考虑上部结构作用的闸坝地基液化分析_王刚 (1)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期： 2013-01-08 基金项目：国家自然科学基金（ 51209179） ；国家 973 计划（ 2010CB732103） ；中央高校基本科研业务费专项资金（ SWJTU12CX068 ） 作者简介：王刚（ 1978-） ，男，博士，教授级高级工程师 . E-mail ： cewanggang@163.com
力场的改变；②建筑物和地基的动力相互作用对地基动应力场的影响。地震在土层中引起的动剪应力可由 简单解析方法得到，也可由动力反应分析得到。简单解析方法很难全面考虑上述两种影响，而数值方法可 以模拟复杂的边界条件和材料特性，理论上可以全面考虑上述两种影响。 由于本文分析对象是一个复杂的结构 -地基系统， 采用三维非线性有限元静力分析来计算地基的初始应 力场，采用等效线性动力反应分析来计算地震在地基中引起的动应力场。先模拟防渗墙的施工、闸坝浇筑、 蓄水等过程得到地基的初始应力场；然后进行输入地震下的动力反应分析，得到地基土的动应力时程，再 将单元的动应力时程等效为一定振次下的等幅动应力时程，用于液化判别。 在静力分析中，地基土体采用邓肯 -张 EB 非线性模型模拟，混凝土采用线弹性模型模拟，混凝土防渗 墙与地基土的接触面采用薄层接触面单元模拟。邓肯 -张 EB 模型的参数由一组不同围压下的三轴压缩试验 确定。 动力反应分析采用等效线性总应力法。采用等效黏弹性模型来模拟地基土的动应力应变特性，不考虑 振动过程中孔隙水压力的增长、扩散和消散过程及其对土的动应力应变特性的影响。动力时程积分采用 Wilson θ 法。等效黏弹性模型将土视为黏弹性体，通过引入一个等效阻尼比来反映土的循环应力应变曲线 的滞回特性，通过等效剪切模量和等效阻尼比随动剪应变幅值的大小而变化来反映土的应力应变关系的非 线性特性。在计算过程中，通过迭代使得等效剪切模量和阻尼比与动剪应变幅值相协调。土的模量和阻尼 比随动剪应变幅值的变化关系由共振柱试验确定，试验结果见图 2。 2.3 抗液化剪应力比的确定 确定抗液化剪应力比（ RCR）有两种方法：室内试验和现场测试。室内试验主要是通过循环剪切试验测
Key words：hydraulic structure; liquefaction; seismic response analysis; sluice dam; structure foundation interaction
0
引言
目前工程实践中广泛应用的可液化土发生液化的判别方法（包括对比标准贯入锤击数法、对比圆锥触
FS
RCR RCS
（1） （2）
RCS 0.65 max v0
为初始竖向有效应力。 式中： max 为水平向的动剪应力最大值； v0
为了便于应用，通过大量震害调查和反演分析，建立了标准贯入锤击数 N、 圆锥触探贯入阻力 q c 、剪 切波速 Vs 等原位指标确定抗液化剪应力的经验关系， 并且发展了简化方法来计算地震作用下水平地基或接 近水平地基在不同烈度地震作用下的动应力比，在此基础上提出了基于上述原位测试指标的液化判别简化 方法。虽然这些方法在形式上都已经不须要通过试验确定抗液化剪应力比和计算地震作用引起的动剪应力 比，由于在震害实例的反演分析过程中采用的是 Seed 简化方法，因此这些方法在实质上应归类于液化判别 的对比剪应力法，是 Seed 简化方法的延伸。 2.2 动应力比的计算 计算地震作用在建筑物地基中引起的动应力比，至少要考虑两种影响：①建筑物的存在对于地基静应
探贯入阻力法和对比剪切波速法等）是由 Seed 简化方法发展而来的。该方法只能用于水平或接近水平的自 由场地的地震液化判别，不能考虑存在上部结构时，上部结构与地基的静动力相互作用及其对地基土液化 过程的影响（王刚和张建民，2007[1]） 。进行场地液化判别的目的一般是为了利用场地修筑建筑物，因此更 为关心的是有上部结构存在时地基的液化判别。 通过现场调查、 振动台试验、 离心模型试验和数值分析 ［例 如吉見吉昭和時松孝次（ 1977 ） [2]，刘惠珊和乔太平（ 1984 ） [3]， Rollins 和 Seed（ 1990 ） [4]，陈文化等 （ 1998 ） [5]］等研究表明：建筑物的存在会使地基的静动应力场发生改变，因此建筑物附近场地的超静孔 隙水压力分布和液化势与自由场地明显不同；建筑物基础边缘下方的地基土比基础中央下方的地基土更易 发生液化；建筑物对地基液化势的影响与建筑物型式和地基土的密度有关，对于较矮的、自振周期较短的 建筑物其地基液化势较自由场地的高；而对于较高的、自振周期较长的建筑物其地基液化势较自由场地的
Fig. 1
