑年3 月。re t 第1 章绪论 1 1 研究意义 第1 章绪论 我国地处环太平洋地震带和喜马拉雅地中海地震带之间，是一个多震的国 家，本世纪以来多次发生强烈地震，如唐山地震、海城地震、邢台地震、云南 丽山地震等，给人们造成了重大的生命和财产损失。近年来，我国发生的地震 有增多的趋势，且具有强度大、频率高、震源浅的特点。 地震发生时，往往伴随饱和可液化土的液化现象的发生。饱和可液化土的 液化造成的危害是十分严重的，给人民的生命和财产造成了巨大损失。饱和可 液化土液化的宏观标志是引起地面喷水冒砂、地基不均匀沉陷、地裂滑坡、建 筑物产生巨大的沉降和严重倾斜甚至失稳造成建筑物的破坏、道路路基滑移、 路面纵裂、桥梁落架、农田被破坏、平整土地形成丘陵状、农作物减产等( 图 1 1 ) 。由于液化而造成严重震害的例子很多，如1 9 6 4 年美国阿拉斯加地震及1 9 6 4 年日本新泻地震都曾由于饱和砂土地基液化而失效，造成大量建筑物的不均匀 下沉及倾斜甚至翻倒。1 9 7 6 年我国唐山地震时，严重的液化地区面积约3 0 0 0 平 方公里，其中北京地区约1 0 0 平方公里，天津地区为1 0 5 4 平方公里，唐山地区 约为2 0 0 0 平方公里，液化区喷水高度达8 米，厂房沉降达1 米。 图1 1 砂土液化引起地基破坏的实例( 日本k o b e 地震1 9 9 5 ) 饱和砂土在地震、动荷载或外力作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度， 使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象为砂土液化。砂土液化是一 第1 章绪论 种典型的突发性地质灾害。自6 0 年代以来，在我国境内强烈地震频繁发生，据 不完全统计已有近4 0 0 座各种类型土石坝受到震害。如1 9 7 6 年7 月2 8r 发生 的唐山大地震以及海城地震等，坐落于7 度震区的土石坝约6 0 一8 0 受到不同 程度的损坏，其中堵河水库及石门水库受到的破坏就是典型的实例。我国 1 9 6 6 1 9 7 6 年期间先后发生的邢台、海城和唐山三次强地震事件，都发生了大范 围的液化，造成严重损害。1 9 7 6 年天津震害调查表明，饱和砂土及粉性土的液 化及其震陷是导致天津地区地基破坏的主要原因。1 9 9 9 年9 月台湾发生7 2 级 大地震，液化造成了大量房屋的倒塌、地面开裂等现象的发生。在国外，除了 早期的日本新泻地震( 1 9 6 4 ) 和美国阿拉斯加地震( a l a s k a1 9 6 4 ) 外，近年来，又有 多次地震也都引起了大规模的土体液化，造成了巨大的经济损失。由于液化而 造成严重震害的例子很多，世界上最典型的土坝液化危害事例是美国的阿拉斯 加地震时s a nf e m a n d od a m 的破坏( 图1 2 ) 。饱和砂土的振动液化问题历来是 抗震工程的重要组成部分，在国内外都得到广泛的重视和研究。因此，近几十 年来岩土工程界人士一直在不懈的努力探索其液化机理及抗灾减灾方法。 。缪嗍嘲g 潮黼i 峨淄 蛩静 、 薹_ 图1 2 美国的阿拉斯加地震( a l a s k a1 9 6 4 ) 时s a nf e m a n d od a m 的破坏 本文在总结前人研究的基础上，结合实际工程，选择杭州湾北岸的沉积层 和天津西部的表层土作为研究对象，通过现场、室内试验方法对研究区内的可 液化土层进行动力特性研究，具有针对性与科学性。地震液化变形的有限元数 值用来模拟受可液化土层影响的构筑物的地震液化反应，有限元数值模拟在分 析上较为严密，不仅可以考虑地震动特性、地形地质条件、荷载作用和边界条 件等多种因素的影响，还可以研究地震过程中的液化变形的发生发展过程。