砂土液化及振动台实验研究

砂土液化及振动台实验研究
李君
河海大学土木工程学院，南京(210098)
摘 要：本文分析了砂土液化产生的机理以及其抗液化能力的因素，进而得出抗液化能力和弹性剪切模量的相互关系。

最后结合模型箱振动台实验充分展现了砂土液化的整个过程，通过分析液化前后不同时刻砂土层的加速度时程曲线图，观察得出土层加速度随着时间增大的变化规律与振动台输入振动波与砂土中孔压增长的相互影响，得出一些有意义的结论。

关键词：砂土液化，弹性模量，振动台，孔隙水压
1. 引言
所谓液化[1]是指由于孔隙水压的增加,有效应力的降低而引起粒状材料砂土、粉土甚至包括砾石由固态转变成液态的过程。

影响液化的因素有许多，在一定的地震荷载作用下，饱和砂土是否发生液化和发生液化的程度，只要由砂土体自身的物理属性和环境条件决定。

经过大量研究发现，颗粒的粒径，密度，粘粒含量成分含量，土层形成的地质年代，地震历史，饱和程度和现场条件，如土层厚度、地下水埋藏条件、排水条件、渗透能力等都会影响砂土液化。

另外，荷载的形式和幅度大小也能影响砂土液化。

因此在建立液化判别方法时,理应综合考虑这些因素,才能得到最可靠的结论。

试验中砂土液化的判别依据是:地基中孔压比的监测值;土层液化的宏观现象。

试验过程中用相机拍下砂土层液化不同时刻的现象照片，更直观的描述出砂土液化时喷砂冒水的现象。

2. 抗液化能力和弹性模量的关系
影响土体抗液化能力的因素一般包括四个方面[2]：土质条件包括土的密度、结构、应力历史、均匀程度；排水条件包括地下水位、渗透性、渗径；静力条件包括剪应力比、有效固结应力；动力条件包括地震加速度、震级、波型、频率。

众所周知，土体的抗液化能力和有效应力成正比：
m d d σστ∝=2 （1） 其中v m k σσ)321(0+=，表示竖直方向的有效压力，0k 为地表的压力系数。

通常情况下弹性剪切模量max G 大约跟m σ的开平方成正比：
21max )(m G σ∝ （2）
研究表明，对于相同的土体，在相同的局部压力作用下产生的剪切波速具有相同的抗液化能力。

所以局部土体压力的改变在相同的相对密度、地震应变历史、固结历史等条件下将影响剪切波速快或者慢，因此 max G 和2d σ 的关系可以定义为如下：
2max 2G d
d ∝=στ （3）
3. 振动台实验过程
考虑到小型振动台的承重为120kg，所以设计的模型槽的长度为0.6m，宽度0.4m，高度0.4m。

如图1所示，底部及宽度方向的两侧均为钢板，长度方向的两侧设置有机玻璃观察窗。

运行频率范围为0.1Hz~50Hz,振动波形包括循环波、随机波、地震波三种[2],控制自由度为X、Y、Z三向六自由度,台面最大加速度为X向1.2g、Y向0.8g、Z向0.7g,功率为60kW。

,该模型箱能够自由发生沿振动方向的水平剪切变形,因而对土激振下剪切变形的约束作用很小;在距离土箱四周边界4mm处可以忽略其边界的影响;该土箱自振频率的理论计算值为1.3617Hz、大幅振动激励下的实测值为1.2Hz(空箱),而本次试验对模型地基微幅白噪声扫描的基频为 6.45Hz,显然模型箱的自振频率远离模型地基的基频,不会与土体发生共振;基于自由振动衰减法,大振幅(约5cm)下测得空模型箱的阻尼比为3.5%,本次试验对模型地基微幅白噪声扫描的阻尼比为12.71%,所以模型箱的阻尼将不对模型地基的动力反应产生不良影响。

由于本次试验对降低边界波反射作用的要求更高,故特在与振动方向垂直的模型箱两侧内壁各设置一厚约4cm～5cm的海绵,以进一步减小模型箱边界对波的反射作用。

图1 模型箱及振动台示意图
图中，1 是加速度传感器，2 是孔压传感器，3 是防渗水的海绵垫，4 是振动台面，5 是模型箱。

制作模型地基的砂土以粗砂土为主, 因为粗砂的孔压消散比较快，如表1所示，而且粗砂较细砂更难处于液化时的悬浮状态，所以本试验采用的砂土级配曲线如图2所示，最大粒径约为0.35mm，因此本文试验拟采用最大粒径为0.4mm的砂土，可以对已有的砂土进行颗粒分析，去除粒径大于0.4mm的砂土。

