（岩土工程专业论文）强震作用下堤坝海床地基液化分析.pdf

f i i ll r ll l ri r liri i ii 1 y 1713 6 7 0 t1 tln_l l l q u e i a c t l o n0 iac 1 1 k e0 nl o o s es e a b e ( i1 0 u u d a t i o ns ub l e c t e d _ _ _ 一j 1 _ _ _ _ - _ _ 一 t os t r o n ge a r t n q u a k e a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r v l s o r 7 ss i g n a t u r e ： e x t e r n a lr e v i e w e r s ： e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： d a t eo fo r a ld e f e n c e ： 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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，也不包含为获得逝江盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆态堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月 日 摘要 液化问题是具有理论价值和实际意义的热点和难点问题。目前国内外对陆地 砂性土地基地震液化研究较多，而对海床砂性土的液化研究相对较少。海上和沿 海区域砂性土孔隙比高，密实度差，许多物理指标与淤泥相当，国内外可供借鉴 的工程较少，对该类地基的地震加固处理带来了风险和困难。 本文对饱和砂土液化的研究现状进行了回顾，对液化机理、传统判别方法、 液化的数值模拟方面进行了总结归纳，着重介绍了杨朝晖叠套屈服面本构和抗震 软件o p e n s e e s 。对于计算所需的材料参数，建立了各参数与相对密实度之间的 关系，根据土体的相对密实度即可得到计算参数；使用上述方法得到计算参数， 对土体单元采用软件o p e n s e e s 计算获得了土体抗液化强度，同时采用地震液化 理论获得抗液化强度，两种不同方法所得结果基本一致，从而验证了本文所用方 法的适用性，同时也体现了材料模拟液化的能力。 通过动三轴试验观察了饱和砂土在循环荷载作用下的液化情况，研究了循环 应力比、固结应力和相对密实度对液化的影响，并得到了饱和砂土在循环荷载作 用下超静孔压和轴向应变的发展规律。 以印尼万丹省苏娜拉亚火电厂8 号机组循环水进水明渠堤坝为研究背景，对 该场地进行了液化分析。根据场地的历史地震情况，选择了合适的地震输入曲线， 以加速度峰值。= 0 3 9 为地震输入，对自由场地进行了计算分析，判定了场地 的液化情况，并计算了可能发生的变形情况；对堤坝及地基整体进行了有限元动 力分析，得到了整体的位移场，预测了堤坝和地基在强震作用下的流滑和震陷； 最后分析了碎石桩处理地基后堤坝的地震响应，评价处理效果。 关键词：海床地基，液化，流滑，震陷，o p e n s e e s ，叠套屈服面 a b s t r a c t l i q u e f a c t i o ni sah o tp o i n t e db u tn o te a s yi s s u eo ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e r e c e n t l y , t h e r ea r em a n yr e s e a r c ha b o u ts o i ll i q u e f a c t i o no nl a n da t h o m ea n da b r o a d w h i l e1 e s so nr e s e a r c ha b o u ts o i ll i q u e f a c t i o na ts e a t h es a n d ys o i l i nt h ec o a s t a la l e a si sf e a t u r e db yh i g hp o r er a t i o 1 0 wr e l a t i v ed e n s i t ya n ds i m i l a r i t y w i t hs i l ti nm a n yp h y s i c a li n d e x e s