地震液化引起的地面大位移研究进展

Hamada 等根据日本和美国地震调查资料 ,应用 数理统计方法 ,回归得到估算地面大位移 D H 的经验 公式 :
D H = 0. 75 H 3θ
(1)
式中 , D H 为水平方向的地面大位移 ( m) ; H 为液化层 厚度 ( m) ; θ为液化层面的倾角 (°) 。
式 (1) 不适合水平液化层时的情况 ,但从另一方面 说明了由于土体的流动而不是固体剪切引起了液化后
向流动造成了港湾设施破坏 ,电气 、水道和煤气等生活 设施破坏 ;建筑物的移动破坏等[2 ] 。
自从 Hamada 教授等针对日本海中部地震后地面 大变形问题所展开的调查之后 ,关于此课题的研究在 世界岩土抗震工程领域才引起了广泛重视 。中 、日 、美 等国已发表了许多这方面的论文 ,下面对有关地震液 化引起的地面大位移研究进展进行综述 。
296
岩 土 力 学 2000 年
也是如此 。此外 , 静加 、卸载引起的液化与循环荷载
引起的液化砂土呈现的应力2应变曲线相似 , 这样就
可以用静如 、卸载方便地达到液化状态 。
Yasuda 等[18 ] 对 日 本 标 准 砂 —Toyoura 砂 ( emax
第 21 卷 第 3 期 2000 年 9 月
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol. 21 No. 3 Sept . 2000
文章编号 : 1000275982(2000) 0320294205
地震液化引起的地面大位移研究进展
高玉峰 , 刘汉龙 , 朱 伟
4. 527log (100 - F15) - 0. 922 D5015
(3)
式中 D H 为水平方向大位移 ( m) ; M 为地震震级 ;
R 为距震中的水平距离 ; S 为地表土层倾角 ; T15 为
标贯击数小于 15 的饱和砂土层的累积厚度 ( m) ; F15
为 T15 中细砂的平均颗粒含量 ( %) ; D15 为 T15 中的
地面大位移的发生 。
Bartlett 和 Youd 对日 、美两国地震调查资料统计 回归得出适用缓坡地带的计算地面大位移的另一种经
验公式 :
log ( D H + 0. 01) = - 15. 787 + 1. 178 M - 0. 927log R -
0. 013 R + 0. 429log S + 0. 348 4 T15 +
= 0. 977 ; emin = 0. 605 ; Dr = 0 % , 30 % , 50 % , 70 %) 进行扭剪试验 。试样外径 10 cm 、内径 6 cm 、 高 10 cm , 围压σ′0 = 0. 15 , 0. 5 , 1. 0 kPa , 超孔 隙水压力比Δu/ σ′0 = 0 ,0. 3 ,0. 6 ,0. 9 ,1. 0 ,液化势 FL = 1. 0 ,0. 95 ,0. 9 。试验时 , 首先进行循环荷载作用下
3 室内实Baidu Nhomakorabea研究
Vaid 和 Thomas[16 ]对加拿大 Fraser 砂 (粒径范围 从 0. 074～0. 6 mm , emax = 1. 0 , emin = 0. 68 , D50 = 0. 3 mm , Cu = 1. 5 , 试样直径 63 mm , 高 126 mm) 进行三轴实验 : 静载下压缩试验中砂表现出剪胀性 , 但在高围压下向剪缩性转换 , 且内摩擦角不受初始应 力状态影响 , 保持 20°左右 。而拉伸试验中砂呈现出 剪缩性 , 且受围压影响小 , 但内摩擦角比压缩时的 小 , 且随相对密度增加而增加 。对于稳定状态 ( SS) 和相变状态 ( P T) , 不管是剪胀还是剪缩 , 内摩擦角 保持 32°不变 。对同一孔隙比 , 剪应力强度 S PT 或 S SS 随初始围压增加而增加 , 和一般的剪应力强度仅 是固结孔隙比的函数不同 , Fraser 砂剪应力强度和孔 隙比之间没有唯一的相关关系 。但对于给定的围压 , 这种相关关系是存在的 , 且表现出一致性 。