垂向荷载作用下饱和砂土的液化分析

 博士学位论文摘要　在对近40 a 来关于饱和砂土液化的研究工作调研的基础上, 就垂向荷载作用下饱和砂土液化问题, 进行了一维应变分析, 得到了垂向荷载作用下, 饱和砂土液化的发展过程以及砂土液化区域的扩展过程这两方面的特性。首先, 在固结仪上对往复荷载作用下有侧限的饱和砂土的本构关系进行了系列实验。实验材料包括松散细砂、密实细砂、松散粗砂(分别代表不同密实度和不同颗粒粒径构成的砂土) 。实验过程中, 加卸载路径有等幅的情况, 也有任意的情况。根据实验数据给出了用双曲线表述的应力2应变关系。这种形式的表述, 既避免了用切线模量形式表述的困难, 又解决了用对数形式表述的不能用于有效应力接近于零的问题; 而且形式简单, 又便于应用。接着, 考虑到砂土液化是孔隙水和骨架相互作用的结果, 将饱和砂土作为固液两相连续介质, 建立了垂向荷载作用时饱和砂土的一维应变动力学模型。该模型考虑了孔隙率的变化, 将骨架作为弹塑性材料, 且将渗透率与孔隙率的变化相联系, 使其与实际情况尽可能符合; 同时考虑在一般振动条件下的压力范围内, 可以忽略颗粒和孔隙水的压缩性, 使模型更简洁。然后, 在上述本构及动力学模型的基础上, 对饱和砂土的变形和液化发展进行了数值模拟。模拟结果表明, 垂向振动对饱和砂土的液化发展有显著的影响。在垂向振动作用下, 砂土首先在外载作用端产生局部区域的液化, 然后液化区逐渐向远处扩展, 且由于阻力的影响, 扩展速度随着液化区厚度的不断增长而逐渐减小。砂土骨架的可压缩性越大, 即砂土的初始切线模量越小、初始极限应变越大以及初始孔隙率越大, 则砂土的液化发展越快; 外载强度越高, 即外载幅值和频率越大, 砂土的液化发展越快; 砂土的渗流性越小, 排水越困难, 即初始渗透率越小, 砂土的液化发展越快。由此可认识到, 饱和砂土液化实际上是骨架和孔隙水相互作用的结果; 骨架为了抵抗外部扰动将产生压缩趋势, 从而挤压孔隙水, 力图使孔隙水排出,如果孔隙水难以排出, 两种介质的变形就出现不协调; 这就会导致骨架结构破坏、失去承载能力, 即饱和砂土发生液化。这些结果表明, 垂向荷载对饱和砂土液化的影响不可忽略。     

液化场地浅埋钢筋混凝土结构物变形及 动土压力分析

 基于多重剪切机构塑性模型和液化前缘面的有效应力分析方法,分析不同地震强度下液化场地中浅埋大断面矩形钢筋混凝土结构物变形与地震动土压力分布特征,进而探索0.85 g输入地震波条件下结构物与液化土间的相对位移差、结构物侧壁和顶底板土体的动土压力、剪切应力、有效应力和超孔隙水压力的变化规律。研究得出结构物的最大变形、弯矩和曲率值随着地震强度的加大而增大,结构物最先发生屈服变形部位位于拐角处,并逐步向周围扩展;场地发生液化模型中的结构物–液化土相互作用系数数值小于场地未发生液化模型,结构物与土体间的相对位移差值随着场地液化而剧增到一定值;作用于结构物侧壁的动土压力最大值和震后值随地震强度加大而增加,但不是简单的线性增长;结构物侧壁动土压力随着振动持续而增长,而作用于顶底板土层的剪切应力和侧壁有效应力随着土体液化而剧减。研究结论可为液化场地浅埋结构物的抗震设计提供可靠的依据和参考。     

评价饱和砂土液化过程中小应变到大应变的本构模型(英文)

在RambergOsgood模型的基础上,建立了一个实用的能描述饱和砂土从液化前小应变到初始液化后大应变范围的非线性本构模型。该模型主要有三个特点:①采用作者曾提出的移动相态转换线(MPTL)和移动临界状态线(MCSL)概念来较为合理地描述变形过程中的有效应力路径和临界状态;②采用一个应力软化模型来描述剪胀和定义超静孔压变化引起的骨架曲线的软化与硬化;③基于笔者等提出的液化后大变形理论来描述初始液化后产生的大剪切变形。文中通过对室内循环剪切试验结果的模拟,验证了模型的预测能力。该模型适用于水平饱和砂土地基的有效应力地震反应分析。     

地震液化后砂土应力应变关系的预测模型研究

针对目前有关砂土地震液化后应力应变关系预测模型存在的问题，经过对有关试验曲线特征的分析，提出了利用幂函数曲线对砂土地震液化后应力应变关系曲线进行预测的基本模型。通过与试验成果对比分析证明，该预测模型与其他模型比较，不但结构形式更加简单，而且具有较高的应变预测精度。     