w h i c hc o n t r i b u t e st oh i g hd a n g e ra n dd i 衔c u l t yt o e a r t h q u a k er e i n f o r c e m e n tf o rs u c hk i n do ff o u n d a t i o ns i n c et h e r ea r er a r e l ya c t u a l p r o j e c t st ol e a mf r o m i nt h i s p a p e r ，t h er e s e a r c hs t a t u so fl i q u e f a c t i o ni n s a t u r a t e ds a n dh a sb e e n r e v i e w e d a n dt h em e c h a n i s m t r a d i t i o n a le m p i r i c a li d e n t i f i c a t i o nm e t h o d so f l i q u e f a c t i o na n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl i q u e f a c t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e d a n d z h a o h u iy a n g sn e s t e dc o n s t i t u t em o d e la n ds o f t w a r e o p e n s e e s h a v eb e e n p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d ar e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e r sa n dr e l a t i v ed e n s i t yi s c o n s t r u c t e da n di ti s e a s y t o g e tt h er e q u i r e dp a r a m e t e r s ，a l s o i ts h o w sg o o d c o i n c i d e n c ew i t ht h ee a r t h q u a k et h e o r y s a t u r a t e ds a n da r et e s t e di nt h el a b o r a t o r yu n d e rt h eu n d r a i n e dc y c l i cl o a d i n g c o n d i t i o nw i t ht h ec y c l i ct r i a x i a lt e s ta p p a r a t u s t h er e s u l t ss h o wm a i nf a c t o r s a f f e c t i n gl i q u e f a c t i o n ，s u c ha sc y c l i c s t r e s sr a t i o ，c o n s o l i d a t i o ns t r e s sa n dr e l a t i v e d e n s i t y a l s o ，t h ed e v e l o p m e n to fe x c e s sp o r ep r e s s u r ea n da x i a ls t r a i na r es h o w e d t h es u r a l a y ac o a lf i r e ds t e a mp o w e rp l a n tw a sb u i l ti nt h es e ai nb a n t e n p r o v i n c ei ni n d o n e s i a ，a n di ti sg o i n gt oh a v ean e wo p e nc h a n n e l a st h ef o u n d a t i o n s o i li sl o o s ea n di ti si nt h es t r o n ge a r t h q u a k ea r e a , w en e e dt oa s s e s st h ep o t e n t i a lo f l i q u e f a c t i o