通 过对研究区动力特性的研究，进而研究合适的处理措旌以减轻乃至消除液化对 构筑物安全的影响，运用有限元数值分析检验处理措施的效果，为工程抗震减 第1 章绪论 灾服务，有很强的工程实用价值，对今后的土体地震液化研究及相关工程的液 化防治具有参考价值。 1 2 研究现状 1 2 1 土的震动液化研究现状及方法 动力荷载作用下岩土介质力学特性的研究由来已久。早期的研究主要集中 在爆炸冲击荷载、地震作用、基础的振动等诸方面。o n 2 0 世纪3 0 年代前后日本、 德国、前苏联开展了机器基础振动设计方面的系统研究。c a s a g r a n d e 研究了加荷 时间对土的动力强度的影响。t a y l o r 和w h i t m a n 贝j j 研究了应变速率对土强度的影 响。关于砂土液化，c a s a g r a n d e 曾试图用临界孔隙比，认为存在一个剪切破坏时 体积不发生变化，既不压缩也不膨胀的密度，其相应的孔隙比就是临界孔隙比， 其根据液化破坏所表现出的过量位移和变形这一特点去解释砂土的液化现象。 后来s e e d 和l e e 以振动孔隙水压力值作为判断是否发生液化的依据，并提出了其 后被广泛引用的“初始液化”的概念，其定义为：在简谐循环荷载作用下，饱和砂 土孔隙中的残余孔隙压力初次等于所施加的围压时的状态，即峰值循环孔压与 围压的比值初次达到1 0 0 的条件或状态。2 0 世纪7 0 年代c a s a g r a n d e 重新调整了 以前提出的“临界孔隙比”和试验方法，提出了“流动结构”的概念，认为当饱和砂 土液化并发生实际流动滑移时，它必然与静力状态的结构不同，流动中每一颗 粒相对周围其他颗粒不断地滚动，由此产生最小的摩擦抗力，并假定流动结 构通过链式作用而扩散；它只有在流动过程中才存在；当流动停止时，颗 粒将重新排列，并返回到静力状态的结构，在超静孔压消散后，饱和砂土将比 流动液化前的静力结构稍密实一些。2 0 世纪8 0 年代p o u l o s 等提出的基于稳态线的 液化估计方法，他们认为利用稳态强度和稳态线能判断砂土是否发生实际液化。 首先他们指出，只有饱和松砂才有可能产生液化流动破坏。实际上饱和松砂在 足够强烈的地震作用下，孔压不断升高，抗剪强度不断降低，直到最后抗剪强 度降至稳态强度。这时如果静荷载产生的应力大于稳态强度，才发生液化流动 破坏，否则不会发生失稳破坏，而只可能产生一定的残余沉降或变形1 2 j 。我国学 者黄文熙、汪文韶从2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代起丌始对土的动强度和液化特性进行系 统而深入的研究【3 】，并开展了大量的试验研究工作，取得了丰硕的成果，并较早 第1 章绪论 提出了饱和砂土振动孔隙水压力的扩散及消散规律。 我国是一个多地震的国家，地处环太平洋地震带和喜马拉雅一地中海地震带 之间。本世纪以来多次发生强烈地震，如唐山地震、海城地震、云南丽山地震 等。因而震动液化研究对我国的能源、交通、水利、建筑工程等行业的土工建 筑物及地基的设计有着十分重要的意义。饱和砂土体的液化问题是岩土工程中 一个引人注目的问题。近几十年来，随着土动力学的发展，人们对于饱和砂土 液化的机理分析、液化的影响因素、液化的可能性判断以及液化的防治措施等 一系列问题都进行了广泛的探讨，提出了很多有益的成果。但是，由于问题的 复杂性，到目前为止，很多重要问题仍处于争议或探索之中。 近年来，随着1 9 7 6 年唐山丰南地震时天津地区发生的大面积粉性土的地基 液化现象1 4 j ；1 9 9 9 年台湾省花莲西南( 震中位于北纬2 3 7 度，东经1 2 1 1 度) 发生 的7 6 级地震中细粒的粉土也出现了局部液化1 5 j 。