粉土层液化可能性判断的地震反应分析法
浅议饱和砂（粉）土的液化判别方法
浅议饱和砂（粉）土的液化判别方法程爱华;李涛【摘要】Sand(silt) liquefaction which is the one of the usual happened main earth damage can be effected by many factors.There are several ways around the world to distinguish liquefaction ,but each of them has certain scope of application .Through comprehensive discrimination of liquefaction with standard penetration test ,static sounding test and shear wave velocity test in the practical project ,we can accurately judge whether sand (silt) liquefy or not.%砂（粉）土液化是地震中经常发生的主要震害之一，砂（粉）土液化受到多种因素的影响，关于液化的判别方法，国内外有很多种，每种方法都有一定的适用范围。
通过实际工程中的标准贯入试验、静力触探试验、剪切波速试验综合进行液化判别，以准确判断砂（粉）土是否液化。
【期刊名称】《城市勘测》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】3页(P164-166)【关键词】砂(粉)土液化;液化判别;标准贯入试验;静力触探试验;剪切波速试验;综合判别【作者】程爱华;李涛【作者单位】济南市勘察测绘研究院，山东济南250013;济南市勘察测绘研究院，山东济南 250013【正文语种】中文【中图分类】TI441所谓砂(粉)土液化，是指饱和砂土或粉土在地震力作用下，砂土或粉土在受到强烈振动后，土粒处于悬浮状态，致使土体失去强度而造成地基失效的现象[1]。
地震液化不同判别方法的比较
地震液化不同判别方法的比较摘要：本文通过通过某工程采用三种不同规范得出的液化判别的结果进行了对比分析，总结出三种抗震规范在进行液化判别式的差异，同时对目前不同的液化判别方法的优缺点进行了论述。
关键字：地震；液化；孔隙水压力；总应力；有效应力；标准贯入试验；抗震设防烈度；概率1砂土液化的概念液化是指饱和砂土或粉土，在周期地震荷载作用下，由于排水通道不畅，形成的孔隙水压力或超孔隙水压力不能及时消散，当土体内的孔隙水压力达到土中上覆总压力时，有效压力趋于零，土颗粒处于悬浮状态，土体会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成象液体一样的状态，这种现象成为液化现象。
砂土液化表示在静应力或周期应力作用下产生并保持很高的孔隙水压力，是有效应力降低到一个很小的数值，导致土体在很低的，不变的残余抗剪强度或没有残余抗剪强度的情况下发生连续的变形。
砂土液化液化可用有效应力原理解释，即下式的表达方式：σ＝σ′＋μ式中：σ—土中总应力；σ′—土中的有效应力；μ—土中的孔隙水压力一般情况下，土体中的总应力是不变的，当在周期性振动荷载（一般为地震荷载）的作用下，孔隙水压力增大，有效应力减少，而土体中的抗剪强度τ＝（σ－μ）tgφ(无粘性土)；当（σ－μ）趋于零即土体中的总应力等于孔隙水压力时，抗剪强度亦趋于零，即发生饱和土体液化现象。
就液化机制而言，饱和砂土液化可分为两种类型。
一种是渗透液化，即向上渗透的水流当其水力梯度大于土的浮重度时，使土处于悬浮状态。
发生渗透液化的必要条件是由向上的水流流动。
另一种是剪切液化，即在剪切力作用下砂土体积发生压缩，使其孔隙水压力升高到静有效应力，抗剪强度丧失，象液体那样不再能抵抗剪切作用。
这里所说的剪切作用可以是静剪力作用，也可以是动剪力作用。
一般说，象地震、爆炸等应起的剪切作用历时都很短。
例如，地震的历时也就是几十秒。
在这样短的时间内，排水作用是很小的。
因此，地震时饱和砂土液化常被认为是在不排水条件下发生的。
地震作用下土的液化评述
tan
试验和计算都证明, 在有建筑物的情况下, 由于基础 附加应力的作用, 其液化势的分布, 与一维水平层的自由 场情况是不同的。直接位于基础下的土, 由于附加应力的 抑制而较难液化; 位于基础外侧的浅层土最易液化。以同 一标高的不同水平位置相比, 液化难易程度的次序是, 基 础外侧最先液化, 自由场次之, 基础下最晚。据陈克景、 刘忠珊的研究, 在达到极限平衡状态时, 基础下土的孔压 比最大值一般在0.5以下, 基础两侧为0.8-1.0,自由场不 大于0.8。因此,液化地基的破坏是由于基础外侧土首先软 化和液化, 中间土失去侧向支承力的结果。具体地说,基 础两侧土软化后, 土中附加应力重分布, 基础下的土应力 增加; 两侧土液化后附加应力完全集中在基础下的土上, 基础下的土自身软化, 又失去两则土的支承. 导致失稳和 大量沉陷。
地震力作用下影响饱和砂土液化的因素
• 颗粒特征: 反映土的颗粒特征的物理指标, 我们主要采用 平均粒径d50 , 不均匀系数Cμ ,以及粘粒含量Mc。 实验室 的研究和现场观察证明: 平均粒径越大, 不均匀系数越高, 粘粒含量增加, 土的抗液化能力越高。 • 土的密度特征: 一般用相对密度来衡量. 对同一种砂土而 言, 相对密度越低, 越易液化; 反之, 越不易液化. 松砂 在振动中, 体积易于压缩( 剪缩) , 孔隙水压力上升快, 故较密砂易液化。 • 土的起始应力条件: 土的起始应力条件显著地影响着土的 抗液化能力. 在侧限实验条件下, 应力状态常用覆盖有效 压力σ 表示。σ 越大, 土的抗液化能力越强。 • 地震情况: 主要指地震的振幅、频率、持续时间等. 实验 表明, 振幅越大、频率越高、持续时间越长,砂土越易液 化。
以上论述可以得到以下几点重要结论; (1) 在最大孔压比达到液化之前, 地基即已产生可观的沉 陷, 故孔压比不宜大于0.6-0.7 ; (2) 基础外侧比自由场更易液化; (3) 宽度大的基础有利于抗震; (4) 地震时可液化的土不应直接作为基础的持力层。
液化土层的判别及处理措施浅析
液化土层的判别及处理措施浅析摘要：在地震作用下，饱和状态的砂土或粉土中的空隙水压力上升，土中的有效应力减小，土的抗剪强度降低，达到一定程度时，土颗粒处于悬浮状态，空隙水压力迅速释放，导致土中有效应力完全消失，土体丧失承载能力，土变成了可流动的水土混合物，此即为地基土体液化。
唐山地震、汶川地震和日本阪神地震震害表明，因地基砂土液化对建筑物造成的破坏非常严重。
具体表现为地面喷砂冒水、建筑物基础沉降量大和倾斜严重的现象，甚至失稳、倒塌，从而造成了很大的生命和财产损失。
因此，如何避开液化危险地段修建房屋，如何处理存在液化土层的不利地段地基，如何采取减轻液化影响的基础和上部结构处理的措施，是地基基础设计在液化场地中需重点解决的问题。
关键词：岩土工程；地震液化；液化判别；抗液化措施一、前言近年来，全世界范围内地震频繁，唐山地震、日本阪神地震、汶川地震、福岛地震、墨西哥近海沿岸8.2级地震等对人类社会的生产生活秩序破坏非常严重。
而且随着社会经济的快速发展，大体量的高层及超高层建筑层出不穷，建筑结构的重要性不断提高。
怎样才能设计出安全且经济合理的方案，这就为基础位于液化土层上的地基基础设计带来了巨大的挑战，这也是每一位设计者值得深入思考的问题。
根据以往地震现场资料，判定现场某一地点的砂土已经发生液化的主要依据是：(1)地面喷水冒砂，同时上部建筑物发生巨大的沉陷或明显的倾斜，某些埋藏于土中的构筑物上浮，地面有明显变形。
(2)海边、河边等稍微倾斜的部位发生大规模的滑移，这种滑移具有“流动”的特征，滑动距离由数米至数十米；或者在上述地段虽无流动性质的滑坡，但有明显的侧向移动的迹象，并在岸坡后面产生沿岸大裂缝或大量纵横交错的裂缝。
(3)震后通过取土样发现，原来有明显层理的土，震后层理紊乱，同一地点相邻位置的触探曲线不相重合，差异变得非常显著。
二、液化判别人们在工程建设时考虑全部消除或部分消除场地液化对工程建设的影响，这就需要在工程建设前期对饱和砂土和粉土进行液化判别，进而指导设计、施工。
粉土地震液化动力反应的数值分析
［K］｛ U｝ = ｛ Ｒ｝
（ 6）
式中： ［K］为求解体系的总刚度矩阵，由单元刚度叠加
而成，单元刚度矩阵取决于单元的尺寸和材料的模量； ｛ U｝
为在静荷载向量作用下结点发生的静位移向量，是待求量，
求得位移向量后，即可求出土体内各计算单元的应变和应力
分量； ｛ Ｒ｝ 为结点的静荷载向量，在形成静荷载向量时考虑
这里，K2 、n2 为试验参数。
阻尼比表达式改写成下面形式：
λ = λmax （ 1 － G / Gmax ） M
（ 5）
M 为试验参数，与土的类型有关。
2 静力有限元分析
进行静力有限元分析，目的是了解土体内的静应力分布
情况，确定土体内各单元的初始静围压，为动力分析提供初
始条件。其有限元求解方程为：
· 岩土工程与地下工程 ·
粉土地震液化动力反应的数值分析
罗强
（ 攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川攀枝花 617000）
【摘 要】 文章基于动三轴实验结果得出的粉土液化孔压增长模型，采用有限元分析程序，在输入两组 地震波情况下，对粉土的液化进行了地震动动力反应分析。分析结果表明，地震动作用时，埋深浅的粉土抵 抗液化的能力比埋深大的土弱，土体液化后能对地震动产生一定的滤波和放大作用，不同深度土层的加速度 时程曲线幅值由下向上逐渐增大，剪应力时程曲线则具有相反的规律。在只输入水平向地震加速度的情况 下，也输出了一定的垂向加速度，且垂向加速度在土层中也是由下向上逐渐增大。