na n dp r e d i c tt h ed e f o r m a t i o no ft h ef o u n d a t i o n a tf i r s t ，ap r o p e re a r t h q u a k er e c o r di sc h o s e nf o rc a l c u l a t i o n ，a n dt h e na n a n a l y s i so ft h ef r e ef i e l di sc o n s t r u c t e d t h er e s u l t sg i v eo u tt h el i q u e f a c t i o nc o n d i t i o n o ft h ef o u n d a t i o na n dp r e d i c tt h es e i s m i cs u b s i d e n c ea n dl a t e r a ls p r e a d i n g a f t e rt h a t af i n i t ee l e m e n tm o d e li sc o n s t r u c t e dt og e tt h es e i s m i cr e s p o n s eo ft h ed a ma n dt h e f o u n d a t i o n f i n a l l y , g r a v e lp i l ei su s e df o rf o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，a n dt h ed a mi s a n a l y z e da g a i n k e y w o r d s ：s e a b e df o u n d a t i o n ：l i q u e f a c t i o n ；s e i s m i cs u b s i d e n c e ；l a t e r a ls p r e a d i n g ； o p e n s e e s ；n e s t e dc o n s t i t u t i v em o d e i i 第一章绪论 目录 1 1 引言1 1 2 液化研究综述3 1 2 1 液化的机理3 1 2 2 液化可能性判别5 1 2 3 液化引起的变形8 1 2 4 液化的循环本构模型1 0 1 3 本文研究目的1 3 第二章 饱和砂土室内液化试验 2 1 引言1 4 2 2 试样的基本特性及制备1 4 2 3 三轴同结不排水试验1 5 2 4 固结不排水动三轴试验1 7 2 4 1 试验设备1 7 2 4 2 试验过程17 2 4 3 孔压发展规律18 2 4 4 轴向应变规律2 1 2 5 本章小结2 3 第三章p d m y 本构及参数确定2 5 3 1 引言2 5 3 2 杨朝晖提出的本构关系2 5 3 2 1 屈服准则j 2 5 3 2 2 流动准则2 6 3 2 3 硬化定律3 1 3 3o p e n s e e s 计算平台31 3 3 1m o d e lb u i l d e r 模块3 2 3 3 2 记录模块3 3 3 3 3 分析模块3 3 3 4p d m y 材料参数确定3 4 3 4 1 土性参数3 5 3 - 4 2 本构参数3 9 3 4 3 模型常量4 1 3 5 单元验证本构模拟液化能力4 3 3 5 1 液化理论分析士体单元4 3 3 5 2 o p e n s e e s 计算土体单元4 6 3 6 本章小结5 0 第四章苏娜拉亚火电厂进水明渠地震液化分析 4 1 工程背景：5 1 4 2 输入地震波一5 4 4 3 地基场地自由场分析5 5 4 3 1 自由场模型5 5 4 3 2 超静孔压分析5 5 4 3 3 侧向位移分析一5 7 4 3 4 竖向沉降分析5 9 4 3 5 剪应力法判别场地液化情况6 0 4 4 堤坝工程地震响应6 1 4 4 1 有限元模型6 1 4 4 。2 边界条件及分析过程一6 2 4 4 3 超静孔压分析6 3 4 4 4 侧向位移分析6 4 4 4 5 竖向位移分析6 7 4 5 本章小结7 0 第五章挤密碎石桩处理液化地基 5 1 引言7 2 5 2 挤密碎石桩的布置7 2 5 3 挤密碎石桩处理后堤坝的地震响应7 4 5 3 1 有限元模型7 4 5 3 2 超静孔压分析7 4 5 3 3 侧向位移分析7 5 5 3 4 竖向位移分析7 8 5 4 本章小结8 0 第六章结论与建议 6 1 本文的主要结论8 l 6 2 下一步研究工作的建议8 2 参考文献。 