人们逐渐认识到不仅饱和的砂 土地基会发生液化现象，饱和粉性土也会发生液化现象，因此饱和粉性土的震 动液化势的预测逐渐成为土动力学与土工抗震研究中的一个重要课题，国内外 都给予广泛的重视和研究。这些研究主要集中在震动液化产生的机理、条件、 影响因素、抗液化强度的确定及液化产生的可能性【6 】。 另一方面，土的动力特性测试技术也得到较大发展。土的动力测试技术分 为原位测试法和室内试验。原位测试法现在包括：震法勘测；采用振荡器 的表面波测试法；低频循环加载测试法；动力旁压仪测试法；根据地震 记录，用反演分析法计算；此外还有一些简便易行的方法如：s p t 试验、c p t 试验、剪切波速试验、电测法等。 室内试验包括：循环三轴试验；动单剪试验；动扭剪试验；共振 柱试验；振动台试验；离心机模型试验。 近年来，对地震液化的研究表现出一些新的特点【l 】： 1 与以往室内试验方法常常难以真实再现原状土体结构性对地震液化的影响 相比，现在利用原位冻结法取样法，大大提高了研究液化问题的准确性。较 早如s i n g h 和s e e d 、y o s h i m i 、刘小生等进行了相关研究。 2 土体液化后应力应变性状的研究已成为近年来研究的一个热门课题，如 y o s h i d a 、v a i d 、张建民等的研究。 3 通过大型离心机试验研究液化问题成为一个新的发展方向。y o s h i a k i 、f i n n 、 p o p e s c u 、和p r e v o s t 等进行了相关方面的研究。 第1 章绪论 4 近年来，从概率统计分析、随机振动理论及动力可靠性分析的角度出发去研 究可液化土的液化问题已成为一个新发展方向。c h a n m e a u 和c l o u g h 、吴再 光等进行了相关研究。 5 模糊数学理论己在砂土液化的判别中获得应用。它可以考虑影响砂土地震液 化的多种因素及不确定的相互关系，利用模糊数学的概念加以表达，避免了 传统以单因素和确定性关系进行地震液化判别的缺点。翁焕学、崔杰、叶吉 芳等进行了相关研究。 1 2 2 液化的定义及机理 目前，液化的定义有多种，美国土木工程师协会( 1 9 7 9 ) 1 7 1 对“液化”一词的 定义是“液化是使任何物质转化为液体状态的行为或工程。就无粘性土而言， 这种由固体状态变为液体状态的转化是孔隙水压力增大和有效应力减小的结 果。 日本土力学与地基工程协会【7 】中液化被定义为：“饱和砂土由于孔隙水应力 的增加而丧失剪应力和有效应力降低的状态即是液化。” 而我国对液化的定义【8 j 是：当孔隙水压力上升达到围压，有效应力降低为零， 土体丧失其抗剪强度，物质从固体状态转化为液体状态的行为和过程，称为液 化。 综上所述，各种对液化概念的理解和定义具有很大的共通性，在不产生争 议的情况下，在岩土工程领域，液化应该具备以下几个特性： 1 主体：可液化的土不仅仅包括无粘性土、饱和砂土、粉土等任何可转化为液 态的物质。 2 行为：液化过程或者液化行为应该是由固态转化为液态的过程或行为。 3 本质：孔隙水压力增大、有效应力减小。 4 现象：喷水冒砂，地层沉陷，地层在水平方向永久变形，地层震动，斜面滑 移，承载能力丧失，挡土墙失效，埋藏建筑物浮动等。 同时人们通过大量研究表明：可液化土的液化可分为初始液化、实际液化 及循环液化，三者表现出不同的性状。 根据动三轴试验的结果s e e d 9 1 给出了初始液化的定义：在简谐循环荷载作用 下，饱和砂土孔隙中的残余孔隙压力初次等于所施加的围压时的状态，即峰值 第l 章绪论 循环孔压与围压的比值初次达到1 0 0 的条件或状态。由于部分土体孔压不能达 到围压，同时观察到当孑l 压达到围压时试样的双幅轴向应变通常为5 ，因此也 有取试样双幅轴向动应变达5 时为初始液化的标准。 实际液化l lo j ：在冲击或应变的作用下，松散的饱和砂土的强度极大地降低， 在极端情况下将导致流动滑移破坏。 