1 土的动力本构关系
在等效线性化模型中，土的动力性能用 Gmax 、G / Gmax ～ γ
曲线和 λ ～ γ 曲线表示［2］。Gmax 用现场波速试验或室内试验
确定，可表示为：
地震液化机理、判别及其危害性评价
(2019年第2期丿Development and Innovation|发展与创新|・233・地震液化机理、判别及其危害性评价朱贵兵(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海200061)摘要：饱和砂(粉)土和砂土液化是典型的地震灾害现象之一，可引起地基失效、地面沉降和滑移等地面破坏。
本文针对地震液化问题，扼要分析砂土液化的形成机理、影响因素，介绍几种常用液化判别方法以及不同水平的液化危害性评价方法。
关键词：地震液化；液化机理；液化判别：危害性评价中图分类号：TU413文献标志码：A 文章编号：2096-2789(2019)02-0233-02我国地震活动频率高、分布广、强度大，给经济发展带来了严重损失。
由地震引起的场地砂土液化是工程场地条件评价中的必要环节和重要内容。
1砂土液化机理饱和砂(粉)土是由砂(粉)颗粒和孔隙水组成的复合体，在地震荷载的作用下使得土的有效应力为零、土颗粒处于悬浮状态的这一过程称为砂土的液化，分为 振动液化和渗流液化两个过程[，1«1.1振动液化不含或含少量粘性土的砂、粉性土是地震液化的主体，这类土仅靠颗间摩擦力承受外力和维持稳定性：t=a tan<t>o依据有效应力原理，饱和砂土的抗剪强度低于干砂的抗剪强度：t=(o-p w0)tan4>=o■tan式中：。
、。
分别为总法向应力和有效法向应力；P m为孔隙水压力；tan e为砂土的内摩擦系数。
地震发生时，松散饱和砂土中砂颗粒在地震的反复作用下逐渐趋于密实而产生附加孔隙水压力，此时的砂土抗剪强度将更低：T=[°-(Pwo+APw)]tan4>=[o-p w]tan<t>式中：Ap”为附加孔隙水压力；p”为总孔隙水压力。
当振动持续、附加孔隙水压力不断增大时，砂土的抗剪强度持续降低直至完全丧失而使砂土处于悬浮状态。
1.2渗流液化当砂土受振液化后，对某一深度z,孔隙水压力：Pw=P*o+APw=°，0=P mgz.PwO=P wgz>则AP«=(P m-P w)gZo所以超孔隙水压力随砂土深度的增加而增大。
简析饱和砂类土_粉土的液化判别公式
西部探矿工程
series No. 92
2004 年第 1 期
WEST - CHINA EXPLORA TION EN GIN EERIN G
Jan. 2004
文章编号 :1004 —5716 (2004) 01 —0059 —02
成的必要条件 ,其一是地震时砂土必须有明显的体积缩小 ,从而 产生孔隙水的排水 ;其二是向砂土外的排水滞后于砂体的振动 加密 ,使砂体的渗透性变弱 ,不利于附加孔隙水压力的迅速消失 。 于是随着水位的升高 ,水头压力的增加 ,孔隙水压不断积累而升 高 ,砂土就开始液化 。出露地表的饱水砂土最易液化 ,常见的海 滩上我们稍微跺脚就能使砂土液化就是这个道理 。 312 上覆非液化土层( du) 修正系数 ———α3
砂土的粒度组成是判定在地震作用下砂土能否产生液化的 重要判别标志之一 。多数研究结果证明 ,均匀级配的砂土易产生 液化 。它所以易于液化 ,是由于其孔隙比较大而透水性较差 ,水 不宜立刻排出 ,在外力作用下易呈悬浮状态 。如果砂土中含有少 量粘土颗粒 ,由于粘土颗粒较其他颗粒易成为悬浮状态 ,使得液
堤内分布有较多的沟渠 、渊塘 。堤内仍存在历史上因溃口形 成的冲坑和深潭 ,深约数米 。目前堤段内 、外 30m 范围内均筑有 压浸平台 ,平台分别高出堤内或堤外约 1m 。
堤身填筑土多为就地取用 ,主要为素填土 ,少量杂填土 。素 填土主要为粉细砂 、砂壤土和粉质壤土 ;杂填土分布较少 ,主要为 生活垃圾和当年溃口处堵口杂物 。
砂土在静力条件下抗剪强度 τ=σt gφ 式中 σ: ———剪切面上的法相应力 ;
φ———砂土的内摩擦角 。 当砂土处于饱水状态时 ,由于静止孔隙水压力 (u) 的作用 ,其 有效法向应力将由σ减小到σs σ, s =σ- u 。这时的抗剪强度 τ=σstgφ= (σ- u) tgφ 如果砂土较为松散 ,在振动荷载的反复作用下 ,使颗粒相互 紧靠 ,振动增密后 ,对于饱和粉细砂来说 ,孔隙水不能及时排出 , 在原来静止孔隙水压力的基础上 ,产生了附加孔隙水压力 ( △u) , 随着振动荷载的反复作用 ,附加孔隙水压力不断积累而逐渐上 升 ,其结果使颗粒间的有效应力降低甚至消失 。设附加孔隙水压 力为 △u ,则有效法向将进一步降低为 τ= (σ- u) tgφ= (σ- u - △u) tgφ。 式中 : △u ———因振动而产生的附加孔隙水压力 ;
饱和砂粉土液化判别的几点浅薄认识
图２ D50 与 e = emax − emin 关系
通过以上分析，按下式：
IIE=∑(1-Ni/Ncri)diwi 计算得砂土液化指数见表 5,从表中可以看出，各钻孔中液化指数均大于 15,因此该桥墩地基确定
为严重液化砂土层，液化层厚度为 5.40～8.10m。
ZK707
25.5～30.5
细砂
2.09
1.81
97
密实
表 2 土样的颗粒级配试验结果
组
累积百分含量（%）
特征粒径（m m）
不均匀系数 曲率系数
号 ≤0.075 ≤0.25 ≤0.50
D10
D30
D50
d60
（CU）
（CC）
1
5.02
92.31 99.53 0.08 0.11 0.134 0.15
1.88
2.4 砂性土抗液化的试验研究
该工程为某公路特大桥桥墩。本试验采用 WFI 动三轴仪，施加的动荷载为 1HZ 的正弦波，初始有
效固结应力σc=100KPa，为确保土样完全饱和，使孔压系数 B≥0.95。鉴于工程的重要性，土样的破
坏（液化）标准取为双幅轴向应变 2%～3%。 本试验共进行了 6 组原状土样的动三轴液化试验，这 6 组土样的埋深为 21.4～30.50m。由于各点
含量
N63.5（击）
灰褐色～黄褐色，稍湿～湿，含氧化铁条纹， ①层粉土（粉砂）
地震液化不同判别方法的比较
地震液化不同判别方法的比较摘要：本文通过通过某工程采用三种不同规范得出的液化判别的结果进行了对比分析，总结出三种抗震规范在进行液化判别式的差异，同时对目前不同的液化判别方法的优缺点进行了论述。
关键字：地震；液化；孔隙水压力；总应力；有效应力；标准贯入试验；抗震设防烈度；概率1砂土液化的概念液化是指饱和砂土或粉土，在周期地震荷载作用下，由于排水通道不畅，形成的孔隙水压力或超孔隙水压力不能及时消散，当土体内的孔隙水压力达到土中上覆总压力时，有效压力趋于零，土颗粒处于悬浮状态，土体会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成象液体一样的状态，这种现象成为液化现象。
砂土液化表示在静应力或周期应力作用下产生并保持很高的孔隙水压力，是有效应力降低到一个很小的数值，导致土体在很低的，不变的残余抗剪强度或没有残余抗剪强度的情况下发生连续的变形。
砂土液化液化可用有效应力原理解释，即下式的表达方式：σ＝σ′＋μ式中：σ—土中总应力；σ′—土中的有效应力；μ—土中的孔隙水压力一般情况下，土体中的总应力是不变的，当在周期性振动荷载（一般为地震荷载）的作用下，孔隙水压力增大，有效应力减少，而土体中的抗剪强度τ＝（σ－μ）tgφ(无粘性土)；当（σ－μ）趋于零即土体中的总应力等于孔隙水压力时，抗剪强度亦趋于零，即发生饱和土体液化现象。
就液化机制而言，饱和砂土液化可分为两种类型。
一种是渗透液化，即向上渗透的水流当其水力梯度大于土的浮重度时，使土处于悬浮状态。
发生渗透液化的必要条件是由向上的水流流动。
另一种是剪切液化，即在剪切力作用下砂土体积发生压缩，使其孔隙水压力升高到静有效应力，抗剪强度丧失，象液体那样不再能抵抗剪切作用。
这里所说的剪切作用可以是静剪力作用，也可以是动剪力作用。
一般说，象地震、爆炸等应起的剪切作用历时都很短。
例如，地震的历时也就是几十秒。
在这样短的时间内，排水作用是很小的。
因此，地震时饱和砂土液化常被认为是在不排水条件下发生的。
粉土的液化特性研究
既 不 是传 统 的砂 土 ， 也 与 粘性 土 有 较 大 的 区别 ， 水 与
土之 间的颗 粒作 用 于砂 土和 粘性 土 有很 大 的差 异 ， 这
点 都成 了粉 土 的 明显 特 征 。 一般情 况 下粉 土 的性质 接
近于粉砂 ， 压 密性 比较 差 ， 颗 粒 之 间 的摩 擦 阻 力 也 比
粉 土是介 于 砂土 和粘 性 土质 之 间 的一类 土 ， 粉 土
得到了广泛 的应用 ， 对待液化机理的处理也得到国内 外广大学者 的关注。一直以来 ， 饱和性的可液化粉土
的震动 液化 势抗 震工 作 中 的重要 内容 。 在 上 个世 纪七 十 年代 的唐 山大地震 中 ， 天 津地 区就 发生 了 大面 积粉 土 地 基 液 化 的 现象 ， 还有 上 个 世 纪 的 九 十年 代 ， 我 国 台湾省的 ７ ． ６级 地 震 中也 曾经 出现 了局 部 地 区 的液 化 现象 。 这些 现实 案例 向我们证 明了饱 和性 粉 土 同样 会 发 生 液 化 的现 象 ， 也 因此 ， 饱 和性 粉 土 的震 动成 为 土木抗 震 研究 中的重要 主题 。 这些 问题 的研 究 主要集 中在 震 动 液 化 产 生 的条 件 和 周边 的影 响 因素 以及 液 化 产 生 的可 能性 等等 方面 。