附录：作者简历及发表论文情况9 1 i v 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 液化是指物质由固体状态转变为液体状态的行为和过程，液化的危害由来已 久。早在1 9 4 8 年，土力学创始人t e r z a g h i 和p e c k 就认识到了饱和砂土扰动后类 似流体的性质，并认为这是饱和砂土边坡滑动的一个重要原因( t e r z a g h i 和p e c k ， 1 9 4 8 ) ；但直到1 9 6 4 年日本新泻地震和美国阿拉斯加地震后，地震液化问题才引 起人们的广泛重视。 在新泻地震中，地震液化引起了大量的灾难性破坏，包括砂沸、地基承载力 丧失、不均匀沉陷、边坡滑动等。据估计，在这次地震中仅由液化引起的各种损 失就超过了1 0 亿美元。图1 1 为地基承载力丧失引起的房屋倒塌，图1 2 为侧向 滑移引起的桥梁倒塌。 图1 1新泻地震中液化导致的地基承载力丧失 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 新泻地震中桥梁的倒塌 阿拉斯加地震中，液化引起了大量的边坡滑动事故，造成公路、铁路、通信 等设施的瘫痪，造成了巨大的损失。s e e d ( 1 9 7 9 ) 曾回忆到：当岩土工程师第一 次面对如此巨大的液化灾害，人们感到及其悲伤和惊诧这些事件比其它任何 原因更能激励岩土工程师们研究地震液化问题。图1 3 为地震液化引起的公路开 裂。 图1 3 阿拉斯加地震中公路的开裂 在抗震减灾的实际需要推动下，从六十年代开始地震液化问题就一直是土工 抗震领域的一个热点研究课题，也是具有重大理论价值和实际意义的一个难点研 究课题。 2 浙江火学硕1 j 学位论文 第一章绪论 1 2 液化研究综述 通常，液化问题是针对无粘性土而言的，尤其是砂土，因为粘性土具有粘聚 力，即使有效应力减小为零，仍然具有一定的抗剪强度。所以，饱和砂土为液化 的主要研究对象。 对于地震液化的研究，主要是两方面：一方面是研究地震液化产生的机理， 另一方面则是研究液化产生的可能性与后果。不管是在科学研究还是工程实践 中，液化势的预测一直是一个重要的内容，国内外对此开展了广泛的研究，基于 室内试验结果也提出了一些简化预测方法。但是，仅仅判别是否液化是远远不够 的，关于液化后的变形研究也越来越受重视。 1 2 1 液化的机理 饱和砂土是由土颗粒与孔隙水组成的多孔两相介质，在振动或循环荷载作用 下孔隙水压力上升导致有效应力的减小甚至消失，这是对液化的定性认识。汪闻 韶( 1 9 9 7 ) 把砂土的液化机理大致归纳为砂沸、循环活动性和流滑三种类型： ( 1 ) 砂沸。砂沸是饱和砂土中孔隙水压力由于地下水头变化而上升，达到 或超过上覆土体自重时引起喷砂冒水现象，土体全部丧失承载力。砂沸主要取决 与土中渗流水头场的分布，它既可以是地震所引起的孔隙水压力场，也可以是无 地震时的正常渗流水头场。正常渗透压力引起的渗透破坏常被考虑为“渗透不稳 定”现象，但是从物态转变行为来看，也属于液化的范畴，只不过它没有振动液 化那样的液化过程，也没有土结构的逐渐破坏过程。 ( 2 ) 流滑。流滑指的是在单向或循环剪切作用下土体体积持续剪缩，孔隙 水压力不断增大，从而导致抗剪强度的骤降，形成无限制的流动大变形，主要发 生在疏松的饱和无粘性土中。流滑现象很早就被人们所认识。 c a s a g r a n d e ( 1 9 4 0 ，1 9 7 6 ) 曾先后提出临界孔隙比和“流动结构”及“稳态线”等 概念。p o u l o s 等( 1 9 8 5 ) 曾详细报导了不同颗粒形状和级配砂的稳态线的研究结 果，表明其稳态线相差很大，从而影响了液化发生的可能性。k r a m e r 等( 1 9 8 8 ) 曾研究了饱和松砂在静荷载下发生流滑的条件，分析了固结应力、相对密实度和 初始剪应力比对流滑发生时启动剪应力大小的影响。 ( 3 ) 循环活动性。循环活动性是指在循环剪切过程中，由于土体体积剪胀 浙江大学硕 二学位论文第一章绪论 和剪缩的交替作用而引起孔隙水压力反复升降，造成间歇性液化和有限制的流动 变形。s e e d 等( 1 9 6 6 ) 在早期进行的饱和砂土不排水循环三轴试验中证明了这 一现象的存在，发现试样仅在循环荷载作用的某些时刻出现孔隙水压力等于围压 的情况，此时有效应力为零，出现瞬时液化现象。循环荷载作用初期的累积剪缩 ( 孔隙水压力持续增长) 及后期的加载剪胀和卸载剪缩的交替作用形成了循环活 动性。循环活动性的产生与砂土的相对密实度大小有关，还与固结应力、主应力 比、循环动应力幅值以及荷载循环次数密切相关。 