图 1 闸坝工程地质简图： （ a）坝址线剖面； （ b）顺河向剖面 Geotechnical characterization of the dam foundation at (a) section along the dam axis and (b) section along the river channel
procedure is a stress-based approach that compares earthquake-induced cyclic stresses with cyclic resistance of soil. Seismic responses are analyzed by using a 3D dam-foundation coupling FE model to estimate the earthquake-induced cyclic stresses in the foundation. Detailed laboratory monotonic and cyclic triaxial tests were conducted to evaluate the static and dynamic characteristics and the cyclic resistance against liquefaction of foundation soils. The procedure can give the distribution of liquefaction-resisting safety factor, and the results better reflect the effects of boundary conditions of a structure-foundation system and its characteristics on the liquefaction potential of foundation than the simplified method. Foundation improvement could be designed according to the results and the zone predicted by the presented method.
610051； 2.西南交通大学 土木工程学院，成都
3. 重庆大学土木工程学院，重庆
摘 要 ： 基于液化判别的对比应力法和动力反应分析，对某闸坝工程进行了考虑上部结构作用的地基液化评价。 复杂应力状态下砂土的液化判别条件是该分析方法的关键。 采用有限元数值方法计算地基的静动应力场以反映上 部结构与地基的静动力相互作用。通过详细的原位勘探和室内静动力试验，以得到地基土的静动力变形特性和不 同初始应力状态下的抗液化应力比曲线。该方法可以给出地基抗液化安全系数的分布，比规范简化方法的液化判 别结果更能合理地反应结构 -地基系统的具体边界条件和力学特性的影响，能更具针对性地确定地基处理方案。 关键词 ： 水工结构；液化；动力反应分析；闸坝；相互作用 中图分类号 ： TU435； TU441 文献标识码 ： A
第4期
王
刚等：考虑上部结构作用的闸坝地基液化分析
221
低。根据这些研究结论，一些学者提出了对液化简化判别方法的修正或者新的考虑建筑物影响的液化判别 方法。例如：门福禄等（ 1998）[6]根据弹性动力学中锥体简化模型来计算建筑物基础在地基中的附加作用， 给出了用总应力方法判别建筑物地基地震液化的简化方法；景立平等（ 2001） [7]在这一方法的基础上考虑 地基土的非线性和孔压增长模型提出了新的简化分析方法。杨玉生等 [8]发展了《水利水电工程地质勘查规 范》 （ GB50287-2008）中的标准贯入锤击数液化判别准则的应力修正方法，考虑了地基深度对液化判别准 则的影响。 建筑物对地基液化势的影响与具体的建筑物和地基的特征及边界条件有关，涉及到上部结构和地基的 静动力相互作用，很难通过对液化判别的简化方法进行简单的修正来全面考虑，因此在修正方法中一般只 能考虑部分的影响因素。如只考虑上部结构对地基静应力场的影响，对其在地基中作用的附加应力进行深 度修正，或者只对一些简单的基础型式和边界条件给出考虑动力作用对地基动应力影响的修正。对于须要 考虑上部结构与地基相互作用的地基液化判别， 应采用考虑结构 -地基相互作用的动力反应分析方法来进行 地基土的液化判别，复杂应力条件下的液化判别准则是该判别方法的关键（王刚和张建民，2007[1]） 。本文 以某闸坝工程为例，以地震液化判别的对比剪应力法为基础，来说明有建筑物存在时地基液化判别的动力 反应分析方法及须要注意的问题，通过具体实例分析上部结构对地基液化势的影响规律。 须要指出的是，目前砂土的本构模型研究和完全耦合的饱和土动力反应分析方法已经有了很大的进步 （例如：王刚和张建民，2007[9]；王刚等，2011[10]） ，不仅可以进行饱和砂土液化发生的判别，而且还能够 模拟液化整个过程中结构 -地基系统的动力响应，计算孔隙水压力的产生、扩散和消散过程，以及评价液化 引起的结构和地基的变形，在此基础上采用性能设计的理念来确定地基的处理措施。本文所采用的液化判 别方法的优点是试验工作量相对不大，计算方法和程序也比较通用，可以为一般中小工程所借鉴。
