南水北调中线工程砂土地震液化和变形破坏动力数值分析——以漳河河漫滩段为例

砂土液化问题一直是土动力学与岩土地震工程研究领域的重要课题之一.基于南水北调中线一期工程总干渠漳河河漫滩段工程,通过现场和室内试验获取岩土体的动力学参数,利用岩土数值分析FLAC3D软件,砂土本构模型选为Finn模型,输入近场地邯郸台记录的实际地震波,对渠基砂土地震液化和渠道变形破坏特征进行了动力数值分析.结果表明,在地震作用下,超静孔隙水压力最大值位于渠堤底部砂土层中,但渠堤底部砂土层由于初始应力较大,其孔压比不高,不会发生液化;在渠道底部以及渠堤外侧坡面平台至坡脚局部区域土体虽然超孔隙水压力较小,但有效应力小,超孔压比反而大,砂土层发生了液化;在地震作用下变形主要发生在渠堤和浅层地基土里,具有对称性;渠堤边坡的变形破坏主要表现为在渠堤顶面发生震陷和拉裂破坏,在坡脚处发生水平侧向流动和挤压隆起变形.计算过程中,在渠堤及地基的不同位置设置监测点,得到了地震作用过程中不同位置处超孔隙水压力、有效应力和位移的动态变化规律.通过剪应变增量判断,在地震力作用下渠堤及地基中形成了贯通的剪切滑动面,易发生整体滑动破坏.研究成果对南水北调砂土液化特性的认识和防治有一定的意义.     

井点降水法处理可液化地基的振动台试验

减饱和法是近年来提出的一种可液化地基处理方法,其基本原理是通过工程措施减小饱和砂土地基中的饱和度,将饱和砂土地基变成不饱和砂土地基,从而提高地基的抗液化强度,减轻地震时产生的液化震害。该文利用井点降水法,在砂土地基中布置排水管,考虑排水管的竖向布置、水平布置、倾斜布置以及联合布置,对井点降水法的抗液化效果进行了振动台模型试验。实验结果表明:排水管水平布置产生的超孔隙水压最小,抗液化效果最好;竖直布置次之;倾斜布置抗液化效果最不明显。在实际应用过程中,可以定期进行地基土体的排水作业,从而提高可液化地基的抗液化能力。     

饱和层状砂土三轴液化试验

为了研究具有层状结构的饱和砂土液化时孔隙水压力的发展规律，利用GCTS-STX-050气动三轴测试系统对层状饱和砂土进行等幅应变控制下的液化试验研究，分析了试样中不同粉粒夹层厚度、位置及分布层数对液化影响.试验结果表明，试样液化所需的循环加载次数与粉粒夹层的厚度呈非线性关系，存在一临界厚度使得循环加载次数最大;粉粒层能够有效地阻碍细粒层产生的超孔隙水压力的传递，而细粒层对粉粒层产生的超孔隙水压力阻碍效果不明显;相同厚度下，粉粒夹层两层分布较一层分布对超孔隙水压力的阻碍作用更加明显.试验结论可为地震作用下具有层状结构的饱和砂土液化规律的探索提供一定的参考依据.     

循环荷载下尾矿粉土的孔隙水压力特性

为了解尾矿粉土在振动作用下的孔隙水压力特性,采用GDS动三轴试验系统对尾矿粉土进行了循环荷载试验,通过施加循环应力使尾矿粉土达到完全液化状态,研究了相对密度及固结围压对尾矿粉土孔隙水压力特性的影响.研究结果表明,尾矿粉土的孔压增长过程可分为4个阶段:孔压快速增长阶段、孔压稳定增长阶段、结构破坏阶段及完全液化阶段;相对密度及围压的增加可以提高其抗液化能力.对比尾矿粉土及砂土试验结果发现:循环荷载作用下尾矿粉土的孔隙水压力特性与砂土不同,其孔压增长规律可用一个双S型模型描述,该模型对粉土和砂土均具有较好的适用性.     

冻土覆盖下液化场地桩基地震响应的振动台试验研究

利用振动台进行了在地震激励下冻土、可液化砂土与钢管桩之间的相互作用模拟试验研究.试验设计柔性模型箱装填土体以模拟边界影响,通过配比试验制备混凝土砂浆模拟上覆冻土层,采用饱和砂土作为液化土,利用顶部附加集中质量的方法模拟钢管桩的惯性荷载.试验过程中选取调幅地震波模拟地震激励,通过实时测量桩的应变、桩/冻土位移和砂土内的孔隙水压力等方面的数据,分析冻土层覆盖下砂土的液化情况和与之对应的桩基动力反应情况.试验结果显示:在地基液化发生前,冻土层可以给桩基提供一定的侧向约束,有利于提高其承载力并抑制其侧向变形;然而一旦出现液化,冻土层则可能增强地基液化的趋势,导致桩基承载性能下降.     