上述三种液化机理中，循环活动性是液化研究的热点。室内试验中，典型的 循环活动性如图1 4 和1 5 ，主要的特征是：随着循环荷载的加载，应力路径从 初始应力点接近破坏线，最后收敛于破坏线附近的某一极限应力路径；应力应变 曲线不收敛于封闭滞回圈，松砂的剪应变迅速增大，而密砂的剪应变逐渐连续增 长。 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 圭 暑 ( a ) 应力路径 ( b ) 应力应变关系 图1 5 密砂循环扭剪试验 1 2 2 液化可能性判别 目前判定液化可能性的方法很多，有s e e d 简化法、剪应变法、临界孔隙比 法、临界标贯击数法、临界加速度法、统计法和综合判别法等。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 做出的判断。 ( 1 ) s e e d 简化法。 s e e d 简化法是目前工程实践中使用最广泛的液化判断方法。该法首先由 s e e d 和i d r i s s ( 1 9 7 1 ) 提出。通过对地震应力的简化分析，将地震波等效为一种 一定循环次数的均匀剪应力，进而在室内动三轴试验获得砂土的抗液化剪应力， 通过对比实际地震的剪应力与砂土的抗液化剪应力来判定土体是否液化。 首先，把地震作用看作是一个由基岩垂直向上传播的水平剪切波。当地震引 浙江人学硕十学位论文 第一章绪论 起的基岩振动输入到被视为具有内部粘滞阻尼的弹性系统，沿着土体不同深度上 必将引起随时间涨落变化的地震剪应力。假设土体为刚体，地震时地面的运动的 最大加速度为口。，在任一深度h 处的最大剪应力如式1 1 所示，示意图如图1 6 。 t 。：仲篮 ( 1 1 ) 地表 l 嘎。，影f 。：j ? j j 0 曩y f 穗蛹 0 j ：。一：一。t ： | ：一，；j o j ：；皇 j 豢簿孳 h 蠹曩囊： 童 ：一巧；：i _ 。：i 。蠢 - 卜 f 图1 6 地震时土体示意图 再考虑到土体实际上是变形体，剪应力随着深度的增大而减小，应力减小系 数丫。与土体的密度和深度有关，如图1 7 所示。所以，最大剪应力为 f m 。= y 办! 监 ( 1 2 一) f m “2y 府业7 ，d l ) g 图1 7 折减系数随土层深度的变化 但当深度较小时( 1 0 m 左右) ，密度的影响较小，可只按深度取平均值，如 表1 1 。 6 浙江大学硕f j 学位论文 第一章绪论 表1 1应力折减系数随深度的变化取值 深度 h ( i n )01 53 04 56 07 59 01 0 51 2 系数 ，d 1 0 0 00 9 8 50 9 7 50 9 6 50 9 5 50 9 3 50 9 1 5 0 8 9 5o 8 5 把地震应力随时间的不规则变化转化为一定等效循环次数的均匀剪应力的 作用，这是剪应力法的基础。如图1 8 所示，取地基内任意深度上的地震剪应力 随时间的变化曲线，其最大剪应力为一c 一。 剪 幼 玖 力 一j - 。、门打扩w7 誉一一 一 7 节j 譬 一刀一 w 。vv vv ，l 一，y v 7 ， 姥蝇 v 图1 8 任一剪应力变化曲线 如需把这个波形用一个等效的均匀波形来代替，就需确定两个关键参数：等 效循环次数丙和均匀剪应力幅值f 。根据对一系列强震记录的分析，s e e d 建议： f 。= 0 6 5 f 一 ( 1 3 ) 云= 0 6 5 7 h g ( 1 4 ) 关于两的取值，需明确等效的概念。这里等效指的是破坏意义上的等效，也 就是说，如果把地震的不规则波和概化的均匀波分别加到相同的试样上时，它们 有相同的破坏效果，即达到相同的破坏标准。s e e d 根据一系列强震记录的计算， 再参照大型振动台上的液化试验并取1 1 5 的安全系数，给出了i 的取值，如 表1 2 。 表1 2 震级与等效循环次数的关系 震级 5 56 57 07 58 0 n 581 22 03 0 持续时间t 81 42 0 4 06 0 最后，通过室内动三轴试验，对试样施加不同荷载得到相应的液化振次，即 可得砂土的抗液化剪应力r ，。比较抗液化剪应力z y 与实际的地震剪应力一 r e ，即 7 浙江大学硕，j j 学位论文 第一章绪论 可进行液化判断：当f ，i 时，土体将发生液化；r ，2 一- r e 时，土体不发生液化。 ( 2 ) 剪应变法 d o b r y 等( 1 9 8 2 ) 提出可通过对比地震引起的动剪应变) ，。和液化的门槛剪应 变y 曲来判别液化。定义抗液化安全系数 c = y 折y 。 ( 1 5 ) 地震在土中引起的动剪应变y 。