。
震 在 引 起 的饱 和砂 土 和粉 土 的液化 造 成 建 筑 物 的 倾
斜， 甚 至 会造 成 毁 灭 性 的打 击 ， 给人 民造 成 巨大 的危
研 究表明 ， 地震 条件 、 埋藏条件、 水体条件是粉 土液化的产
生重要影响 因素 ； 动 力反应分析 法、 经验分析法 、 统计 分析 法是
较小 ， 凝 聚 的效 果却 比沙 土 强 ， 粘 质 粉土 颗 粒 之 间 的
地震砂土液化的判定方法
地震砂土液化的判定方法
1. 观察地表啊！你想想，如果地震后地面突然像变成了一锅粥一样，砂土和水混在一起，到处流淌，那不是砂土液化了还能是什么呀！就好比做蛋糕时，面糊稀了到处淌一样。
比如那次我们在海边看到的场景，地面就是这种情况啊！
2. 看看建筑物的沉降情况呀！要是房子莫名其妙地往下陷，出现倾斜或不均匀沉降，那很有可能是砂土液化在捣鬼呢！这就像人站不稳要摔倒一样明显嘛！我记得隔壁小区那次地震后就有几栋楼出现了这样的情况。
3. 注意地下水位的变化嘛！要是地震后地下水位突然上升很多，变得异常，那可要小心砂土液化哦！这就如同河水突然涨起来一样惊人。
我们村那次地震后就出现了这种情况呢！
4. 听听有没有异常的声响呀！如果有那种咕噜咕噜像冒泡一样的声音从地下传来，很可能就是砂土液化的信号啦！就好像开水烧开了咕嘟咕嘟响一样。
上次在工地就听到了类似的声音。
5. 检查一下基础设施嘛！比如地下管道啊，如果它们扭曲变形甚至破裂了，那极有可能是砂土液化导致的呀！这不就和我们玩的橡皮泥被揉变形了一个道理嘛！记得有个地方地震后水管就是这样破的。
6. 多留意地面有没有喷砂冒水的现象呀！要是突然有砂和水从地下喷出来，那肯定是砂土液化在搞鬼啦！就好像火山喷发一样让人惊讶。
那次地震后在公园里就看到了这样让人震惊的场面。
总之，通过这些方法去判断砂土液化准没错！要仔细观察、用心留意呀！。
液化土层地震动反应谱分析方法
摘要液化土层对地面运动及结构地震反应的影响是工程抗震领域中非常重要的课题之一建立了一种土体二维有效应力动力分析方法并编制了相应程序速度反应谱本文完成的主要工作及取得的成果如下总结了以往土体动力有效应力分析方法的研究现状指出了需要解决的若干关键问题建立了一种土体二维有限元动力有效应力分析法并编制了相应程序能更准确的描述地震下孔压的实际增长过程可方便的应用于实际工程中对泉州经济技术开发区总部广场第一期开挖爆破工程进行了现场测试并以此和天然地震波4Ëٶȷ´Ó¦Æ×Ö÷Òª·ÖÎöÁ˱¥ºÍÒº»¯²ãºñ¶ÈÍÁÐÔ²ÎÊýºÍÊäÈëµØÕ𲨵ÈÒòËضԵØÃæ¼ÓËٶȷ´Ó¦Æ×µÄÓ°ÏìºÍͬÑùµÄÕ³ÍÁ²ãÏà±ÈÇÒ¼õÕðЧ¹ûËæ×ÅÒº»¯²ãÂñÉî¶Ô³¤ÖÜÆÚ·ÖÁ¿Ö÷ÒªÆð¼ÓÇ¿×÷ÓöÔËùÊäÈëµÄµØÕð²¨À´Ëµ¼ÓÇ¿¼õÈõµÄ·Ö½çµãËù¶ÔÓ¦ÖÜÆÚΪ0.6s左右在本文计算分析结果的基础上6²¢Ó¦ÓÃÓÚʵ¼Ê¹¤³ÌÖб¬ÆÆ°²È«¹æ³ÌGB6722-2003关键词爆破抗震措施AbstractThe study on effects of liquefied zone on surface ground motion and seismic response of buildings is one of the very important subjects in the engineering of earthquake-resistance of structure. A modified two-dimensional dynamic effective stress method is established and also the corresponding program presented in the paper .And the method is used for analyzing the effects of liquefaction of sand soil zone on surface ground motion and the response spectrum of accelerationNDFEPS-2Dthe natural earthquake wave and the artificial production earthquake wave are to be the input earthquake wave.4.T he ground surface response spectrum of accelerationdepthdepth and width of the liquefied sand layer;The liquefied sand layer t akes a increasing e ffects on the long period component of the surface ground motion but the effect is not obviously ;To the input earthquake wave, the d emarcation point of Strengthens and weaken is about 0.6s.5.O n the basis of the results of the analysis in this paper, summing up the security measures to the liquefied zone: rational us ing liquefied sand layer and avoid ing failure of foundation.6.Established blasting vibration hazard assessment methods on the basis of the response spectral theory, and applied to practical project. The results indicate that the assessmentconclusion educed form the application of this method and application of the(GB6722-2003) are consistent.Key Words:Seismic liquefaction, Blasting, Aseismatic measures,Response spectrum, Hazard assessment第一章绪论1.1背景和意义1.1.1反应谱及其影响因素地震引起的工程震害不仅在于工程结构本身的静力和动力特性为了表现场地条件对建筑物在地震作用下的影响抗震工程学它建立了地震动特性与结构动力反应之间的桥梁地震动反应谱反映了地震动频谱特性它又描述了一般结构地震反应的某些基本特征人们希望得到具有一定安全程度的地震力规定设计反应谱并不是某个特定地震的地面运动的描述但是作为对结构设计地震力的一种规定反应谱概念的提出为工程设计提供了重要的参考并且自从地震反应谱的概念提出以来强震地面运动的谱特性决定于如震源机制地震波的反射散射和聚焦以及局部地质和土质条件等许多因素是国内外抗震设计规范中规定设计反应谱的重要依据不同排列组合以及下伏基岩的表面形态等我国在６０年代初期就开始研究各种因素对设计地震动参数的影响并列入了各专业性的抗震设计规范中液化土层的存在对地表加速度反应谱的形状有着重要的影响湿震不重干震重”¶ø1995ÄêÈÕ±¾ÚæÉñ(Kobe)´óµØÕð[1][2]µØÕ𶯵ÄƵÂʳɷÖÓкܴóµÄ¸Ä±äÍÁ²ãÒº»¯Ò²ÊÇÓ°ÏìµØÕ𶯲ÎÊýµÄÖØÒªÒòËØÖ®Ò»ÈçµØÐεÈÄ¿Ç°ÉÐÎÞ¶¨ÂÛ²¢ÇÒÄ¿Ç°ÔÚÖÐÒº»¯²ã¶Ô·´Ó¦Æ×µÄÓ°ÏìҲûÓеõ½ºÜºÃµÄ¿¼ÂÇÌرðÊÇÔÚ¶Ô´ý×÷Ϊ½¨ÖþÎïµØ»ùµÄ³¡µØʱ¹æ·¶ÖÐʵ¼Ê´¦Àíʱ¾Í²ÉÓÃÊ®·Ö¼ò»¯µÄ·½·¨¶ø³¡µØµÄÑ¡ÔñÔòÓÃͨ³£µÄ·½·¨¼ÓÒÔ½â¾ö¼´·´Ó¦Æ×ÓëÊÇ·ñÒº»¯Î޹ضø¾¡Á¿±Ü¿ª»ò²ÉÈ¡²¿·ÖÏû³ýÒº»¯³ÁÏݵĴëÊ©µÈ因此研究液化土层对地表加速度反应谱的影响具有重要的理论意义和工程应用价值1.1.2天然地震与爆破地震爆破地震与天然地震有相似之处并以波动的形式向外传播产生地震效应爆破地震的震源能量小持续时间短０．２ｓ左右一般在１０爆破地震振动频率高虽然在同一地点的两种地震波参数相同在爆破过程中但是这种以单一地面运动参数与经验统计为基准的经验判据法虽简便但存在很大的局限性材料性能和地基约束条件,也没有与爆破地震波谱特性相联系[5]±¾ÎÄÔÚÄ¿Ç°¹úÄÚÍâÒÑÓеÄÑо¿³É¹ûµÄ»ù´¡ÉÏÂñÉîÏàÐÅÄܵõ½Ò»Ð©ÓÐÒâÒåµÄ½á¹ûÔÚ±¾ÎĵÄÑо¿Öе«ÎÞÓ¹ÖÃÒÉÆäÑо¿³É¹û¶Ô½øÒ»²½¿ªÕ¹Òº»¯Çø¿¹ÕðÉè·ÀºÍÆÀ¼Û±¬ÆƵØÕðΣº¦µÈÓÐÒ»¶¨µÄÒâÒåÏÂͬ)的地震反应分析问题己有了较多的研究成果动力方程的差分格式199320002000 19681975)Óë³£¹æ·½·¨ÏÔÖøµÄ²»Í¬Ö®´¦ÔÚÓÚÍÁ²ãÖб¥ºÍÉ°ÍÁµÄ¿×ѹÔö³¤¼°´øÀ´µÄÏà¹ØÎÊÌâÕâÀïÖ÷Òª×ÛÊöÍÁµÄ±¾¹¹¹Øϵ1.2.1土的本构关系土的静力本构理论研究在近二已有的土体静力本构理论大体上可分为弹性模型粘弹塑性模型以及塑性模型等几类没有任何一种模型能够考虑到所有影响因素对于线弹性模型为常数单元材料的杨氏模量和泊松比为变量应用较多的方法是邓肯等提出的邓肯Duncan&ChangÕÅÄ£ÐÍÊǹúÄÚÍâÓ¦Óý϶àµÄÄ£ÐÍÖ®Ò»Kondner1963ÓÖ²ÉÓÃMohr¸÷×é³É²¿·Ö¾ßÓмáʵµÄÊÔÑé»ù´¡±íÕ÷ÍÁµÄ¶¯Ó¦Á¦ÓÐË«ÏßÐÔÄ£ÐÍIwan 模型弹塑性模型其中等效线性模型把土视为粘弹性体动应变关系的两个基本特征并且将模量与阻尼比均表示位动力应变幅的函数在实际工程中应用方便也是用有效应力动力分析法分析问题的关键目前国内外学者已提出了多种孔压的发展模型应变模型能量模型应力模型的共同特点是将孔压和施加的应力联系起来Seed 根据饱和砂土的动力三轴试验资料１．