砾性土液化特性与机理

2008年汶川地震之前,全球历史地震中砾性土液化实例不足10例,远远少于砂土液化的数量和规模,实际地震中砾性土液化的发生较为罕见,必然存在较为严格的发生条件,在土性条件、地震荷载、埋藏条件等均满足时才有可能发生。以2008年汶川地震大量砾性土液化为背景,详细分析了砾性土液化实例的水文与工程地质条件、渗透性能与排水边界条件,选取了典型砾性土液化场地并人工探坑获取砾性土试样,开展了试样直径为150 mm的动三轴和振动台对比试验。结果表明:1橡皮膜嵌入效应可以忽略或者进行有效消除后,相同相对密实度下砾性土、砂土的抗液化强度较为接近;2采用Seed等的孔压计算模型,随着动应力水平的逐渐增大,归一化的砾性土残余孔压比向上突起,增长模型趋向于A型曲线;3全球其他历史地震和2008年汶川地震砾性土液化实例中,基本上存在砾性土渗透系数较低或者排水边界条件受阻的情况;4砾性土符合无黏性散粒土体(包括砂土)发生液化的一般机理解释,但是,砾性土产生孔隙水压力上升、有效应力下降的现象,需要具备两个必要条件:1振动作用足以使砾性土的结构发生破坏而振密或土颗粒压碎,产生的剪应变只有大于门槛剪应变时(约0.02%),孔压才会进一步发展,剪应变只有大于一定程度时(约0.1%),孔压才有可能迅速增长直至达到上覆压力;2只有在不排水条件或排水通道不畅通的条件下,砾性土场地才有可能发生液化。     

基于性态的液化危险性估计

利用地震事件出现概率及给定地震事件的液化条件概率可估计液化的危险性。液化条件概率由binary-logistic模型对液化和未液化历史情况的基本数据进行回归分析确定;给定地震事件出现概率来自常规的地震动危险性的概率分析。基于性态地震工程理念,将液化安全系数和标准贯入锤击数(SPT)分别作为工程需求参数,计算特定场址液化概率。计算结果可用液化安全系数或液化需求锤击数的危险曲线来表示。基于性态的液化危险性估计途径可能比常规的方法更合理和一致地预测不同地震区场址出现液化的可能性。应用上述方法对北京地区不同地段各种设定土层情况进行液化危险性分析,分别得到了液化危险曲线。为便于工程应用,根据上述分析得到的大量样本及液化标准贯入锤击数基准值概念和土层埋深水位影响系数,提出了北京地区液化危险性评估的简化方法。相信其他地震区采用类同的方法也会得到适合该地区的液化危险性分析结果。     

微生物诱导碳酸钙结晶技术处理可液化砂土地基试验研究及数值模拟

松软的砂土地基在地震等作用下会发生液化,可能造成巨大的灾害。地基抗液化问题的相关研究具有极大的理论意义和工程意义。利用新兴的微生物诱导碳酸钙结晶技术(MICP技术)来处理液化砂土;然后通过三轴固结不排水试验(CU)和动三轴试验来考察其力学性质。试验结果表明:微生物诱导碳酸钙的生成改善了砂土的抗液化性能;最后利用TTS本构模型对其进行数值模拟,表明该模型具有在单元尺度上统一描述砂土及MICP处理后的砂土应力-应变的能力。     

5.12地震中德阳旌阳区地震液化特征

针对目前对汶川8.0级地震产生的地震液化现象认识较少的情况,通过较详尽的现场调查以及收集相关地震、水文及地质资料,讨论汶川地震德阳市旌阳区地震液化分布及其特征问题。研究结果表明本次地震液化具有如下特点:(1)液化范围广,但分布不均匀,液化危害程度差距较大,液化的强弱受震动强度、水文及地质条件的影响;(2)地震液化的分布与区域水文地质条件、工程地质条件呈良好的对应关系;(3)地震液化与地裂缝有伴生性,且地裂缝与河流方向相近;(4)砂砾石层液化是本次地震液化的主要特征,是以往地震没有发现的现象。     

不同设防水准下场地液化震害风险差异性研究

设防水准是决定液化灾害防御效果的重要因素，但目前不同设防水准下场地液化震害风险差异性认识尚少，以至于我国建(构)筑、公路、铁路、水运、电力等工程领域的抗震规范迄今仍采用基本(中震)地震动作为场地液化震害的设防指标。建立简化模型，以较为成熟和工程上能够接受的场地液化分析方法为基础，推导出基本(中震)地震动、罕遇(大震)地震动和极罕遇(巨震)地震动下场地液化震害风险计算公式，讨论3种设防水准下场地液化震害风险的差异性，并通过2021年我国青海玛多7.4级地震中液化震害现象的对比分析，论证了对场地液化进行大震设防的必要性。研究表明：3种不同设防水准下场地液化震害风险变化显著，随地震动作用水平增大，震害风险明显增强；就我国分布广泛的七度区和八度区内的工程场地来说，以最不利为原则，对于中震作用下接近液化、轻微液化和中等液化的场地，当考虑大震和巨震地震动作用时，场地的液化指数及其概率水平都有大幅提升，液化等级至少提高一级，大部分会提升两级，部分提高三级，发生概率则提高20%～30%，且达到高和极高风险水平；2021年玛多7.4级地震中，液化设防的地震动水平、实际遭受的地震动强度、场地液化部位和程度...     