为了对模型地基砂土层形成自然地震不排水条件,所以在模型地基砂土层上也覆盖一层湿粘土层,就地取用湿轻亚粘土,保证土料干净、无杂物。

为了保证粘土具有良好的含水及结构的均匀性,将原状土风干、碾碎、过筛,测定初始含水量,然后按照试验设计含水量的要求将土加水湿润24小时,再测定含水量。

采用水沉法制作砂土层,可以使砂土层充分饱水且结构均匀。

采用分层碾压、夯实的办法在砂土层上铺设粘土层。

表1
不同粒径砂土超静孔隙水压力消散时间
平均粒径(mm)
超静孔隙水压力消散时间（S ） 1.8
1.0
0.5
0.15 6 20 50 120
图2试验采用的砂土级配曲线
在模型箱中装砂样时，应通过每隔5cm 控制高度的方法来保证砂土均匀密实，并保证相对密度的控制。

当试样装至预定高度后，将孔压传感器放置于砂中，并将数据线引出箱外。

在振动台上装置一个加速度传感器，以测定振动台的输出激振力。

将系在小球上的软绳穿过滑轮系统，接上拉力传感器和位移计，并与电动机接好。

接上各传感器的接头，开启采集系统，并对各项开关进行检查。

最后开启振动台油压的开关，对振动台的各项指标进行检查，设定其频率、振幅和振动周期，并开始振动及数据的采集。

待振动结束后，停止数据采集程序，并结束试验。

4. 后续数据处理
本次模型振动台试验输入的地震动力为El Centro 波(NS)和微幅白噪声[3]两种。

所确定的试验加载情况如表2所示。

每完成一个试验情况均要求待地基中孔隙水压力基本消散后,才继续做下一情况的振动试验。

表2 试验加载情况表
顺序号
输入波形 加速度峰值 1
2
3
4 微幅白噪声 El Centro 波(NS) El Centro 波(NS)
微幅白噪声 0.05g 0.15g 0.5g 0.02g
输入0.15g El Centro波(NS)时,地基表面开始出现小裂缝,下伏砂土层上部轻微液化,土箱四周有水冒出，砂土层中自上而下布置的各个孔压计测得的孔压均很快达到最大值,如图3(a)所示。

由上部孔压计获得的最大孔压比为1.0,其它孔压计尚未达到液化所需的孔压比。

输入0.5g El Centro波(NS)时,地基表面出现大面积裂缝,整个砂土层全部液化,强烈喷砂冒水,砂土层中自上而下布置的各个孔压计测得的孔压均很快达到最大值,参考文献[3]如图3(b)所示,最大孔压比全部为1.0。

试验结束4小时仍多处冒水泡,24小时后清除上覆粘土层可见下伏砂土层局部仍冒水。

(a)0.15g El Centro波输入下(b) 0.5g El Centro波输入下
图3地基砂土层中孔压时程曲线
由图3还可以看到砂土层中孔压发展的一种有意义现象,即在最初加速度峰值到达时刻出现负孔压,这种负孔压峰值随输入地震加速度峰值的增大而增大、并且沿竖向自下而上逐渐减小。

5. 结束语
由于本次试验所采用的振动台较小，试验中可能出现应力集中，应力状态不均匀的缺陷。

客观地说,本次模型振动台试验并非定量试验,而只是含有一定量化的定性试验。

因为限于目前的研究水平,只要涉及场地或地基的动力模型试验,一些重要影响因素,如地基的阻尼、基频等不可能完全量化模拟或控制。

这也是目前对于此类试验研究应该热衷探讨的一个重要问题。

参考文献
[1] 陈文化，孙巨.砂土地震现状及发展趋势. [J].世界地震工程，1993
[2] Chen Yunmin, Ke Han,. Correlation of shear wave velocity with liquefaction resistancebased on laboratory tests.[J] Soil Dynamics and Earthquake Engineering 25 (2005) 461–469
[3] 凌贤长,王臣,王志强. 自由场地基液化大型振动台模型试验研究 [J].地震工程与工程振动, 2003, 23(6): 138-143.
Sand liquefaction and shaking table test research
Li Jun
Civil Engineering Institute，Hohai University，Nanjing,CHINA (210098)
Abstract
This paper analyses the mechanism of the sand liquefaction generation and the factors of liquefaction resistant ability, proceeds to Surmise correlation between liquefaction resistance and elastic shear modulus. Finally sufficiently displayed the entire sand liquefaction process combining with the shaking table test, by analysing the before and behind of liquefaction in different moment with the curve reflecting the acceleration timing route for the sand layer, observed and achieved the result that the variation regular of sand layer’s accelerating correspond with the time increase and the interrelationship between the vibration waves importing to the shaking table and the pore pressure increment in the sand , so get some meaningful conclusions.
Keywords: sand liquefaction; elastic modulus; shaking table; pore water pressure
作者简介：李君（1982—），女，浙江温州人，河海大学土木工程学院05级硕士研究生，研究方向为计算力学与工程仿真。