循环荷载 引起砂土液化后的单调荷载试验结果表明 : 液化后砂 土均呈现出剪胀性 。液化后不排水应力2应变曲线分 为三段 : 第 1 段从σ′3 = 0 到σd = 5 kPa 为止 ,Fraser 河砂应力 2 应变关系在一个大的应变范围 (接近 20 %) 发展变形 ,此范围随相对密度增加而减小 ;第 2 段从σd = 5 kPa 到直线段开始 ,砂土硬度随应变增加而增加 , 模量随应变增加而增加 , 而通常土模量随应变增加而 减小 ;第 3 段为直线段 ,模量为常量 ,随相对密度增加 , 模量增大 。这与 Kiku 等[17 ]所做的扭剪试验结果相一 致 。试验还发现松砂时围压增加 , 硬度增加 , 但随相 对密度增加 , 围压的影响不明显 。围压对模量的影响
Hamada 等[3 ] 在 Noshiro 市 对 1983 年 Nihonkai2 chubu 地震调查中首次发现地震液化引起的地面大位移 对全市房屋、地下管道的严重破坏 ,而且发现地面大位移 以 Mae2yama 小山为中心径向分布 ;Sasaki 等对[4 ]同一地
收稿日期 :1999211209 。 基金项目 :国家自然科学基金资助课题 (59809004) 。
第 3 期 高玉峰等 :地震液化引起的地面大位移研究进展
295
震进行调查时发现 Mae2yama 小山山顶有张裂缝 ,这
表明液化后地面大位移主要受地形而非地震强度 、方
向的影响 。Youd 和 Perkins[5 ] , Yoshida 和 Hamada[6 ] , Bartlett 和 Youd[7 ]等人对地震液化引起的地面大位移 作了大量调查 。张建民[8～10 ] 通过对阪神地震后两栋
Abstract : Studies on large ground displacements induced by liquefaction are one of leading issues on geotechnical eart hquake en2 gineering. Based on references , field investigations and lab tests on large ground displacement are introduced , post2liquefaction characteristics , dynamic constitutive models and calculation met hods are summarized. Key Words : postliquefaction , large ground displacement , eart hquake observation , lab test , calculation met hod
平均粒径 (mm) ; W 为临空面的高度与距临空面的距
离之比 。
Sato , Hamada , Isoyam 和 Hatakeyama 基于这些 资料建议由可液化土层的厚度 H 估算最大水平位移 Dmax 的经验关系[11 ] :
(1) 对于都市区 :
Dmax = 0. 34 H
(4)
(2) 对于非都市区 :
Advance s in large ground displacement induce d by seismic liquefaction
GA O Y u2f eng , L IU Han2long , Z HU W ei
( Research Institute of Geotechnical Engineering , Hohai University , Nanjing 210098 , China)
4. 527log (100 - F15) - 0. 922 D15
(2)
当河岸边有挡土结构时 ,计算公式为
log ( D H + 0. 01) = - 16. 366 + 1. 178 M - 0. 927log R -
0. 013 R + 0. 657log W + 0. 3484 T15 +