循环液化l lo j ：在动三轴循环荷载作用下，具有膨胀性趋势的较密实的砂样 中孔隙水压力在每一循环中将瞬时达到围压的相应状态，造成的间歇性液化和 有限制的流动性变形现象。 上述关于饱和可液化土的液化定义是从不同角度和方面对液化这一现象进 行描述。初始液化是s e e d 在动三轴不排水试验中所观测到的现象，并用来描述现 场饱和砂土液化。s e e d 的简化砂土液化的判别方法就是建立在以初始液化作为判 别标准的基础上。实际液化并不要求达到初始液化后才发生，只要触发应力大 于既有强度时就可能发生，并且很多实际液化发生时其抗剪强度并不等于零， 所以初始液化也并不意味着实际液化或流动破坏。例如中密或较密实的砂土， 初始液化后一般就不会发生实际液化，只会产生某种程度的软化，产生显著的 残余循环应变量，但还具有较高的强度，并不像有些人认为的那样，其有效应 力等于零时，强度也等于零，其变形也不会无限制地增加。产生这种情况的原 因是因为孔压是变化的而非常值，因而不会出现实际液化而只会出现循环液化 【1 l 】 o 对于土的液化机理，有着两种明显不同的观点。s e e d 和l d r i s s 基于初始液化 概念，从应力状态出发解释了土体的液化机理，通过大量室内试验证实了初始 液化概念，其主要以超孔隙水压力作为评判依据。但初始液化的概念不能很好 地描述液化后的结果，也不能很好的解释前述的实际液化和循环液化概念。以 c a s a g r a n d e 和d o b r y 为代表的学者针对上述问题，从工程安全角度出发提出了以 稳态变形和稳态强度概念的土的液化机理，指出失稳流滑破坏和产生一定量的 变形是饱和土液化后主要表现，两者的判断依据通过稳态线来实现。虽然该理 论解释了液化形态，但在具体使用操作上不如s e e d 所倡导的简单易行，如：流 动强度的确定，稳态线的获得等。s e e d 曾提出一种结合两者理论的方法，但土 体液化后的变形问题是一个复杂又困难的问题，有关学者还在不断的探索中。 s e e d 和i d r i s s 从应力状态出发解释土体的液化机理【6 1 【1 2 】，强调液化标志着土 的法向有效应力等于零，土丧失了抗剪能力。当土在动荷载作用下的任何一个 6 第1 章绪论 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，一方面，初始液化的点( 时刻) 上，轮番出现液化状念， 表现出土的往返活动性，使土的附加残余变形逐渐积累；另一方面，等到仞始 液化状态的范围( 时段) 逐渐扩大，土的软化增大，加速变形的积累，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。这种过程中，视土的起始 特性和静动应力的不同组合，或发展很快，或延续相当的时间，但是均需有初 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可液化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强度或刚度值，来分析土体的应力、应变以及稳 定性。我国近年来的液化研究工作基本上接受了这种观点的影响。 以c a s a 2 r a n d e 和p o u l o s 为代表的学者【6 】【1 3 】从工程安全角度出发提出了以稳态 变形和稳态强度概念的土的液化机理，强调土的流动特征的观点。认为工程中 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， 研究液化问题的核心是防止土体出现具有液化性态的流动破坏，而并不在于必 须达到初始液化的应力条件。例如水平自由表面的土体下。