可由下式确定： 舻5 g 饥 g 一， 6 ， lu 。，l 式中，g 。为低应变剪切模量；g g 。反映剪切模量随剪应变衰减的关系，又因 为g g 。同时又是) ，的函数，上式的求解需要迭代。 用门槛剪应变) ，曲代表土的抗液化能力，此处y 曲的被定义为引起残余孔压所 需要的最小剪应变幅值。当f 。大于1 时，土体不发生液化；但当f 。小于1 时， 并不能判断液化是否发生，它只是液化发生的必要条件。用剪应变法判定液化产 生的可能性比剪应力法更为严格，对于实际工程问题可能会偏保守。 ( 3 ) 临界标贯击数法 临界标贯击数法指的是对比砂土实际的标贯值与临界的标贯击数值。对以往 地震中发生过液化和未发生过液化的土层资料加以整理和统计分析，便可找出一 个临界标贯击数值n 。，凡实测标贯击数n ( 未经杆长修正) 小于n 盯的判定为可液 化土。 标贯判别法的优点是影响土的抗液化能力的许多因素也同样影响土的标贯 阻力，因此，标贯击数能综合反映影响液化的因素，比取原状土样做室内试验方 便，而且与现场震害情况相关较好。因此，这种方法在国内外也获得了广泛应用。 然而，标贯试验判别法也有它的缺点，“标准”贯入试验具体执行时常常“不太 标准”，击数受钻进方法和落锤方式的影响很大，在某些情况下得出的击数相差 很大。 1 2 3 液化引起的变形 宏观上，可以把液化变形分为侧向滑移和沉降。侧向滑移主要发生于具有初 始驱动剪应力的倾斜地基和边坡或者护岸附近的饱和水平地基。沉降主要是由于 r 浙江大学硕，i 二学位论文 第章绪论 震动或地震过程中超静孔隙水压力消散过程引起的土体压密。大量的震害调查表 明，地震时由于液化引起的地面侧向变形是造成地基破坏、桥梁落梁、铁路破坏、 地下管线破坏和土工结构破坏的主要原因。从某种程度上说，它是液化区公路、 铁路、桥梁等工程震害的主要形式。目前，预测液化引起的大变形方法主要有： 基于震害调查的经验统计方法、改进的n e w m a r k 滑块法、简单解析方法和流体 法。 ( 1 ) 经验法 经验法主要以h a m a d a 的基于地震调查资料进行统计回归分析公式为代表， 计算公式如下式 d ：0 7 5 x - h - 3 x f 0 ( 1 7 ) 式中，d 为地面水平侧向位移；h 为液化土层厚度，当含有多个液化土层时，取 上层液化土层顶到下层液化土层底的距离；0 是液化土层表面和底面坡角的最大 值。 y o u d 和p e r k i n s ( 1 9 8 7 ) 采用液化严重指数l s i 来评估场地最大侧向位移。l s i 的定义为液化可能引起的侧向滑移的最大值( n 蚰) 除以2 5 。l s i 的上限值为1 0 0 ， 对应的位移为2 5 m 。基于美国西部地区及阿拉斯加地区的震害调查统计，提出 了经验公式 l o gl s = 一3 4 9 1 8 6l o gr + 0 9 8 m 。 ( 1 8 ) 式中，r 为距震源的水平距离( k i n ) ，m 。为地震震级。但是，上式是根据美国 西北地区的地震动力特性建立的，因此对于其它地区不一定适用；同时，它提供 的只是一个地区的一般场地在地震情况下的侧向移动的上限，由于没有场地参 数，对于具体场地并不能得到可靠的变形值。l s i 的意义在于区划液化引起的侧 向流动的灾害程度。 b a r t l e t t 和y o u d ( 1 9 9 2 ，1 9 9 5 ) 基于多线性回归分析的方法，提出了两个分别适 用于河堤或有临空面的场地以及缓倾自由场地的预测公式。r a u c h ( 1 9 9 7 ) g , k j 可液 化引起的侧向位移是有限区域的滑动，对于场地和建筑物分别给出了预测侧向位 移的经验公式。g u a n g w e nz h a n g 等( 2 0 0 1 ) 基于室内动力试验、原位c p t 或s p t 试验和历史震害调查资料，提出了三个半经验的地面大变形预测公式。 ( 2 ) n e w m a r k 滑块法 9 浙江大学硕0 j 学位论文 第一章绪论 6 0 年代，n e w m a r k ( 19 6 5 ) 提出了以屈服加速度概念为基础的滑动体位移 计算方法。假定土体为刚塑性体，取滑动体进行极限平衡分析，当作用在滑动体 上的静剪应力和惯性力引起的动剪应力超过使滑动体滑动所需的最小剪应力时， 会产生永久位移。该方法首先需要定义“屈服加速度”，即使滑动体滑动的最小 加速度；然后，将基岩加速度中超过屈服加速度的部分做两次积分，从而得出滑 动体的滑动位移。屈服加速的大小与选取的滑动形式及土体的抗剪强度有关。 但是，n e w m a r k 法存在几个问题。