隙水压力的应力模型Seed [10]等根据饱和砂土试样在各向等压力固结后在不排水条件下进行周期加荷的三轴试验结果θπσ21'0)arcsin(2l gN N u = 1砂土的抗液化能力与初始静应力状态有很大的关系这里'0σ为垂直有效应力试验表明初始剪应力愈大则液化愈困难且在相同的lN N /下不同的α具有不同的'/σg u 设0=α时孔隙水压力比0'0)/(=ασg u 1即θπασ21'0)arcsin(2)1(l gN N m u −= 3µÃµ½dtdN N N N N N m dtdu l ll g 1211'0)()(1)1(−⋅⋅−=θθθπασ41式中θ为决定于土的类型和试验条件的经验系数7.0=θ的值可以代表许多的土N 为累计震动周数如果该式中0=α¶ø¿×ѹµÄÓ¦±äÄ£ÐÍÊǽ«¿×ѹºÍijÖÖÓ¦±ä½áºÏÆðÀ´Ä¿Ç°ºÜ¶àѧÕßÖ÷ÕŲÉÓüôÓ¦±ä[10]ËüÊǸù¾ÝÅÅË®ºÍ²»ÅÅË®Ñ-»·¼ôÇÐÊÔÑé½á¹û½¨Á¢ÆðÀ´µÄ２．孔隙水压力的应变模型Martin [11]等根据饱和砂土在不排水条件下孔隙水压力的增量与排水条件下的体积应变的增量之间的关系受周期剪切一周时所引起的孔隙水压力增量为１其中 ()()m n v m vrmk E −−='1'σσ71式中'0v σ为初始有效应力vd ε∆为周期剪切一周所引起的体积应变4321c c c c ¿×ѹµÄÄÚʱģÐÍÊÇFinn 等人1980年提出的将孔压和某一个单调增长的内时参数联系起来这种方法的特点是可以将一组由周期加荷试验得到的孔隙水压力比'v g u σ与加荷周期N 关系曲线转换成为一条单元的曲线k 是包含剪应变幅值和加荷周期数的变量内时理论把土作为非线性弹塑性材料而土粒的重新排列由应变路径长度来确定类似于粘塑性理论中的时间内时是内时理论的基本参数相当于N 周剪切时的剪应变孔隙水压力可表示为１取ξT k =１则孔隙水压力比可表示为k 的函数则从以上两式可以得到１于是 12()21/e λγγξξ−=121将'v g u σ和k 值绘于坐标土上)1ln('Bk BAu vg +=σ14A¿×ѹµÄÓ¦Á¦Â·¾¶Ä£ÐÍÊÇÓÉIshihara [13]等人(1975)在大量饱和砂土静三轴试验基础上提出的并假设残余孔压只是由屈服应变引起孔压的能量模型是将孔压和动力荷载作用过程中消耗的能量结合起来认为孔压增量直接与场地振动耗损的能量成正比虽然具有一定的理论价值由于土体性质的变异性很大仍建议采用动力三轴试验确定土的动力特性1.2.3土体地震反应计算方法关于土层地震反应分析目前主要有3种方法剪切层法１．集中质量法体系受到水平地震的动力()g u t &&的作用土柱由多层土组成)来研究将各分层的质量按节点集中(取节点上下两分层质量一半之和)ÐγɶàÖʵãϵ½ÚµãµÄÏà¶ÔλÒƼ´[][][][][][]121212,,...,,,,...,,,...,T TTn n n u u u u u u u u u u u u ===&&&&&&&&&&&&1对于土层运动基本方程的解法因此可采用线性加速度法求解速度实际上故不能反应含水土体真实的孔压变化同样不能合理的考虑实际应力条件及土的非线性等多种影响因素是将土体视为由一系列无限薄层组成它承受地震引起的水平剪切振动剪切层法应用于地基的地震反应分析时求解时可用频域法和特征线法考虑土质受个各种条件影响(1).地面都近似水平无限延伸(2).地震效应简化为剪切波竖直向上传播故反射波全部吸收上部土层的特性对入射波无影响(5).水平方向的土性是均匀的各土层的剪切模量和阻尼是剪应变的函数计算土层对不同频率的简谐运动的传递函数具体求解方法是即傅氏谱(3).将传递谱与入射波傅氏谱相乘剪切梁法的主要优点是计算比较简单无法精确考虑边界变化３．有限元法土体动力分析的有限元法和静力的方法一样分割成有限个节点的单元各个单元的质量平均分配在该单元的节点上然后分别求出各个单元节点的力和位移的关系最后根据各单元节点的力的平衡条件求出所有节点的力与位移的关系不过振动荷载和时间有关应变和应力都是时间的函数除静力作用外还需考虑动荷载以及惯性力和阻尼力的作用通常是在空间上将土体离散成等参单元在引入这些量的影响后然后采用适当的动力计算方法进行求解而且还是有效应力分析方法的基础土的非线性和非匀质性以及土中孔隙水等因素的影响因而有限单元法的应用越来越广泛得到的动力方程为１[][][]M C K分别为总质量矩阵{}()R t是节点荷载向量也可利用总刚度矩阵具有的对称性稀疏性的特点1.3本文主要的研究内容及研究步骤１．研究内容本文将在平面二维动力有限元及土体动力有效应力反应计算理论的基础上建立土体地震反应计算模型计算存在可液化层场地在输入波为天然地震波爆破波作用下地表加速度时程运用适当方法求解加速度反应谱液化层厚度地震波峰值在分析结果的基础上总结并提出液化区抗震设防措施建议２．研究步骤(1).采用有限元方法计算土层地震反应土的动应力(2).建立土体地震反应有限元计算模型(3).现场采集爆破地震波(4).建立场地计算模型天然运用计算程序计算场地地表加速度时程曲线(5).分析液化层埋深输入波的不同并与实际震害资料相对比(7).应用反应谱理论建立爆破地震危害评价方法并将其应用到实际工程第二章土体地震反应计算理论及程序土体地震反应分析的主要任务是确定土体承受地震荷载作用时任一时刻的反应值速度运用线性加速度直接积分方法计算加速度反应谱2.1 土体地震反应有效应力分析法在岩土工程总应力动力分析法中其剪切模量G和阻尼比λ只取决于震前的静力有效应力有效应力动力分析法与一般总应力动力分析法的不同之处就是该法在分析中考虑了振动孔隙水压力变化过程对土体动力特性λ由于本文研究对象为液化土层2.1.1 土体的本构模型迄今为止本节概要介绍论文中所采用的土的静力模型张模型和动力本构模型1.邓肯根据康德纳[20]的建议即在3σ不变时2则双曲线变为直线所示的值进而得到切线模量的表达式23313sin 2cos 2))(sin 1(1[(ϕσϕσσϕσ+−−−⋅=C R P P K E f na a t2a P 为大气压力KÓÉi E 与3σ的关系求得数值小于1ϕ为土的凝聚力和内摩擦角切线泊松比也要根据试验资料确定Kulhawy¼ÙÉèÖáÏòÓ¦±äa ε与侧向应变r ε之间也是双曲线关系２式中D 为假设的轴向应变a ε渐进值的倒数２ 其中]sin 2cos 2))(sin 1(1[)()(331331ϕσϕσσϕσσσ+−−−⋅−=C R P P K DA f na a5ÕÅÄ£Ð͹²ÓÐ8个参数ϕ2.等效线性模型等效线性模型把土视为粘弹性体非线性与滞后性同时在确定上述关系时考虑了静力固结平均主应力的影响其持续时间短在每个微小时间段中土的动应力应变关系可看成线性的Hardin-Drnevich 模型在地震时剪应变水准对土的剪切模量和阻尼比有相当大的影响土的剪切模量就减小由于液化前后土的性状完全不一样应变采用不同的本构模型计算结果更为准确(1).液化前土的应力应变关系Hardin-Drnevich [22]在1972年根据试验资料提出了适合各种土类的剪应力随剪应变变化的一般表达式图22其中 r G γτ/max max = 7r γ为参考剪应变当剪应变为零时２式中OCR 为超固结比2kN/m a 为与塑性指数有关的参数最大剪应力可由下式表示2/12'02'0max })21()cos sin 21{(v v K C K σϕϕστ−+++= 90K 为静止土压力系数C(2).液化后土的应力过去曾有一种极端的看法认为一旦某一深度砂层达到液化就不再继续进行动力反应分析,但从1964年日本新泻与1995年日本阪神两次地震中记录表明[23]Òò´ËÈçºÎÈ·¶¨Òº»¯ºóÍÁµÄÓ¦Á¦Ó¦±ä¹ØϵÊÇÏÔÈ»±äµÃÓÈÆäÖØÒª²¢È¡µÃ´óÁ¿µÄ³É¹û[24][25]Ò»ÊǸմﵽҺ»¯×´Ì¬Ê±µÄ¼ôÓ¦±äΪ2二是相应的剪切模量值liqG max0125.0G G liq=10粉土２本文在计算地面加速度过程中选用１０这样就可以得到完整的地面加速度时程简介如下得到孔隙水压力的表达式为２国内外的许多研究证明最重要的是与初始应力比'00/στα=有关0τ为初始水平剪应力α值愈大反之愈容易徐志英等改进了孔隙水压力的计算公式则对于0≠α孔隙水压力采用下式计算)1()/(/0'0'0ασσαm u u g g −==132将上式对时间t 求导dtdN N N N N N m dt du l ll g 1211'0)()(1)1(−−⋅⋅−=θθθπασ15N N N N N N m u lll g ∆−⋅⋅−=∆−1211'0)()(1)1(θθθπασ16g u ∆为t ∆时间内由于地震震动而产生的孔隙水压力Seed 认为N ∆为t ∆时间内的震动周数m 是决定于孔隙水压力比随着α而递减的递减系数则就得到无初始剪应力的计算公式在有效应力动力分析中动剪模量G 与阻尼比λ随动剪应变γ的变化而变化[27]式７２ 由于真实土体的应力应变关系与式８因此对上式作出修正２式中２ba ÆäÖµ¿Éͨ¹ýÊÔÑéÇóµÃ2来确定各种不同应变水准时土的剪切模量19722作为进行阻尼比修正的公式max D 为最大阻尼比合并式１７2得max /(/)(1/)r r D λγγγγ=+21211b a ÆäÖµ¿Éͨ¹ýÊÔÑéÇóµÃ°Ñʽ222同样用上式可以得到各种不同应变水准下土的阻尼比2.1.4 土体抗剪强度的确定本文考虑到液化过程中孔隙水压力对砂土抗剪强度的影响应力状态以有效应力表示土的抗剪强度[29]2式中'c 为有效粘聚力在每个时间段内因而抗剪强度也随着降低需先对土体离散化矩形选好坐标计算各结点的坐标和各单元的面积对每个单元体用有限个参数描述它的力学特性由此建立各种物理量的平衡关系但是由于动力问题中作用在弹性体上的干扰荷载与时间t 有关应变和应力都是时间的函数除静作用力之外引入这些力的影响之后最后同样归结为求解线性代数方程组它已广泛地应用于许多部门[30]Ó¦±äÓÐÏÞµ¥Ôª·¨Í¬ÑùÕ¼¾Ý×ÅÖØÒªµÄµØλ1.