即使出现了大范围 的初始液化，也并不致引起土体的流动破坏；相反，在很多情况下，即使土体 中并没有达到初始液化状态，但是土体由于土的结构破坏和孔压上升而引起土 体强度弱化，具有了液化流动的性态，就认为土体己经液化。这种观点强调土 的流动特征，这种流动特征，视土的具体特性和驱动剪应力( 主要土体自重和 上覆荷载引起) 的大小，可能出现在土的强度弱化到不同程度的情况下。这样， 砂土的液化就被理解为饱和砂土的强度弱化( 软化) 过程中与土性和应力密切 联系的一种流动破坏。根据临界孔隙比( 剪切过程当中既无剪缩又无剪胀的孔 隙比) 把土分为剪胀性土和剪缩性土。并且c a s a g r a n d e 在临界孔隙比的基础上提 出了稳态变形和稳态强度的概念i l 们。稳态变形就是指土在一定常法向有效压力 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( 即流动性变 形) ，而此时的剪应力即为稳态强度。只有当土属于剪缩性土，而同时又有驱 动剪应力存在，且不排水稳态强度小于维持静力平衡所需的剪应力时，土才有 可能发生流动破坏。这种流动破坏能否发生，尚须视土的结构破坏( 由振动原 因) 引起土中孔隙水压力上升或抗剪强度弱化的程度而定。如果土的强度弱化 到等于或小于驱动剪应力，则土将发生剪切破坏，产生残余应变。剪缩土在剪 切过程中必将出现不断的剪缩，使土中孔隙水压力继续升高，土的抗剪强度会 7 第1 章绪论 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。 实际上，饱和土产生液化的机理主要有循环活动性( c y c l i cm o b i l i t y ) ，流 滑( f l o ws l i d e ) 和砂沸( s a n db o i l ) 三种1 】【1 4 】1 1 5 】。 ( 1 ) 砂沸 砂沸是土中的孔隙水压力由于地下水头变化而上升到等于或超越上覆土体 自重时所造成的喷水冒砂现象，这个过程与砂的密实程度和体积应变无关，而 是有渗流压力引起的液化。它主要取决于土中渗流水头场的分布，它可以是无 地震液化情况的正常渗流水头场，也可以是地震造成土中孔隙水压力水头场的 变化。 ( 2 ) 流滑 流滑是在单向剪切作用下土体由于体积持续剪缩，孔隙水压力不断上升和 抗剪强度骤降所造成的无限制的流动性大变形，主要发生在疏松而排水不畅的 饱和无粘性土中；后者在循环剪切作用下也会产生无限制的流动性大变形。 ( 3 ) 循环活动性 循环活动性是在循环剪切过程中由于在土体体积剪缩与剪胀交替作用下引 起孔隙水压力时升时降而造成的间歇性液化和有限制的流动性变形现象，主要 发生在中密和较密的饱和无粘性土中。有关学者如s e e d 已经通过大量的循环三 轴、循环单剪和循环扭剪试验证明了这一现象的存在。循环活动性的产生是因 为循环荷载加载初期的累计剪缩( 孔压上升) 和后期的加载剪胀( 孔压减小) 和卸载剪缩的交替作用，从而形成瞬态液化和有限度断续变形的格局。它的产 生不仅与土的密实度有关还与其应力状态等因素密切相关。 上述液化机理虽有区别，却又互有联系。他们的本质都是因为孔隙水压力 的上升，只是孔隙水压力上升的形式不同。 1 2 3 液化的影响因素 影响可液化土的液化因素有很多，国内外的学者如s e e d 、c a s a g r a n d e 、l e e 、 黄文熙、汪文韶等从2 0 世纪5 0 6 0 年代起就开始了对影响液化因素的相关研究， 其后研究不断深入，从未间断。大量的研究表明【1 6 】【1 9 j ：从宏观与微观的角度讨 论可液化土的液化影响因素，宏观的影响因素有地质地貌、土层埋藏条件、土 第1 章绪论 性、地下水条件、地震历史等；微观的影响因素有颗粒的粒径、密度、粘粒成 份含量、结构性。