首先是采用的刚塑性模型无法反映土体 的变形特性，现场震害调查表明液化后大变形并非沿某一滑动面；其次是很多大 变形往往发生在地震结束后，而n e w m a r k 法却只能计算振动过程中的变形。 ( 3 )简化法 简化法由y a s u d a ( 1 9 9 2 ) 提出。假定永久位移出现于液化软化的地基之上。 首先，用震前的弹性参数计算地震前土体的静应力与位移；其次，假定静应力为 常数，将土体的刚度折减( 取未液化时模量的1 1 0 0 0 ) 来模拟液化导致的土体 软化。两组分析结果的差值就认为是液化引起的位移。此方法将液化后的土作为 固体处理，只不过剪切模量降到原先的1 1 0 0 0 ，模量变化前后的差异变形即为所 求，产生的变形的力为土的自重应力。所以，此法也称为强度或刚度折减法。 ( 4 ) t o w h a t a 等( 1 9 9 2 ) 根据现场震害调查和室内振动台试验，总结了液 化后大变形的主要特点，提出了液化后地面永久性位移的“液体模型”：将液 化土体视为流体，上覆非液化土视为弹性体，流动土体的体积是不变的，水平位 移在液化层最大，底层为零，中间按正弦规律变化。该模型的缺点是不能反映中 密砂在液化后流动过程中由于剪胀而引起的强度恢复。 1 2 4 液化的循环本构模型 在实际工程中，许多岩土工程问题都归结为求解一定条件下的边界值问题。 要使问题的解答切合实际，很大程度上取决于描述土体特性的本构模型。土体的 动本构关系是表征土动态力学特性的基本关系，也是分析土体动力失稳过程的重 要基础。在用有限元解决土体内的应力及强度一变形稳定问题时，它是必不可少 的基本关系。目前，动本构模型已达数十个，根据吴世明等( 1 9 9 8 ) 和刘汉龙等 ( 1 9 9 9 ) 的归纳，大致可分为粘弹塑性模型、弹塑性模型和内时模型。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 粘弹塑性模型。常用的粘弹塑性模型有等效线性模型和曼辛非线性模 型两类。前者把土视为粘弹塑性体，通过引入等效阻尼比，给出等效剪切模量和 等效阻尼比随剪应变幅值和有效应力状态变化的表达式；后者则根据不同的加载 条件、卸载和再加载条件给出动应力一应变关系，首先给出初始加载条件下的动 应力一应变关系，再利用曼辛二倍法得出卸载和再加载条件下的动应力一应变关 系，构成滞回曲线方程。典型的等效线性模型代表有r a m b e r g o s g o o d 模型 ( 1 9 4 3 ) 、h a r d i n d m e v i e h 模型( 1 9 7 2 ) 和双线性模型等。 ( 2 ) 弹塑性模型。对于弹塑性动力本构，学者们采取的途径有两类。第一 类为在常规静力本构的基础上，改用较复杂的硬化规律，如采用将等向硬化规律 和运动硬化规律相结合的硬化规律，或者是允许边界面产生扩张或收缩运动。如 学者们在剑桥模型基础上做了某些修改：b a l a d i 等( 1 9 7 9 ) 建议改变椭圆形帽子 的长轴与短轴之比，使边界面即可以扩大又可以缩小；c a r t e r 等( 1 9 8 2 ) 认为在 加载时只有边界面上产生塑性应变，卸载时出现收缩。但是，该类模型与饱和砂 土实际性状有较大的不同。第二类为以其它形式的塑性理论为基础所建立的动本 构模型，如采用塑性模量场理论、边界面理论和多机构理论的模型。 m o r z ( 1 9 6 7 ) 首先提出了塑性硬化模量场理论，它的基本思路是：在应力 空间中定义一个边界面和一个初始屈服面，边界面是初始加载过程中形成的对应 于最大加载力的最大屈服面，在边界面内有一系列套叠着的互不相交的几何相似 屈服面，它们随塑性应变的产生和发展在边界面内以一定的规则依次产生胀缩和 移动，来模拟材料的非等向加工硬化特性。其中每个套叠的屈服面以及边界面都 代表有一定的硬化模量值，所以这些套叠屈服面当前的相对位置既反应了材料过 去的应力历史，又代表了应力空间中塑性硬化模量场当前的大小及其分布。当套 叠屈服面在应力空间中随应力点的变化而平移和胀缩时，应力空间中的塑性模量 场即随着应力点的移动而不断变化，从而可以描述土在循环荷载作用下的卸载非 线性、再加载和反向加载时出现的不可恢复塑性变形的过程。以上述思想为基础 的模型，有p r e v o s t ( 1 9 7 8 ，1 9 8 5 ) 、m o r z 等( 1 9 8 1 ) 和p a r r a ( 1 9 9 6 ) 等，它们 之间的差别主要在于边界面与套叠面的形状及其移动规则以及硬化模量场的研 究方法。其中，p r e v o s t 的模型又成为后续很多模型的基础。