限元分析过程有限元分析过程[31]简述如下一些假想的线或面进行切割这些单元体被认为仅仅在单元的一些指定点处相互连接这一步的实质也就是用单元的集合体来代替原来待分析的结构该位移称为单元的位移模式或位移函数e d N d =25N 为形函数矩阵(3).单元特性分析利用应变和位移之间的关系即几何方程即建立如下的矩阵方程２B 为变形矩阵(也可称为应变矩阵)ÀûÓÃÓ¦Á¦ºÍÓ¦±äÖ®¼ä¹Øϵ¼´ÎïÀí·½³ÌeD B s d = 27D ΪÓɵ¥Ôª²ÄÁϵ¯ÐÔ³£ÊýËùÈ·¶¨µÄµ¯ÐÔ¾ØÕóe e e e e k F F d =+28e F 为单元结点力矩阵作用于单元结点上的单元等效荷载矩阵ee T k B D B d W=W ò29¶ÔƽÃæÎÊÌâÊǵ¥ÔªµÄÃæ»ý(4).按离散情况集成所有单元的特性dE K P P P D =+= 30K ΪÕûÌå¸Õ¶È¾ØÕóD 为结构整体结点位移矩阵由５在平面四结点等参单元中[32][]1234B B B B B =31112210(det )0i i i i i B B J B B B −=3222()()i i r r i r r rrN NN N B x x ηεεη∂∂∂∂=−+∂∂∂∂∑∑34352对于平面应力问题21111002E D ννν= −−对称37»»³É2.2.2 建立动力平衡方程利用动力问题的变分原理为哈密顿(Hamilton)原理[33]2导出结构的动力平衡方程２式中［Ｍ］质量矩阵和阻尼矩阵}{δ&⊄∧∂∪ℑ∠∏⌠≡⊆…©⊄∧∂∪ℑ∠∏⌠⊄ ℘∩©⊇±…™t 相关其动力平衡方程可写为２式中2.2.3 形成质量矩阵阻尼矩阵1.质量矩阵土体有限元网格划分完成后将土单元质量集中分配给各个结点得到对角线方阵即为集中质量矩阵２其中,B D 的形成方法参见本章第二节故D 为平面应变模式单元阻尼矩阵可由下式确定[30]e e eK M C ][][][βα+=42eM ][²ÎÊýαÓëβÓɵ¥Ôª×èÄá±ÈλÒÔ¼°¶¯Á¦ÌåϵµÄ»ùƵ0ω确定２由单元阻尼矩阵形成整体阻尼矩阵可采用同合成整体刚度矩阵相同的方法4.基频ω的计算当动力体系的刚度矩阵[K]以及质量矩阵[M]为已知2确定２式中由于[K]与[M]都是n 阶方阵2是2ω的n 次代数方程基频0ω是其中最小的自振频率2是广义特征值问题的表达式应将式４４为此令=n m m m M 00][2121Λ=−n m m mM 10101][2121Λ以及令｝｛］［｝｛21δM y =则式４４}{}]{[y y A −−=λ452就是典型特征值问题的表达式这是因为２由此可知设实数对称矩阵][−A 的特征值满足下述关系２取初始向量Tn z z z z ],,,[002010Λ=−2现以−y 表示按下式定义的向量−y 的模=−∞−i y y)(max492其中i p z )(−表示向量−p z 的分量即∞−+−+−−⋅≈111)()(p ip i p n y z z λ51为了加速收敛即２此时误差不超过−−−p n n 210λλ2.2.4 求解运动方程求解动力平衡微分方程对于多自由度体系常用的方法有Wilsonβ法等θ法θ法Wilson¼´³ýÁËÔÚt 到t t ∆+时间区间中假设加速度是线性变化之外还外延到tt ∆+θ时刻加速度是线性变化(1).根据已知t 以及t t ∆+时刻的地震加速度列阵t g U }{&&与tt g U ∆+}{&&然后由下式计算式５３２式中(2).根据t 时刻的t}{δ计算τ时刻的τ}{A 与τ}{Bt t t tt A }{2}6}{)(6}{2δδθδθτ&&&+∆+∆=542(3).将式４９2代入式５３２由式５７２（４）．将式５６2代入式５８２（５）．利用式５４2求出τ时刻的加速度τττδθδ}{}{)(6}{2A t −∆=&& 592(7).将式５９2与式５６可分别求出t t ∆+时刻的速度t t ∆+}{δ&以及位移tt ∆+}{δ2)}{}{2(6}{}{}{2t t t t tt t t t ∆+∆++∆+∆+=δδδδδ&&&&& 62¼ÆËãÖвÉÓÃÁË4.1=θÒªÏÈÅжÏËù·ÖÎöÎÊÌâÊÇ·ñÐèÒª½øÐж¯Á¦·ÖÎöºÍÔÚ¶¯Á¦×÷Óùý³ÌÖеĿ×ѹÊÇ·ñÓÐÀ©É¢ºÍÏûÉ¢¿É°´²»ÅÅË®ÓÐЧӦÁ¦¶¯Á¦·ÖÎö[30][35]ˮѹÁ¦ÉÏÉýËùÒÔÐ轫Õû¸ö¼ÆËã¹ý³Ì·Öʱ¶Î½øÐмÆËã¼ÆËã¸Ãʱ¶ÎµÄÕñ¶¯¿×϶ˮѹÁ¦ÔöÁ¿°´±¾¹¹¹Øϵ¼ÆËãеĶ¯¼ôÇÐ模量和阻尼系数如此循环亦即根据土的有效应力和有效应变修正单元刚度矩阵和阻尼矩阵在每一时段内采用本文第二节说明的方法求解动力方程根据计算结果修正刚度及阻尼矩阵计算出该时段的位移增量及孔压增量(1).静力计算对节点施加约束运用静力有限元法求出每一单元的有效静应力及初始孔压先将整个动力作用过程划分为若干时段为了考虑土的非线性求出410γ−=时相对应的1i G −与1i λ−®™⊄ ℘∩⋅∈♠∂↓ℑƒ…∅⊄©∝⊗≥⌡√∝…∅⊄©≥ ÷℘⊇±∂∈∝⊗…©ƒ±™⊇±≥⊂∉⇓然后计算出新的,i iG λ™∫∏®®≈⊇±∂∈∝⊗∝ ×〈⊇√±√ℑ× ∝∝×↔∂∪∈♠√≠其中max τ为该时段的最大剪应力根据常规液化试验曲线或者经验公式２（５）．计算这一时段的等效周数N ∆Ò²¿ÉÓÃMartin [10]等最新的方法从表 2.1中查处震动全过程中平均每秒的等效周数'N ∆(周数/秒)¼´µÃµ½¸Ãʱ¶ÎµÄµÈЧÖÜÊýÀýÈç即ii N N N N ∆+∆+∆=Κ21表2.1[10]确定对应于'max 65.0τ的等效周数eq N 和N ∆的标准地震震级eqN 强震历时N∆5.5本文在计算中根据震级和历时通过计算时间间隔1−−=∆i i i t t T 内的地震波能量与整个持续时间d T 内的地震波能量之比２再按下式计算N∆2式６４将总的等效震动次数eq N 按权系数的大小分配到各时段内求出g p ∆后(7).计算此时段的平均有效应力''001i i p σσ=−∪≈≡⌠⊕∠∂∉×⊄⊇±•〉©∠∝∞™♠•′⊃ ®≡≈↓ (8).对尚没液化的单元1i λ−©⊃©∨©∠©ƒℑƒ⋅♠®∅(10).对下一时段重复(2)~ (8) (11).输出地表结点加速度时程2.3.2 程序框图本文根据以上理论分析命名为NDFEPS-2D²¢µ÷ÊԳɹ¦3NYδ图2NDFEPS-2D 采用平面四结点等参数单元对计算土体剖面进行网格划分应用平面应变力学原理计算场地在地震荷载作用下的动力反应由于假设场地在空间上无限大在左上三边完全自由以静力计算的结果即土单元初始应力剪切模量为输入数据无须将地震波折合为一定振动次数的正弦波在每一时段内计算土单元的应力位移等运用孔压的力学发展模型计算每一时段的孔压增量及自开始至该时段结束的总的孔压大小阻尼比等参数进行迭代计算直至精度满足要求采用逐步积分法求解动力方程NDFEPS-2D中二维单元的采用更使得其较为准确的模拟土体在地震荷载作用下的真实反应采用平面应变力学原理计算出的结果误差能在接受的范围之内故可以计算土体单元两个方向的应力位移竖直两个方向的加速度时程并做出液化与否的判断能算得地震波荷载作用过程中完整的地面加速度时程且拥有各类可液化土的实验参数较现有的模型有了较大的改进命名为NDFEPS-2D该程序的特点及功能如下相对以前的一维土动力反应计算程序和真实土体的地震反应较为接近计算过程可以人为划分为很多微段在每一微段中进行Gτ)的修正这样能较准确的反应土的动力本构关土体动力作用下特性(,系实时监控单元孔压的变化对液化后的单元进行相应处理4¹Ê¿ÉÒÔ¼ÆËãÍÁÌåµ¥ÔªÁ½¸ö·½ÏòµÄÓ¦Á¦½áµãˮƽ第三章地震波作用下土体地震反应计算实例以往震害现象表明场地是否含液化层对建筑在其上的建筑物有很大的影响液化段地面运动时程在形状孔压比达到0.6~0.7时就开始对地面运动产生影响长周期成份放大输入地震波的特征对液化时刻或液化开始起作用的时刻有很大影响为了验证所提出的程序的可行性和合理性并与以往研究成果进行对比分析对两块场地[37]进行地震波作用下得动力分析反应谱3.1 场地模型及土层参数两个场地的剖面及其有限元网格划分见下图１全粘土场地剖面及网格划分3¿í45米沙层上下均为粘土层宽45米3/KN m o Kp×èÄá±È²ÎÊý孔隙水压力参数θ模量系数K模量指数45.0=n因地基处于K 固结状态0.412θ积分常数θ3.2建立动力有限元计算模型计算假定为平面应变由于实际场地面积较大底边在竖向和横向完全固定对表层和砂土层进行网格加密处理3.3输入地震波荷载输入地震波以加速度时程的形式输入到最底下层结点输入ELN= Centro波假定等效振动次数为15eqÿ¸öʱ¶ÎΪ1秒时间步长为0.02秒波形如下图所示３ ＥＬ Ｃｅｎｔｒｏ波加速度时程曲线3.4 初始静力计算初始静力计算采用邓肯具体的计算方法详见第二章相关内容初始剪应变作为动力计算的输入数据采用NDFEPS-2D程序对以上两剖面进行二维有效应力土体液化及地面加速度时程计算图35 含液化层剖面结点1加速度时程3.6 地面加速度反应谱计算3.6.1线性加速度直接积分法采用线性加速度直接积分法[38]将加速度时程合成加速度反应谱位移反应谱22x h x x yωω++=−&&&&&1y&&为地面加速度速度响应ω为结构的固有频率假设时刻t的地面加速度为t y&&同样的运动速度与位移分别为t ty +V &利用函数的泰勒展开式由于()0()()()!k t t f t t f t k ∞=+=∑V V2t t y +V &的泰勒展开式为３在t V 的时间间隔内则t t tk y y y t+−=V &&&&&&&V4于是式３３或22()1()2211()()()36t t t t t t t tt t t t tt y y y t y y y t y t y t y ++++=++=+++V V V V V &&&&&&V &&&&&V V V6½ÓמÍÄܾö¶¨Ê±¿Ìt t +V µÄ״̬һµ©¸ø¶¨µØÃæ¼ÓËÙ¶Èʱ³Ì°´Ê½6µØÃæËÙ¶ÈÓëλÒƵijõʼֵΪ0021()02t t t t y y ty y t ======≈&&&V &&V73ËÙ¶Èʱ³Ì3.6.2反应谱值的计算1.加速度反应谱曲线图利用上述方法求得的结点1 的加速度反应谱图如下００．５１１．５２２．５３３．５４４．５５０１２３４５６７图37 含液化层场地结点1加速度反应谱对比以上两图平台值加速度峰值在含液化层场地中较全粘土场地略有增大而在短周期部分较全粘土层有略微减小全粘土中反应谱值衰减要比含液化层谱值快的多表3.2 加速度谱值对比表3.2注2.只加粗值为相同周期对应的不同土层反应谱值含液化层场地加速度反应谱最大值对应的周期要比全粘土的大综合对图36及表3.2的分析可知运用NDFEPS-2D程序计算液化后的土层对高频短周期地震动有压制作用这一点同现有的认识[39][40][41][42]是一致并运用线性加速度直接积分法求得响应的反应谱12第四章爆破地震信号的现场采集本章采用IDTS3850系统对泉州经济技术开发区总部广场第一期开挖爆破工程进行了现场测试同时应用与IDTS3850系统的配套软件IDTS3850Seismograph对信号进行了分析以作为本文中的输入地震波进行土层动力计算及液化层对反应谱的影响分析德泰路边上根据现场初步勘查情况表明南北长约144米相对开挖深度最低部分约4×î¸ßÔ¼60米３万立方米4.1.2地质环境情况山体表面有一薄土层其余大部份为微灰白色和浅肉红色岩石坚硬以上山体东面紧邻德泰路距东面建联大厦和华嘉大厦52.7米距中意石业厂区办公楼和在建工地约22米南面较为开阔总体爆破环境极为复杂５层框架１爆破环境及测点布置示意图为测点位置4.1.3爆破参数爆破参数见下表表4.1 爆破参数一览表4.1.4爆破方案综合考虑本工程各施工环节根据现场调研情况分析才能确保工程安全按以下步骤进行爆破(2).开挖深度3(3).开挖深度6米以上的岩石有关条件时可采用中深孔爆破方法(5).总体采用台阶开挖方式爆区南面开阔从南到北进行台阶式开挖一方面有利于挖运才能满足工期质量要求大量的测试资料和工程实践表明[43][44]¼ÓËٶȺͱ¬ÆƵØÕð²úÉúµÄ¹ßÐÔÁ¦ÏàÁªÏµ±ãÓÚ[45][46][47]»»Ë㱬ÆƵØÕðºÉÔؼ°½øÐн¨ÖþÎïµÄÓ¦Á¦·ÖÎöÊÇÕÆÎÕµØÕ𲨶ԽṹµÄ¶¯Ì¬Ó°ÏìµÄÒ»¸öÇ°Ìá½ø¶øÄܶԲâÊÔËùµÃËÙ¶ÈÐźŽøÐаüÀ¨Ëٶȴ«²¥¹æÂÉËٶȸµÁ¢Ò¶±ä»»ÒÔ¿ØÖÆ°²È«±¬ÆƵÄÒ©Á¿²¢ÇÒ²ÉÓöÔËٶȽøÐÐÒ»½×΢·ÖºóËùµÃ¼ÓËÙ¶È×÷Ϊ±¾ÎĺóÃæÕ½ڵĵØÕðºÉÔؼÆËãÍÁÌåµÄ¶¯Á¦·´Ó¦。
岩土工程中的土体液化分析方法
岩土工程中的土体液化分析方法引言：岩土工程是研究地下工程和地表工程中的土石材料的力学性质和工程行为的学科。
其中，土体液化是岩土工程中一个重要的问题，涉及到地震工程、港口工程、堤坝工程等各个领域。
本文将介绍一些常用的土体液化分析方法。
1. 液化现象及影响因素液化是指在土体受到地震或其他外界荷载刺激时，土体失去固结性质并表现出像液体一样流动的现象。
液化会对地下工程产生巨大的破坏性，因此了解土体液化的分析方法至关重要。
影响土体液化的主要因素包括土体的物理性质（如颗粒大小、粒度分布、形状等）、土体的力学性质（如剪切模量、压缩模量等）、地震力的强度和频率特性等。
2. 常用液化分析方法2.1. 常规试验方法常规试验方法是指通过室内试验设备对土体材料进行工程力学性质的试验研究。
常用的常规试验方法有颗粒分析试验、液限试验、塑限试验、抗剪试验等。
颗粒分析试验可以确定土体的颗粒大小、颗粒分布和含水量等重要参数。
液限试验可以确定土体的液态指标，从而了解土体的液态特性。
塑限试验可以评估土体的可塑性，即在荷载作用下发生塑性变形的能力。
抗剪试验可以测定土体的剪切强度参数，为土体液化分析提供基础数据。
2.2. 土体液化潜势分析方法土体液化潜势分析方法主要用于评估土体在地震作用下可能发生液化的潜在风险。
常用的土体液化潜势分析方法有地震地质调查、地震地质应力比分析和CPT 触探法。
地震地质调查通过对地震烈度、地下水位、地震历史等因素的调查，评估土体液化的潜在性。
地震地质应力比分析通过比较土体剪切强度和地震荷载所产生的切应力，判断土体液化的潜在性。
CPT触探法通过对土体的静力触探来评估土体的液化潜势。
2.3. 数值模拟方法数值模拟方法是一种基于数学方程和计算机算法的土体液化分析方法。
常用的数值模拟方法有有限元法和离散元法。
有限元法通过将土体划分成多个小单元，利用数学方程和边界条件计算出土体的应力、应变和位移等工程参数，从而分析土体的液化潜势和变形行为。
土方工程中土壤液化风险评估方法
土方工程中土壤液化风险评估方法土方工程是指为了建设道路、铁路、水利工程等而进行的土壤开挖和填筑的工程。
在土方工程中，土壤的液化是一个不可忽视的风险，因为液化会导致土体失去了承载能力，对工程的稳定性和安全性造成严重威胁。
因此，土壤液化风险评估方法的研究和应用对于土方工程的设计和施工具有重要意义。
土壤液化是指土体在地震或其他外力作用下，由于孔隙水压的增大或有效应力的降低，导致土体失去了稳定性，以液态的形式流动或变形的现象。
液化会导致土体的承载力和剪切强度急剧下降，从而引发土体沉降、沉降差异、地震液化流失和工程结构破坏等严重后果。
因此，土壤液化风险评估方法的研究和应用对于土方工程的设计和施工非常重要。
土壤液化风险评估是指通过系统地分析和评价土地液化的可能性和影响程度，确定土壤液化风险的方法。
目前，常用的土壤液化风险评估方法主要包括基于现场测试数据的经验方法和基于地震动参数的理论计算方法。
经验方法是通过收集和分析现场土壤样本的物理性质和地震作用下的液化现象的数据，借助经验公式和统计关系，来评估土壤液化风险。
这种方法的优点是实际操作简单、成本较低，适用于小型工程和数据不充分的情况。
然而，由于经验方法基于经验公式和统计关系，其可靠性和准确性存在一定的局限性，不适用于复杂工程和大型工程的风险评估。
理论计算方法是基于土壤动力学和地震工程的理论，通过分析土体的动力特性和地震动参数，来评估土壤液化风险。
这种方法主要包括有限元方法、地震反应分析和动力特性测试等。
理论计算方法的优点是可以考虑土壤和地震动的复杂性，提供了较准确的液化风险评估结果。
然而，理论计算方法需要大量的土壤和地震动参数，以及复杂的计算模型和算法，对于数据要求较高，且计算过程较为复杂。
因此，理论计算方法主要适用于大型工程和重要工程的风险评估。
综上所述，土壤液化风险评估是土方工程中必不可少的环节。
准确地评估土壤液化风险，可以为土方工程的设计和施工提供科学依据，降低工程失效的风险。
土壤液化风险评估方法在工程中的应用
土壤液化风险评估方法在工程中的应用土壤液化是指土壤由于遭受地震或其他外力作用，使其含水量增加，土壤颗粒间的接触力减小，土壤变得失去原有的结构稳定性，呈现液态流动的特性。
这种现象在地震频繁的地区尤为常见，给工程建设带来了巨大的风险。
因此，在工程中对土壤的液化风险进行评估和预测是至关重要的一项工作。
土壤液化风险评估方法的应用可以从地质调查开始。
地质勘察是工程前期准备的主要内容，通过对地下土体的层位、组成、结构和性质等进行详细的调查和研究，可以了解地下土壤的液化潜力，从而为后续工程设计提供依据。
在地质勘察中，可以采用钻孔取样的方法获取土壤样本，通过实验室试验分析土壤的物理力学性质和液化特性，进一步确定土壤液化的风险程度。
另外，地震力分析也是评估土壤液化风险的重要方法之一。
在工程设计中，地震力是一个必须要考虑的关键因素。
通过对地震波传播和地面运动特点的分析，可以确定地震作用下土壤液化的可能性。
通过数值模拟和数学建模，结合实测数据，可以对土壤的液化风险进行定量评估和预测。
此外，现场监测和观测也是评估土壤液化风险的重要手段。
在工程施工过程中，可以采用监测仪器对土壤的位移和应力变化进行实时监测。
通过对监测数据的分析和处理，可以了解土壤的变形情况和变化趋势，及时发现土壤液化的危险性，并采取相应的措施来减轻风险。
在实际工程中，土壤液化风险评估方法的应用可以帮助设计师选择合适的地基处理措施。
对于已经液化地区的工程，可以采取加固措施，增加土壤的抗液化能力。