Liquefaction potential evaluation of dam foundation soil considering influence of overlying structures
WANG Gang1, 3, WEI Xing2 (1. Yalong River Hydropower Development Company, Chengdu 610051; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 3. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400041) Abstract： A liquefaction evaluation procedure for the foundation soils of a sluice dam is presented in this paper. This
第 33 卷 第 4 期 2014 年 8 月
水 力 发 电 学 报 JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING
Vol.3wenku.baidu.com No.4 Aug., 2014
考虑上部结构作用的闸坝地基液化分析
王
（ 1.雅砻江水电开发有限公司 ,成都
刚 1, 3, 魏
星2
610031; 400044）
2 分析方法
2.1 对比剪应力法 对比剪应力法以地震在土层中引起的动剪应力比（表示为 RCS）来表征动力作用的大小，以一定振次
下达到液化时所需要的动剪应力比（表示为 RCR）来表征土抵抗液化的能力，通过对比 RCS 和 RCR 来判断地 基土是否会发生液化。定义抗液化安全系数为
222
水力发电学报
2014 年
1 工程简介
某闸坝工程如图 1 所示，闸高 27.5m，闸址覆盖层厚度 35~47 m，自上而下分为 3 层：第①层漂卵砾 石，第②层粉细砂，第③层含漂砂卵砾石。第②层粉细砂厚 5.2~10.6 m，闸址区河床部位均有分布。该砂 小于 5 mm 颗粒组成大于 70%，黏粒含量小于 13%，本工程地震基本烈度为 7 度，初判具有产生地震液化 =8~9， 的可能性。 按 《水利水电工程地质勘察规范》 的规定进行复判， 该砂层的钻孔标准贯入试验锤击数 N 63.5 考虑工程运行时工况校正后的平均锤击数为 N 63.5 =6.7，液化标准贯入锤击数临界值 Ncr = 7.3，该砂层在 7 度地震作用下发生液化。可研设计阶段初步拟定采用振冲碎石桩进行处理。
力场的改变；②建筑物和地基的动力相互作用对地基动应力场的影响。地震在土层中引起的动剪应力可由 简单解析方法得到，也可由动力反应分析得到。简单解析方法很难全面考虑上述两种影响，而数值方法可 以模拟复杂的边界条件和材料特性，理论上可以全面考虑上述两种影响。 由于本文分析对象是一个复杂的结构 -地基系统， 采用三维非线性有限元静力分析来计算地基的初始应 力场，采用等效线性动力反应分析来计算地震在地基中引起的动应力场。先模拟防渗墙的施工、闸坝浇筑、 蓄水等过程得到地基的初始应力场；然后进行输入地震下的动力反应分析，得到地基土的动应力时程，再 将单元的动应力时程等效为一定振次下的等幅动应力时程，用于液化判别。 在静力分析中，地基土体采用邓肯 -张 EB 非线性模型模拟，混凝土采用线弹性模型模拟，混凝土防渗 墙与地基土的接触面采用薄层接触面单元模拟。邓肯 -张 EB 模型的参数由一组不同围压下的三轴压缩试验 确定。 动力反应分析采用等效线性总应力法。采用等效黏弹性模型来模拟地基土的动应力应变特性，不考虑 振动过程中孔隙水压力的增长、扩散和消散过程及其对土的动应力应变特性的影响。动力时程积分采用 Wilson θ 法。等效黏弹性模型将土视为黏弹性体，通过引入一个等效阻尼比来反映土的循环应力应变曲线 的滞回特性，通过等效剪切模量和等效阻尼比随动剪应变幅值的大小而变化来反映土的应力应变关系的非 线性特性。在计算过程中，通过迭代使得等效剪切模量和阻尼比与动剪应变幅值相协调。土的模量和阻尼 比随动剪应变幅值的变化关系由共振柱试验确定，试验结果见图 2。 2.3 抗液化剪应力比的确定 确定抗液化剪应力比（ RCR）有两种方法：室内试验和现场测试。室内试验主要是通过循环剪切试验测