p r e v o s t 先后提出了 粘土和砂土的多重屈服面模型，对于砂土，采用的边界面和套叠面是圆形的，假 浙江人学硕上学位论文 第一章绪论 设模量是平均有效应力的幂函数，且边界面内侧不存在弹性域，初始屈服面退化 为一个点。该模型能描述饱和砂土的各向异性以及剪应力应变的非线性滞回特 性，并在一定程度上反映砂土的剪胀现象。 边界面理论是在多重屈服面理论基础上发展起来的。为了有限元计算时的简 便，学者提出了只采用初始加载面和边界面，用解析内插函数来表示中间的屈服 面，所以又称为两面理论。d a f a l i a s ( 1 9 7 5 ) 和k r i g e ( 1 9 7 5 ) 分别独立地提出了 该理论。随后m o r z 、d a f a l i a s 、a b o i m 等人建立了各具特色的模型。各种两面模 型的主要区别在于屈服面的形状及移动规律和硬化模量的插值规则。 多机构的概念是由m a t s u o k a ( 1 9 7 4 ) 和a u b r y ( 1 9 8 2 ) 提出来的。k a b i l a m a n y 和i s h i h a r a ( 1 9 9 0 ，1 9 9 1 ) 、p r e v o s t ( 1 9 9 0 ) 和p a s t o r 等( 19 9 0 ) 建立了各种模型。 如p a s t o r 等人认为材料的变形是由m 个独立机构所产生的变形叠加的结果，提 出了广义塑性理论体系；i a i 将土体复杂的机理分为体积机理和一系列剪切机理。 ( 3 ) 内时模型 内时理论最初由v a l a n i s ( 1 9 7 1 ) 提出，近年来逐渐引起了人们的兴趣。内 时理论的基本概念为：塑性和粘塑性材料内任一点的现时应力状态是该点邻域内 整个变形和温度历史的泛函，特别重要的是变形历史用一个取决于变形中材料特 性和变形程度的内蕴时间来量度；采用内蕴时间而不是用牛顿时间去量度不可逆 变形的历史，就把材料性质及其内部结构变化对于本构关系的重要影响突出到用 一个基本变量加以描述的程度。内时参数是一个单调递增的函数，它的转换变量 可以表示土体在受荷过程中的体积应变、剪应变、孔压增长以及其它各种不可恢 复的非线性反应。 近年来，国内学者也提出了一些比较有特色的可用于砂土液化变形分析的循 环本构模型。沈珠江基于对颗粒的微观结构变化的分析，提出了塑性应变的惯性 原理、协同作用原理及驱动应力等新概念，提出了一个反映砂土在循环荷载作用 下的广义弹塑性模型，数值模拟及多种试验的结果对比表明了其合理性。史宏彦 ( 2 0 0 0 ) 在应力的矢量分解和松岗元多机构模型的基础上，提出了一个矢量型的 循环本构。刘汉龙等( 2 0 0 3 ) 根据i a i 多重剪切机构塑性模型及边界面塑性模型 的特点，建立了一个砂土多机构边界面塑性模型，该模型能够模拟复杂荷载作用 下主应力轴偏转的影响。张建民和罗刚( 2 0 0 4 ) 提出了一个可以反映砂土循环应 1 2 浙江大学硕t 学位论文 第一章绪论 力应变各向异性以及可逆与不可逆剪胀规律的循环本构模型。 1 3 本文研究目的 目前国内外对陆地砂性土地基地震液化研究较多，而对海床砂性土的液化研 究相对较少。与陆地砂土相比，海上和沿海区域砂性土具有孔隙比高、密实度差 和许多物理指标与淤泥相当等特点，地震对此类土质及其上部结构的破坏机理尚 不明晰，国内外可供借鉴的工程较少，对该类地基的地震加固处理带来了风险和 困难。随着有限元分析的发展，国际上对上述领域的研究越来越深入，相应的动 力特性分析越来越具有实际工程背景，并指导沿海堤坝地基及相应结构的加固与 设计与施工。 深厚软弱松散海上砂性土的地震现象有以下几种： ， 1 堤坝设施所处的深厚软弱松散海上砂性土除了液化现象外，还会产生震陷 效应，存在液化和震陷的耦合作用，地基需同时进行抗液化和抗震陷加固。 2 堤坝设施所处的深厚软弱松散海上砂性土除液化失稳现象外还可能产生 流滑现象，致使进水明渠产生整体平移破坏。 3 深厚软弱松散砂性土加剧了地震对堤坝设施及其附属结构的破坏作用，导 致确定进水明渠沉降预留量困难，接口结构抗震设计形式复杂，局部应力和变形 较大，常规设计难以提供上述技术参数和数据。 本文以印尼苏娜拉亚火电厂进水明渠为研究背景，通过室内试验观察了砂土 液化的现象，对该进水明渠进行了有限元分析，主要的内容有： 第2 章饱和砂土液化室内试验。 第3 章介绍选用的杨朝晖提出的叠套屈服面本构理论及计算软件o p e n s e e s ，对 计算所需的输入参数进行了分析并提出确定参数的简化方法，并用单元 计算验证了该简化方法的适用性。 第4 章以火电厂进水明渠为研究对象，对场地进行了自由场分析，对堤坝和地 基整体进行了有限元分析，预测了堤坝及地