(河海大学岩土工程研究所 ,南京 210098)
摘要 : 液化引起的地面大位移研究是岩土地震工程的前沿课题之一 ,仅有几十年的研究历史 。在综合有关资料的基础 上 ,介绍了地震液化后地面大位移的现场调查情况 、室内试验情况 ;总结了液化后土体特征和动力本构模型 ;简述了对液 化后地面大位移的计算方法 :经验法 、简化法和数值法 。 关 键 词 : 地震液化 ; 地面大位移 ; 地震调查 ; 室内试验 ; 计算方法 中图分类号 : TU 435 文献标识码 : A 作 者 简 介 : 高玉峰 ,男 ,1966 年生 ,博士 ,副教授 ,从事岩土工程专业教学和科研工作 。
1 前 言
一种新的地震液化破坏形式正越来越受到重视 , 即液化引起的地面大位移对结构的破坏[1 ] ,它是液化 区公路 、铁路 、桥梁 、码头 、堤坝 、房屋 、地下结构与生命 线工程等震害的最主要形式之一 。1976 年唐山 7. 8 级大地震引起陡河 、滦河 、蓟运河 、海河故道及月牙河 等河岸滑移 、地裂 、喷砂 ,滑移带宽约 100～150 m ;造 成唐山胜利桥 、越河桥 、汉沽桥等 10 余座公路和铁路 桥长度缩短 (最大达 9. 1 m) ,桥台倾斜 ,桥墩折断落 梁 ,河道变窄 ;天津毛巾厂 、天津钢厂等单位数十栋房 屋被拉断 、倒塌或开裂 。国外如美国 1989 年洛马·普 里埃塔 7. 1 级地震 ,使旧金山市区道路开裂 ,20 m 护 岸墙位移 ;加洲海洋实验站地面位移约 1 m ;奥克兰国 际机场地面最大位移约达 1 m ;莫斯兰北洲海滩附近 一座涵洞位移 7～8 m 。菲律宾吕宋岛 1990 年 7. 8 级 地震 ,使 Dagupa 市北沿 Pantal 河两岸大面积地面位 移 ,最大位移约 6 m ; Pantal 河河堤向河心位移了约 10 m ;一条人行道向河心位移 1 m ;两栋建筑物向北移 3 m ,一栋二层建筑物向北移 1 m ;大量地下管线及水井 被破坏 。近来如 1995 年日本阪神 7. 2 级大地震 ,地震 液化引起了大范围的地基水平方向永久变形 (亦称之 为侧向流动) ,最大水平永久位移达到 5 m ,地基的侧
2 液化后地面大位移的现场调查与经 验公式
地震现场震害调查一直是岩土地震工程研究的一 个重要手段 。通过调查可以积累资料 、检验预估结果 , 也可以发现新的问题并提出解决问题的方法 。正是由 于震后现场调查 ,发现过去有些强震震害被忽视 ,引发 了对过去震害的广泛研究 ,开创了地震液化研究新领 域 ———液化后地面大位移的研究 。
相邻建筑物的震害调查 ,研究了地震液化后地基侧向
变形对桩基础的影响 ,认为在已液化土层与下卧的非 液化土层界面附近 ,桩可能承受了超出桩本身极限抗 弯能力的弯矩 ;可液化地基中桩的水平位移的大小和
方向 ,主要是受液化土层侧向变形的大小和方向控制 ,
而且 ,桩的水平位移沿深度的分布与地基的永久水平 位移分布可能是很接近的 。
我国是多地震的国家 ,地震液化后地面大位移对 结构的破坏引起我国岩土地震工程界一些专家 、学者 的广泛关注 ,并对此开展了卓有成效的工作 。刘惠珊 等调查与汇总了海域 、唐山地震中的侧扩现象与地面 大位移问题及其严重性 ,指出侧扩范围多在 100 m 左 右 ,大者达 500～600 m[14 ] 。1993 年颁布的《构筑物抗 震设计规范》针对地面大位移与岸坡崩塌提出“当大面 积液化土层下界面的倾斜度超过 2°或液化土地基一 侧有临空面时 ,宜确定液化引起大范围土体流动的可 能性”[15 ] 。
Dmax = 1 . 2 H
(5)
式中 H , Dmax 均以 m 为单位 。 Tokimatsu 等通过现场地震调查 ,建立了根据标
准贯入击数计算液化后地面大位移的经验公式[12 ] ,张 建民等在此基础上进行修正[13 ] 。这样 ,对一个具体的 场地 ,只要已知土的容重 、细粒含量和标准贯入击数随 深度的分布以及地震震级和最大水平地面加速度 ,便 可算出液化后地面水平位移量 。