Key words：hydraulic structure; liquefaction; seismic response analysis; sluice dam; structure foundation interaction
0
引言
目前工程实践中广泛应用的可液化土发生液化的判别方法（包括对比标准贯入锤击数法、对比圆锥触
FS
RCR RCS
（1） （2）
RCS 0.65 max v0
为初始竖向有效应力。 式中： max 为水平向的动剪应力最大值； v0
为了便于应用，通过大量震害调查和反演分析，建立了标准贯入锤击数 N、 圆锥触探贯入阻力 q c 、剪 切波速 Vs 等原位指标确定抗液化剪应力的经验关系， 并且发展了简化方法来计算地震作用下水平地基或接 近水平地基在不同烈度地震作用下的动应力比，在此基础上提出了基于上述原位测试指标的液化判别简化 方法。虽然这些方法在形式上都已经不须要通过试验确定抗液化剪应力比和计算地震作用引起的动剪应力 比，由于在震害实例的反演分析过程中采用的是 Seed 简化方法，因此这些方法在实质上应归类于液化判别 的对比剪应力法，是 Seed 简化方法的延伸。 2.2 动应力比的计算 计算地震作用在建筑物地基中引起的动应力比，至少要考虑两种影响：①建筑物的存在对于地基静应
探贯入阻力法和对比剪切波速法等）是由 Seed 简化方法发展而来的。该方法只能用于水平或接近水平的自 由场地的地震液化判别，不能考虑存在上部结构时，上部结构与地基的静动力相互作用及其对地基土液化 过程的影响（王刚和张建民，2007[1]） 。进行场地液化判别的目的一般是为了利用场地修筑建筑物，因此更 为关心的是有上部结构存在时地基的液化判别。 通过现场调查、 振动台试验、 离心模型试验和数值分析 ［例 如吉見吉昭和時松孝次（ 1977 ） [2]，刘惠珊和乔太平（ 1984 ） [3]， Rollins 和 Seed（ 1990 ） [4]，陈文化等 （ 1998 ） [5]］等研究表明：建筑物的存在会使地基的静动应力场发生改变，因此建筑物附近场地的超静孔 隙水压力分布和液化势与自由场地明显不同；建筑物基础边缘下方的地基土比基础中央下方的地基土更易 发生液化；建筑物对地基液化势的影响与建筑物型式和地基土的密度有关，对于较矮的、自振周期较短的 建筑物其地基液化势较自由场地的高；而对于较高的、自振周期较长的建筑物其地基液化势较自由场地的
Fig. 1
图 1 闸坝工程地质简图： （ a）坝址线剖面； （ b）顺河向剖面 Geotechnical characterization of the dam foundation at (a) section along the dam axis and (b) section along the river channel
procedure is a stress-based approach that compares earthquake-induced cyclic stresses with cyclic resistance of soil. Seismic responses are analyzed by using a 3D dam-foundation coupling FE model to estimate the earthquake-induced cyclic stresses in the foundation. Detailed laboratory monotonic and cyclic triaxial tests were conducted to evaluate the static and dynamic characteristics and the cyclic resistance against liquefaction of foundation soils. The procedure can give the distribution of liquefaction-resisting safety factor, and the results better reflect the effects of boundary conditions of a structure-foundation system and its characteristics on the liquefaction potential of foundation than the simplified method. Foundation improvement could be designed according to the results and the zone predicted by the presented method.