常见的处理方法包括密实法、振动法、土体固化法等。
通过合理选择处理方法和施工参数，可以有效降低土壤液化的风险。
值得注意的是，土壤液化风险评估方法的应用需要结合实际工程情况进行综合分析和判断。
不同地区的土质特点和地震条件不同，因此评估方法的适用性也会有所差异。
工程设计师需要根据具体情况选择合适的方法，并进行合理的技术调整和优化。
综上所述，土壤液化风险评估方法在工程中的应用具有重要的意义。
地震引发的土壤液化与风险评估
地震引发的土壤液化与风险评估地震是一种自然灾害，经常给我们的生活带来巨大的破坏。
除了破坏造成的直接损失，地震往往还会引发土壤液化现象，增加了地震风险。
土壤液化是指在地震发生地区，由于地下水位上升或者土壤颗粒间的摩擦力减小等原因，土壤失去稳定性，并呈现液态状态的现象。
本文将从土壤液化的形成机制、风险评估的方法以及减轻土壤液化风险的措施等方面进行论述。
首先，我们来了解土壤液化的形成机制。
当地震发生时，地下水位上升并进入土壤孔隙，与土壤颗粒间的摩擦力相互作用，进一步减小土壤的稳定性。
此外，地震震动也会导致土壤颗粒重积聚，减少土壤的孔隙空间，从而使得土壤变得更为密实。
在这种情况下，土壤的重力和上方建筑物的压力会迫使地下水和土壤颗粒形成类似“土壤瀑布”般的现象，从而引发土壤液化。
针对土壤液化的风险评估是预测和评估发生液化现象的可能性和潜在损害的重要手段。
一种常用的评估方法是地震加速度法，即通过测量地震时的加速度并结合土壤的力学性质来预测液化风险。
由于不同地区土壤的性质和地震条件各异，我们可以采取不同的方法来评估土壤液化风险。
例如，可以根据地面加速度与土壤承载力之间的关系，通过现场调查和实验室测试，计算地震条件下土壤的稳定性。
此外，还可以结合地质条件、地下水位和建筑物质量等因素，综合评估土壤液化的风险程度。
为了减轻土壤液化带来的风险，我们可以采取一系列的措施来增强土壤的稳定性。
首先，可以通过改变土壤的物理性质来减轻液化风险。
例如，可以采用土壤加固技术，如振动加固和加床加固等，提高土壤的抗震性能。
其次，可以通过控制地下水位和排水系统来减少地震时土壤中水分的积聚，从而降低土壤液化的可能性。
此外，对于建筑物来说，也可以采取一些措施来减少液化风险。
例如，在建筑物的基础设计中考虑土壤液化的影响，并采用适当的工程手段来增强结构的抗震能力。
总之，地震引发的土壤液化是一种常见且危险的现象，对周围环境和建筑物造成巨大的破坏。
液化判别计算依据
液化判别计算依据1 适用范围依据交互的岩土性质参数、标贯击数，进行地基的液化判别。
2 依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）3 判别方法液化判别分为两步：初判及详细判别。
初判可排除不会发生液化的土层。
对初判可能发生液化的土层，应进行详判。
3.1 总则1. 岩土类名为粉土、砂土时，均进行液化判别；2. 亚砂土按粉土处理；3. 地质时代交互为空的粉土，砂土，按最不利原则处理，初判认为该土层为可液化土层；4. 对于初判为可能液化的粉土，若未交互粘粒含量值，则不进行详判，结论输出认为其为“可能液化”；5. 未做标贯的孔，不做液化指数计算。
3.2 初判1. 地震烈度为6度时，不判别液化；地震烈度为7、8、9度时，判别液化。
2. 饱和砂土或粉土，当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或不考虑液化影响。
1）地震烈度为7、8度时，地质时代为第四纪晚更新世（Q 3）及其以前时，判为不液化土；可液化的时代为Q 4、Q 41、Q 42或未标时代；地震烈度为9度时，不管地层年代是什么，都要进行液化判断；2）粉土的粘粒（粒径小于0.005mm 的颗粒）含量百分率，7度、8度和9度分别不小于10、13和16时，判为不液化土；3）天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响：20-+>b u d d d （3.2-1）30-+>b w d d d （3.2-2） 5.425.10-+>+b w u d d d d （3.2-3）式中：d u —— 上覆非液化土层厚度（m ），计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除； d 0 —— 液化土特征深度（m ），可按表3.2-1采用；d b —— 基础埋置深度（m ），不超过2m 时应采用2m ； d w —— 地下水位深度（m ），宜按建筑使用期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用；当地下水位高于地面时，按地下水位深度为0考虑。
水利工程：地基发生震动液化的可能性评价
水利工程：地基发生震动液化的可能性评价土在静力或动力作用下由固体状态转化为液体状态，并产生了工程上不能容许的变形量时称为液化破坏。
地基发生震动液化的可能性，根据砂土的级配、天然状态、砂层的埋深和封闭条件、地下水位和建筑物区地震烈度，结合试验资料进行分析判断一般细砂、极细砂、粉砂、砂壤土和粉质砂壤土（平均粒径d50小于2mm、粘粒含量小于15%～20%、不均匀系数小于10）。
采用深层水泥搅拌桩加固的河道堤防，如地基为软土或淤泥质土，且未进行封闭，当进行河道清挖，或在堤顶重型设备的震动作用下，软弱地基亦可能产生液化破坏。
液化土层震陷计算及分析
液化土层震陷计算及分析《摘要》：液化土层在地震下液化，土层液化导致震陷，本文通过某医院建设项目筏板基础下轻微液化震陷的计算，分析局部液化土层对建筑物不均匀震陷的影响。
文中计算出局部范围局部厚度的轻微液化震陷的影响，对相类似的建筑提供参考。
关键词：轻微液化、浅基础下不均匀震陷、震陷计算0、引言《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）表4.3.6条抗液化措施中，轻微液化等级下对应建筑抗震设防类别为丙类的措施为“基础和上部结构处理，亦可不采取措施”；对应建筑抗震设防类别为乙类的措施为“部分消除液化沉陷，或对基础和上部结构处理”。
该两条对轻微液化的抗液化措施提出对基础和上部处理的方法，可不采取消除液化沉陷的处理意见。
该条文条文解释中提出：89规范中不允许液化地基作持力层的规定有些偏严，改为不宜将未加处理的液化土层作为天然地基的持力层。
因为：理论分析与振动台试验均已证明液化的主要危险来自基础外侧，液化持力层范围内位于基础直下方的部位其实最难液化，由于最先液化区域对基础直下方未液化部分的影响，使之失去侧边土压力支持。
在外侧易液化区的影响得到控制的情况下，轻微液化的土层是可以作为基础持力层的。
同时，在该条文条文解释中：液化的危害主要来自震陷，特别是不均匀震陷。
并给出沙土和粉土的计算公式估算液化土层的平均震陷量。
本文对某医院建设项目的震陷量计算，得出不均匀震陷量的影响。
1、某医院建设项目的概况图一拟建“某医院建设项目”为新建项目，位于该医院地域内，有水泥路通达，交通条件良好。
设计±0.000标高为1322.90m。
建筑物布置为图一。
本工程由一栋单体（住院综合楼）组成。
住院综合楼地上6层，总建筑面积16389.00平方米，地下1层，地上建筑面积14024.00平方米，地下建筑面积2365.00平方米，建筑占地面积2354.00平方米，建筑高度23.95米。
结构形式为框架结构，依据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）的相关规定，本工程住院综合楼为重点设防类（乙类）建筑，设防烈度为8度0.2g第三组，框架抗震等级为一级。
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2003年3月水 利 学 报SH UI LI X UE BAO第3期收稿日期:2001212224基金项目:教育部博士点基金资助项目(2000024724)作者简介:曹宇春(1972-),男,山西人,博士研究生,主要从事土动力学与地基抗震以及土坡稳定性研究。
文章编号:055929350(2003)0320069205粉土层液化可能性判断的地震反应分析法曹宇春1,周健1,黄茂松1,吴世明1(11同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)摘要:通过对上海粉土层的有效应力地震反应分析,对粉土层的液化势进行了预测。
当从50m 深度输入唐山地震波时,在地面加速度峰值为011g 条件下,粉土层不会发生液化;在0115g 和012g 条件下,粉土层有液化的可能性。
当从280m 输入唐山地震波时,在011g 、0115g 和012g 条件下,粉土层均不会发生液化。
关键词:粉土;液化;液化势;孔隙水压力;有效应力法;总应力法;地震反应分析中图分类号:T U435文献标识码:A液化现象多半发生在疏松饱和的粉细砂土中,因此,许多学者对砂土的液化特性进行了深入研究。
然而,目前还有许多证据证明,粘粒含量不高的粉土也会在地震时发生液化。
例如,1975年海城地震,其中就有大量粉土地基发生大面积的液化[1],1976年的唐山地震中,天津沿海粉土地区也出现了类似的现象[1];1999年9月21日发生在台湾台中的地震中,也报道了含有一定细粒的粉土会发生液化的情况[2]。
因此对粉土的液化特性进行研究,具有十分重要的意义。
以往对土层液化进行地震反应分析判断多集中在砂土上。
对粉土建立动孔压发展模式、并通过地震反应分析法来判断其液化势在国内外相关文献中不多见。
作者将结合在文献[3]、[4]中建立的粉土孔压上升模型对上海粉土层进行液化可能性判断。