饱和砂土液化过程探讨

根据饱和砂土地层地震液化现象及饱和砂土动力学试验所观察到的现象,从砂粒-孔隙水两相介质相互作用的角度出发,研究了饱和砂土在振动荷载作用下的液化过程和机制.研究结果表明,饱和砂土受振,砂粒相对滑动并重新排列,孔隙率降低,孔隙水受压产生超静孔隙水压力并不断增大,部分孔隙水挤出渗流,隙水渗流对砂粒产生渗流压力.渗流压力与超静孔隙水压力迭加,形成的上托力等于或大于砂粒水中重力时,砂粒在隙水中处于悬浮状态.此时,饱和砂土宏观上表现为液态.为此,根据下沉砂粒与向上渗流孔隙水之间相对运动过程中的动力作用特征,建立了描述饱和砂土液化过程的模型和液化判据.     

含倾斜砂土夹层的人工岛地震液化灾害分析

强地震易造成地基中倾斜砂土夹层液化后产生永久变形和位移,并诱发流滑现象,进而对上部结构产生严重破坏.基于FE-FD耦合有限元方法,综合考虑倾斜砂土夹层的坡度、厚度、埋深以及海水水位因素,对某近海人工岛二维结构模型进行了数值模拟分析.结果表明:砂土层的坡度、厚度、埋深以及水位因素对人工岛的地震液化灾害有着不同程度的影响,其中坡度的影响最显著,而水位的影响最不明显,特别是水位对超孔隙水压力增长的影响非常小.人工岛的侧向扩展是在地震过程中饱和倾斜砂土夹层完全液化被触发后才得以发生,而且是在地震作用过程中某段时间内沿液化层斜面的有限滑动,其灾害程度比水平砂土层液化造成的破坏要大得多,而且易造成岛体不均匀沉降,对护岸造成严重破坏.该分析结论可为近海岸工程地震液化灾害评价分析提供参考依据.     

循环荷载作用下碎石桩加固液化地基试验研究

应用简易振动台和叠层剪切变形模型箱,进行了循环荷载作用下碎石桩加固液化地基试验研究,试验分析了碎石桩的加固效应,并着重分析了碎石桩的排水效应.复合地基模型采用三角形及矩形两种方案加固细砂土液化地基,试验结果表明:无论是矩形加固方案还是三角形加固方案,碎石桩均有效地防止了地基液化,并且激振结束后,碎石桩加速了孔隙水压力的消散.     

液化地基自由场振动台试验的土性参数识别

基于已进行的液化地基自由场振动台试验,利用参数识别技术对试验记录的土体加速度和孔隙水压力进行分析,研究了场地液化机理及土的动力特性.由自由场振动台试验的土体加速度记录求出土体的动剪切应力—应变曲线,并研究了土体的动剪切模量及阻尼特性随动剪切应变的变化关系.结果表明:利用参数识别技术识别的土的刚度与土动力性质试验获得的数据基本一致,而阻尼要高于土动力性质试验的结果;孔隙水压力增长对土的剪切波速有影响,会引起土的刚度降低.     

水平地层地震动力反应分析

根据Iai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.该模型将土复杂的变形机理分解为体积机理和一系列简单的剪切机理.用边界面弹塑性模型模拟多重剪切机构塑性模型中虚拟单剪机构,避免了Iai多重剪切机构塑性模型在利用修正Masing准则模拟虚拟单剪应力应变关系时,确定比例参数的复杂性.根据大量试验资料,建立了液化面参数与归一累积剪切功的关系,能够用较少的参数很好地建立有效应力路径.由于多重机理的特性,模型能够模拟复杂荷载作用下主应力轴偏转的影响.用多机构边界面塑性模型对饱和砂土水平场地进行有效应力分析,对水平场地的地震反应特性进行了分析,由于多机构边界面塑性模型能同时考虑振动孔隙水压力的发展引起的有效应力降低导致饱和砂土抗剪强度和模量的降低.分析表明,结果是合理的.模型简单实用,将方便在工程实践中的应用.     

上覆黏土层条件下考虑空间变异的砂土地基地震液化可靠度研究

基于FLAC3D有限差分软件,对上覆黏土层的砂土地基地震液化响应动力可靠度进行研究,建立了黏土-砂土地基平面应变模型,通过模拟土体剪切模量的空间变异性,利用蒙特卡洛模拟方法并结合生成的非高斯随机场评估液化区面积、超孔隙水压力和地表位移,研究了不同剪切模量变异系数(COV)对地基地震液化可靠度的影响。结果表明：剪切模量变异系数越大,液化范围缩小越困难,液化范围峰值的分布范围越分散;地表水平位移和地表最大差异沉降均随剪切模量变异系数的增大而增大。     