610051； 2.西南交通大学 土木工程学院，成都
3. 重庆大学土木工程学院，重庆
摘 要 ： 基于液化判别的对比应力法和动力反应分析，对某闸坝工程进行了考虑上部结构作用的地基液化评价。 复杂应力状态下砂土的液化判别条件是该分析方法的关键。 采用有限元数值方法计算地基的静动应力场以反映上 部结构与地基的静动力相互作用。通过详细的原位勘探和室内静动力试验，以得到地基土的静动力变形特性和不 同初始应力状态下的抗液化应力比曲线。该方法可以给出地基抗液化安全系数的分布，比规范简化方法的液化判 别结果更能合理地反应结构 -地基系统的具体边界条件和力学特性的影响，能更具针对性地确定地基处理方案。 关键词 ： 水工结构；液化；动力反应分析；闸坝；相互作用 中图分类号 ： TU435； TU441 文献标识码 ： A
第4期
王
刚等：考虑上部结构作用的闸坝地基液化分析
221
低。根据这些研究结论，一些学者提出了对液化简化判别方法的修正或者新的考虑建筑物影响的液化判别 方法。例如：门福禄等（ 1998）[6]根据弹性动力学中锥体简化模型来计算建筑物基础在地基中的附加作用， 给出了用总应力方法判别建筑物地基地震液化的简化方法；景立平等（ 2001） [7]在这一方法的基础上考虑 地基土的非线性和孔压增长模型提出了新的简化分析方法。杨玉生等 [8]发展了《水利水电工程地质勘查规 范》 （ GB50287-2008）中的标准贯入锤击数液化判别准则的应力修正方法，考虑了地基深度对液化判别准 则的影响。 建筑物对地基液化势的影响与具体的建筑物和地基的特征及边界条件有关，涉及到上部结构和地基的 静动力相互作用，很难通过对液化判别的简化方法进行简单的修正来全面考虑，因此在修正方法中一般只 能考虑部分的影响因素。如只考虑上部结构对地基静应力场的影响，对其在地基中作用的附加应力进行深 度修正，或者只对一些简单的基础型式和边界条件给出考虑动力作用对地基动应力影响的修正。对于须要 考虑上部结构与地基相互作用的地基液化判别， 应采用考虑结构 -地基相互作用的动力反应分析方法来进行 地基土的液化判别，复杂应力条件下的液化判别准则是该判别方法的关键（王刚和张建民，2007[1]） 。本文 以某闸坝工程为例，以地震液化判别的对比剪应力法为基础，来说明有建筑物存在时地基液化判别的动力 反应分析方法及须要注意的问题，通过具体实例分析上部结构对地基液化势的影响规律。 须要指出的是，目前砂土的本构模型研究和完全耦合的饱和土动力反应分析方法已经有了很大的进步 （例如：王刚和张建民，2007[9]；王刚等，2011[10]） ，不仅可以进行饱和砂土液化发生的判别，而且还能够 模拟液化整个过程中结构 -地基系统的动力响应，计算孔隙水压力的产生、扩散和消散过程，以及评价液化 引起的结构和地基的变形，在此基础上采用性能设计的理念来确定地基的处理措施。本文所采用的液化判 别方法的优点是试验工作量相对不大，计算方法和程序也比较通用，可以为一般中小工程所借鉴。
Liquefaction potential evaluation of dam foundation soil considering influence of overlying structures
WANG Gang1, 3, WEI Xing2 (1. Yalong River Hydropower Development Company, Chengdu 610051; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 3. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400041) Abstract： A liquefaction evaluation procedure for the foundation soils of a sluice dam is presented in this paper. This
第 33 卷 第 4 期 2014 年 8 月
水 力 发 电 学 报 JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING
Vol.3wenku.baidu.com No.4 Aug., 2014
考虑上部结构作用的闸坝地基液化分析
王
（ 1.雅砻江水电开发有限公司 ,成都
刚 1, 3, 魏
星2
610031; 400044）
2 分析方法
2.1 对比剪应力法 对比剪应力法以地震在土层中引起的动剪应力比（表示为 RCS）来表征动力作用的大小，以一定振次
下达到液化时所需要的动剪应力比（表示为 RCR）来表征土抵抗液化的能力，通过对比 RCS 和 RCR 来判断地 基土是否会发生液化。定义抗液化安全系数为
222
水力发电学报
2014 年
1 工程简介
某闸坝工程如图 1 所示，闸高 27.5m，闸址覆盖层厚度 35~47 m，自上而下分为 3 层：第①层漂卵砾 石，第②层粉细砂，第③层含漂砂卵砾石。第②层粉细砂厚 5.2~10.6 m，闸址区河床部位均有分布。该砂 小于 5 mm 颗粒组成大于 70%，黏粒含量小于 13%，本工程地震基本烈度为 7 度，初判具有产生地震液化 =8~9， 的可能性。 按 《水利水电工程地质勘察规范》 的规定进行复判， 该砂层的钻孔标准贯入试验锤击数 N 63.5 考虑工程运行时工况校正后的平均锤击数为 N 63.5 =6.7，液化标准贯入锤击数临界值 Ncr = 7.3，该砂层在 7 度地震作用下发生液化。可研设计阶段初步拟定采用振冲碎石桩进行处理。