另外，荷载的形式和幅度大小也能影响可液化土的液化。大 量研究分析后发现【 】【j 8 】：地质年代久远，固结度、密实度和结构性较高；平均 粒径大，不均匀系数高，粘粒含量大，密度高，上覆土层厚大，有效应力大； 土层排水条件好，超静孔隙水压力易消散；地下水位较低，土颗粒呈棱角形； 地震时振幅和频率较低，且持续时间较短；上述这些情况不利于液化的发生。 饱和粉土液化受多种因素的影响，除了其埋藏条件外，主要包括土中粘粒 的含量、土的密实程度以及土的结构性等2 0 。2 2 1 。【2 3 】【2 4 】当土中粘粒含量小于9 时 土中粘粒在土中主要起润滑作用，粉粒发生滑移所需的动剪应力比随粘粒含量 的增加而减小；当粘粒含量大于9 时粉粒被大量的粘粒层包围，这些粘粒不但 胶结粉粒，而且自身也在固结，随粘粒含量的增加，粘粒对粉粒的胶结和自身 结构的调整作用不断增强，主要起稳定、镶嵌作用，粉粒发生滑移所需的动剪 应力比随粘粒含量的增加而增加。密实度对粉土液化的影响十分显著，随密实 度( 干密度) 的增大其抗液化能力相应增强。土的结构性对粉土动力特性的影响 表现在重塑土改变了土的原状结构，使得强度降低1 2 引。 胡定和张利吲2 6 j 将前人的研究成果列为下图1 3 ，较为全面地总结了己知的 土体液化白蟛响因素。 图1 3 地震液化的影响因素 1 2 4 液化评估方法 饱和可液化土的液化判别经过几十年的研究，提出了许多方法。目前，液 9 第】章绪论 化判别的方法主要可以分为三大类： ( 1 ) 基于震害经验的液化可能性估计方法； ( 2 ) 基于室内试验分析的液化可能性估计方法； ( 3 ) 基于概率与统计分析的液化可能性估计方法。 一、基于震害经验的液化可能性估计方法【i 】【1 5 】【1 7 1 【2 7 】 这类方法基于宏观调查资料，利用图解法或数理统计中的判别分析法建立 的经验法。它通过对己知液化场地进行勘探，获得液化判别指标的现场试验数 据。其后通过现场液化调查资料与现场试验的对比分析，给出区分液化和非液 化的条件和界限，这一类方法不仅直观，而且一些影响饱和土体液化的重要因 素可以得到充分的考虑。但这些公式仅基于宏观调查资料对比，研究后用数理 统计中的分析判别法或图解法建立线性判别式。这类方法主要有s p t 、c p t 、电 测法、剪切波速判别法。 二、基于室内试验分析的液化可能性估计方法【l 】【1 5 】【1 7 】【2 7 】 这类方法以室内研究成果为基础的估计液化可能性的方法。这种方法的实 质在于由室内研究成果估计现场土层引起液化的应力比或残余孔压比，估算土 层中的地震应力比，通过比较液化应力比和地震应力比的大小来评价液化可能。 室内试验研究主要通过循环三轴试验、循环动单剪、循环扭剪、振动台、离心 机模型试验来实现。此类代表性的方法是s e e d i d r i s s 简化法【2 8 1 。 三、基于概率与统计分析的液化可能性估计方法 这类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。如：日本学者谷本喜一，使用 多元统计分析方法，判别砂土液化，利用线性函数来判别砂土的液化指数。刘 红军，薛新华【2 9 j 利用神经网络理论建立液化等级评判的反向神经网络模型进行 判别。季倩倩【3 0 j 利用模糊最优归类方法对砂土地震液化进行判定，通过综合地 震烈度、平均粒径、标贯值和有效上覆应力等影响砂土地震液化的因素，利用 最优归类隶属度向量作为砂土是否液化的判别指标。这类方法通过严谨的数学 方法把一些指标统一在一起，进行判别。 1 2 5 研究趋势 在长达4 0 多年罩的液化研究中。人们总是认为：地震时低塑性的粉性土不 1 0 第1 章绪论 易液化【3 1 】。