软土地基处理过程中搅拌桩下沉的机理和判别方法

针对江苏某高速公路软土地基处理过程中的水泥搅拌桩下沉现象,通过现场测量桩周土中的超静孔隙水压力、土压力和剪切强度等,分析搅拌桩下沉机理,提出搅拌桩下沉的判别方法。超静孔隙水压力和土压力的现场测试结果表明,在搅拌桩下沉处,桩周土中的超静孔隙水压力大于土压力,桩周土出现了类似于液化的现象,可以以此作为搅拌桩下沉的判别方法。     

砂土液化对桩基工程的影响

通过室内模型试验，研究了砂土液化对桩基工程的影响，指出了砂土液化时，由于孔隙水压力的上升，土的结构重新调整，桩例摩阻力完全丧失，液化后，由于砂土的固结沉降引起桩侧负摩阻力与地面沉降之间成良好的线性关系，推导并给出了由于砂土液化引起桩的负摩阻力的计算方法。     

砂土液化特性MTS动三轴试验研究

基于MTS动三轴试验,研究了砂土液化过程中振动孔压的发展规律,获得了偏压固结条件下振动孔压计算模式.结合应力-应变滞回环,将液化过程划分为4个阶段,并对各阶段的轴向应变发展特点进行了分析.通过研究液化过程中动模量的衰减特性,得到了动弹性模量和动剪切模量随应变发展的衰减特性曲线,并研究了砂土的抗液化强度.     

按土强度参数确定弱化砂土层水平极限抗力的探讨

利用施加反压的方法模拟具有残余孔压的弱化饱和砂土层,针对相对密度为30％和40％的弱化饱和砂土层,进行了单桩水平承载力模型试验,研究了不同弱化状态饱和砂土层的水平极限抗力．结果表明,随饱和砂土层中残余孔压的增加,其水平极限抗力逐渐降低;土层液化后,其水平极限抗力降低约90％,这与已有的振动台及动力离心模型试验结果基本一致．按Reese建议的破坏模式,针对土层表面作用上覆压力的备件,推导了依据土强度参数确定土层水平极限抗力的理论关系式;据此确定了弱化饱和砂土层的水平极限抗力,并与模型试验结果进行了比较．结果表明：饱和砂土层液化前,其理论水平极限抗力与模型试验结果基本吻合;饱和砂土层液化后,其理论水平极限抗力小于模型试验结果．这说明饱和砂土液化前土层的破坏遵循Reese建议的破坏模式．     

饱和软黏土中沉桩以及随后固结过程的数值模拟

考虑土体的K0沉积过程,利用Flac2D软件对沉桩以及随后的固结过程进行了模拟.模拟过程前,首先对沉桩前不同应力历史土体中的原位有效应力和剪切模量的取值方法进行了分析.通过数值模拟,得到了不同应力历史土体中沉桩后孔隙水压力分布、有效应力场,以及孔压完全消散时的桩侧有效应力场.分析了不同应力历史、不同初始含水量、不同剪切模量对固结完成后桩侧土体不排水抗剪强度提高幅度的影响,探讨了土体结构性对沉桩后桩侧土体的孔隙水压力以及固结完成时桩侧土体径向有效应力、不排水抗剪强度的影响.传统圆孔扩张理论将沉桩过程看作是一个平面应变问题,忽略了问题的三维本质,本文根据应力路径的相似性给出了考虑空间性的办法.     

饱和砂的动孔压演化特性试验研究

利用GDS 10 Hz/20 kN双向振动三轴系统,对饱和砂进行不排水动三轴液化试验,研究了液化进程中动孔压的发展规律,并阐述了动孔压的演化机理.基于试验结果,提出适用于饱和砂的动孔压应变模型.该模型直接和动力分析中应变幅相联系,能够弥补应力模型的不足,并具有较好的适用性.等压固结条件下,动应力和固结压力对动孔压比与动应变比的关系影响较小,动孔压发展规律可近似用同一模型表示.不同动应力和固结压力作用下,饱和砂土动孔压的增长模式用Seed提出的孔压应力模型描述时,试验常数可取相同值.     

强震持时对河流堤防液化特性的影响

日本中部地区极有可能经历两种不同持时特征的地震动,即①东南海-东海复合型海沟地震,持续时间大于100 s,最大加速度约2.4 m·s-2;②活断层内陆地震,持续时间小于20 s,最大加速度约6.0 m·s-2.由于该地区的冲积平原下部广泛沉积了饱和松散砂层,因此具有很高的液化可能性.文中基于Biot两相饱和多孔介质动力耦合固结理论,采用一个经过广泛验证的砂土循环弹塑性本构模型,对这两种具有不同持时特征的强震所导致的河流堤防液化性状进行计算分析,比较了地震动持续时间对河堤液化特性的影响.计算结果显示,地震动持续时间对于堤防的超孔隙水压力、加速度、变形等液化特征有着显著的影响,持续时间较长的强震作用将导致较大的堤防液化变形.