文中所采用的液化标准为初始液化标准,即动孔压u 等于上覆有效围压σ′0i 。
1 土体地震反应分析的有效应力法土体地震反应分析法可分为总应力分析法和有效应力分析法。
总应力法对于材料动力特性的考虑主要通过按应变的发展采用模量G 值的方法。
它用初始有效应力计算G 的初始值G 0,然后按其与剪应变幅的关系来修正,采用其同应变相对应的模量值G ,而在土体中有液化区域出现时,则在进一步的计算中,将这个区内的剪切模量G 取零值计算,从而反映了材料的非线性和液化特性。
这类分析法首先由Seed 等人提出并应用于Sheffield 坝和Lower San Fernando 坝的动力分析中[5]。
但是,由于总应力分析法不能准确考虑循环荷载作用过程中孔隙水压力的不断增长及由此引起的平均法向有效应力的减小对剪切模量的影响(即没有考虑液化前孔隙水压力的发展对剪切模量的影响),因而无法得到动荷过程中孔隙水压力的增长规律和液化区域随时间的真实发展过程,为此,地震反应分析的有效应力法得到了人们的重视[18]。
徐志英、沈珠江(1981a ,1981b )利用有效应力法对尾矿坝和土坝进行了二维动力分析,他们在分析中,不仅考虑了孔隙水压力的产生影响到土的液化和软化问题,而且将振动孔隙水压力引入Biot 固结方程式,考虑了地震过程中孔隙水压力的扩散、消散和重分布,对动力分析与动力渗流、液化发展与骨架变形进行了综合分析[6,7]。
对于三维的有效应力动力分析,周健、徐志英(1984)[8],徐志英、周健(1985,1991)[9,10],周健、吴世明等人(1991)[11],徐志英(1996)[12]也提出了建议的方法。
鉴于有效应力动力分析法考虑了平均法向应力的减少对剪切模量的影响,而且可得出地震过程中液化区随着时间的发展过程,因此,地震反应分析的有效应力方法得到了广泛的应用。
以上文献中,进行地震反应分析所用的孔压模型都是采用反正弦模型,然而已有大量试验和文献表明,反正弦类型的孔压上升模型不适合粉土,循环荷载作用下,粉土的孔隙水压力上升模型应该为双曲线型[3,4,13～15],这一事实也在离心机模型试验中得到了验证[16]。
作者通过文献[3、4]建立的关于上海粉土的动孔隙水压力上升模型,并结合土的动力本构模型(例如等效线性模型),采用有效应力法对上海两个含有粉土层的剖面进行了地震反应分析,并给出了不同地面加速度峰值条件下粉土层的液化势。
111 粉土的动孔隙水压力模型 建立合适的土的动孔压发展模式是进行土层地震反应分析的关键,根据文献[3、4]中建立的粉土孔隙水压力的双曲线归一化模型uσ0=(N ΠN L )a[(110-b )(N ΠN L )a+b ](1)式中:σ0为初始有效固结应力;u 为动孔隙水压力;N 为循环次数;N L 为发生液化时的循环次数;a 、b 为试验参数,根据曹宇春对上海粉土进行的大量的循环三轴试验[4],将文献[3]中的a 、b 分别修正为a =1154,b =0114。
将式(1)两边分别对u 和N 求微分,可以得到增量形式的孔压表达式Δuσ0=ab (N ΠN L )a -1N L [(110-b )(N ΠN L )a +b ]2ΔN (2)式中:Δu 为在ΔT 时间内由于循环荷载作用而产生的孔隙水压力,ΔN 为在ΔT 时间内的循环次数,液化循环次数N L =∑ΔN 。
建立了合适的孔压模型和它的增量形式之后,就可以采用分时段等效线性化有效应力分析法,求出动孔隙水压力时程曲线和剪应力时程曲线。
112 分时段等效线性化有效应力法 (1)首先进行静力计算,划分土体单元,求出每一单元的静应力。
在静应力计算中应考虑土的非线性性质,采用Duncan 2Chang 模型[17]和割线模量叠代法,其割线模量公式为E s =KP a σ3P a a1-R f (1-sin <)(σ1-σ3)2c cos <+2σ3sin <(3)式中:E s 为土的割线模量;σ1、σ3分别为大、小主应力;R f 为破坏比,它等于(σ1-σ3)f(σ1-σ3)ult;(σ1-σ3)f 为破坏时的主应力差;(σ1-σ3)ult 为主应力差的渐近值;c 、<分别为土的粘聚力、内摩擦角;K 、n 为模量系数、模量指数,K 值可能小于100、也可能大于3500,n 值一般在012～110之间;P a 为大气压力,其单位与σ1和σ3相同,只是为了经验公式的量纲平衡而设的。
(2)假定土是粘弹性体,对于饱和土,可把它们看作是基本上不可压缩体。
因此,在粘弹性模式中需要确定的两个参数是等效的动剪切模量G 和阻尼比λ。
在分析中可引用Hardin 和Drnevich 的经验公式[18]:G =G max 1+γh ; λ=λmax γh 1+γh ; G max =21818K 2max (σm)12; γh =γγr 1+a exp -b γγr (4)式中:γr =τmax ΠG max 称为参考剪应变;τmax 为最大剪应力;K 2max 为系数,由试验或由现成曲线查取;λmax 及系数a 、b 与土质及循环荷载次数及频率有关,可由有关公式求得。
(3)经过有限元离散以后,粘弹性体的动力平衡方程式可以写为[M ]{ü}+[C ]{ u }+[K ]{u }={F (t )}(5)式中:{F (t )}为结点的荷载向量,[M ]、[K ]及[C ]分别为质量矩阵,刚度矩阵和阻尼矩阵,可分别用集中质量法,常规的有限元法和California 大学的下列方法求得[18],即—7—[c]=a0[m]+β0[k](6)式中:α=λω1;β0=λΠω1;[m]和[k]为单元的质量矩阵和刚度矩阵;λ为阻尼比;ω1为体系的基本频率。
对于式(5)可采用Wils on2θ逐步积分法求解。
关于分时段等效线性化有效应力法和地震反应分析的具体实现,读者可参阅文献[6～12]、[18]和[19]。
2 自由场地震反应分析采用二维有限元地震反应分析程序,针对上海地区两个包含粉土层的典型地质剖面(表1和表2,地下水位深度均为015m)进行了有效应力法地震反应分析,有限元分析的具体步骤详见文献[9]、表1 50m地层剖面编号土层底层标高Πm浮重度Π(kN・m-3)c cuΠkPa<cuΠ(°)λmaxk2,maxΠ(kPa)泊松比渗透系数Π(m・s-1)初始模量ΠkPa1混凝土14150117274212001103E7 2注浆81000100200130281200130410E-68000 3填土-111319100221302201325461620129115E-86000 4褐黄色粉质粘土-21379100615021170132461620129210E-85000 5灰色砂质粉土-17145816051102415013261860126910E-93500 6灰色粉砂及淤泥质粉质粘土810031592611013061860130310E-92000 7淤泥质粉质粘土7110111001201321610001291138E-94000 8灰色粉质粘土-2510081201410061901324616201267113E-810000 9暗绿色粉质粘土-31115101003111170132231770126115E-86000 10粉细砂-4510591200100340117471100128112E-534743 11粉质粘土夹砂-5010591009106250125411530133518E-724901表2 280m地层剖面编号土层底层标高Πm浮重度Π(kN・m-3)c cuΠkPa sin<cuλmaxk2,maxΠ(kPa)泊松比渗透系数Π(m・s-1)初始模量ΠkPa1混凝土14150117274212301103E7 2注浆810001342013028120130410E-68000 3填土-11131910022130013750132461620129115E-86000 4褐黄色粉质粘土-21379100615001370132461620129210E-55000 5灰色砂质粉土-171358160511001414013261860126910E-53500 6灰色粉砂及淤泥质粉质粘土810031590144013061860130310E-62000 7淤泥质粉质粘土711011100012080132161001291138E-94000 8灰色粉质粘土-231158120141000112001324616201267113E-810000 9暗绿色粉质粘土-291561010031110012920132231770126115E-8600010粉细纱-4115591200100015590117471100128112E-5347421511粉质粘土夹砂-6412591009106014230125411530133518E-7249011512含砾细中砂-8412591500100015300130551120128518E-5747321513粉质粘土-94125101009115014040125561680133518E-7339001414含砾中粗砂-126125101200100015740130631240128117E-49398015杂色粘土-15612510104221957014690125571580135112E-8404351416含砾中粗砂-229125101600100015740130681560128117E-41120E517杂色粘土-25917510180221957014690125641280135112E-8524371318中粗砂-27917511100010001545013071480128117E-41151E5文献[10]。