但1 9 6 1 年后国内外发生了多次强地震中粉性土的地震液化逐渐引起 重视，汪闻韶院士指出实际地震中发生液化的土类，己超出了过去一般认为只 有饱和砂土，而扩大到含有一定细粒土的粉性土。粉性土在物理力学性质、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 粉性土液化特性的因素很复杂。因此，在地震液化分析中，进行粉性土的动力 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。这 些研究主要集中在震动液化产生机理和影响条件、地震液化评估方法、抗液化 强度的确定以及液化产生可能性评价方面。 1 3 本文的主要工作及创新点 本文通过对地震震害的回顾与分析，着重对饱和可液化土的研究现状、土 的动力反应分析方法进行了回顾与分析，同时结合研究区内的杭州湾北岸某电 厂的取排水隧道和天津西部某水库围坝地基，通过现场、室内试验对场地内的 粉性土进行了静力、动力特性方面的研究，确定了场地的液化势，对场地液化 区域进行了划分。最后通过室内试验建立土层反应分析法的材料参数和模型， 利用基于动力耦合固结理论的有效应力二维l i c q a 有限元程序，对抗液化措施采 取前后的杭州湾北岸某电厂的取排水隧道断面和天津西部某水库围坝断面进行 了地震液化模拟变形有限元分析。开展的主要研究工作如下： 1 首先对国内外饱和可液化土的研究现状进行了归纳和总结，着重对液化的定 义、液化的机理、液化的影响因素和评估方法进行了比较分析，在分析现有 研究成果的基础上，明确了本文的研究方法及手段。 2 通过现场、常规室内试验，对研究区内的可液化土层的基本特性进行了研究， 并利用现场测试结果进行了液化势的判别。 3 利用共振柱和动三轴试验，对研究区内的粉性土进行了动力特性方面的研 究，分析了粉性土的不排水动应力和动应变的关系及阻尼特性；对研究区内 饱和粉性土的液化机理，室内试验液化标准及影响饱和粉性土的诸多因素进 行了研究，得出了研究区内饱和粉性土的抗液化强度指标。 4 通过动三轴试验的结果，利用s e e d 简化法确定了场地的液化势，划分了场 地的液化范围，并利用s e e d 简化法研究了天津西部水库库坝高度与坝基土 。第1 章绪论 的液化可能性之间的关系。 5 对现有的土体动力反应分析成果进行了总结与分析。利用基于b l o t 两相饱和 多孔介质动力耦合固结理论，针对液化砂土的循环弹塑性本构模型的二维有 效应力有限元程序l i q c a ，对抗液化措施采取f j 后的杭州湾北岸某电厂的取 排水隧道断面及天津某水库围坝断面进行了地震液化有限元模拟，研究分析 了抗液化措施对隧道断面及库坝断面的影响。 本文的创新点在于：针对研究对象，筛合利用现有科技手段，即现场测试、 室内试验、有限元数值模拟的方法，由浅入深，由表及早，分别从宏观和微观 的角度进行研究分析，在现场、室内试验结果相互印证的基础上，通过获得的 试验参数使用有限元数值模拟验证的模式，同时估算了可能的变形破坏。具有 很强的工程实用价值。 具体的技术线路采用调查研究、室内试验、现场测试、计算分析、归纳总 结的研究思路，技术路线见图1 4 。 图1 4 研究技术路线 1 2 第2 章现场、室内常规试验的分析研究 第2 章现场、室内常规试验的分析研究 本次研究针对杭州湾北岸某电厂发电工程取排水隧道地震液化防治技术研 究、天津西部某水库液化防治技术研究，通过前期可研阶段的勘察表明两个场 地都有地震液化可能，本章结合现场、室内常规试验对两个研究区域的可液化 土层进行地层特性评价及液化判别，为后期的动力特性研究服务及液化防治提 供科学依据。 2 1 研究区概况 2 1 1 杭州湾北岸沉积层概况 拟建某电厂的发电工程取排水隧道工程场地位于杭州湾北岸，场地地貌单 元属潮坪或滨海平原交替区，主要沉积的土层为河口滨海及浅海滨海相的 土层。场地沉积土层主要是长江、钱塘江