振动孔压增量模型在ABAQUS软件中的实现

将依据动三轴试验建立的饱和南京细砂孔压增量模型三维化,嵌入到基于ABAQUS软件开发的修正的Davidenkov黏弹性本构模型模块中,以外挂FORTRAN子程序的方式,完成三维振动孔压增量模型在ABAQUS软件中的二次开发。对简单应力状态和复杂应力状态下的可液化地基进行数值模拟,初步验证该外挂子程序的有效应力分析能力及可靠性,表明该子程序能够较好地模拟液化场地的振动孔压发展过程,能合理地反映场地的地震液化特性和有效应力变化规律,预测场地的地震液化趋势。     

砂土振动液化危险性分析方法比较研究

 介绍了4 种砂土振动液化分析的概率方法: (1) 均匀泊松模型, (2) 综合概率方法, (3) 全概率公式, (4) 液化临界加速度法。后两种方法可直接应用地震危险性分析的成果, 减少了大量计算, 十分简便。算例分析结果表明,采用10% 的液化超越概率作为设防标准, 与目前常用的风险指数及常用的液化判别方法给出的结果相一致。     

物元分析理论在砂土地震液化判别中的应用

应用物元分析理论和方法,选取震级、地面最大加速度、标贯击数、比贯入阻力、相对密度、平均粒径和地下水位等七个影响因素,作为砂土地震液化的评价因子,构建了地震液化的判别模型,实例研究表明,该模型能够很好地反映砂土的液化规律,方法可行。     

可液化土层中地下车站的地震反应分析

由于液化后应力应变行为模拟的困难及数值计算的不稳定性,可液化土层中地下结构的动力反应分析是岩土工程的难点课题之一。基于作者提出的能够模拟饱和砂土液化后大应变响应的弹塑性循环本构模型,采用完全耦合的饱和土动力反应分析程序,对阪神地震中破坏的大开车站进行分析,说明考虑液化变形的土与地下结构动力相互作用分析方法及其有效性。从饱和砂土单元在液化过程中的应力应变响应角度,揭示了地层和车站的大剪切变形与饱和砂层液化程度的关系,分析了大开车站地震破坏的原因。     

2011年日本东北地区太平洋近海地震地基液化灾害综述

2011年3月11日,日本太平洋东海岸发生M_w 9.0级大地震,并引发巨大海啸,导致了日本东北和关东地区大面积的地基液化震害。通过现场震害调查和最新资料分析,首先较为系统地介绍了日本地震受灾区的液化宏观现象和典型震害特征。其次,研究了余震再液化和地震-海啸耦合灾害的破坏机制和特征,指出余震再液化受地震力大小、应力历史及超孔隙水压力消散程度的影响,并将地震和海啸耦合破坏过程分为3个阶段：震后液化阶段、间歇期恢复阶段、海啸流滑破坏阶段;最后,对此次强震中有关抗液化地基处理方法的有效性进行了分析与探讨,以期为今后的地基抗液化设计提供参考与借鉴。     

基于未确知均值聚类分析的砂土地震液化评价

基于未确知测度理论,建立了砂土地震液化判别和液化势分级的未确知均值聚类分析模型和方法。针对砂土地震液化评价中的许多不确定性影响因素,选用地震震级,地面地震加速度幅值,标准贯入击数,比贯入阻力,砂土相对密实度,砂土平均粒径和场地地下水位等7个评价指标作为判别因子;选用17个砂土样本作为训练样本,建立各评价指标的未确知测度函数,以样本中的各评价指标数据的平均值表示其分类中心;利用相似权赋权方法确定评价指标的权重,依据未确知测度距离判别地震液化等级;根据建立的模型对训练样本回判,回判正确率为94.12％。将建立的模型对20个测试样本进行判别,将判别结果与地震液化的实际情况、BP神经网络和SOFM神经网络等方法的评价结果进行了对比。研究表明,该模型的评价结果与实测结果,以及BP神经网络、SOFM神经网络等方法的评判结果一致性较高。     

砂土地震液化的模糊综合评判法

根据砂土液化问题具有的模糊性和不确定性,建立了一种判别砂土液化发生可能性的模糊综合评判模型。在提出的砂土液化模糊综合评判模型中,通过综合地震烈度、标贯击数、地下水位和平均粒径等影响砂土地震液化的因素,采用梯形隶属函数并分别给出各因素隶属函数的表达式。通过工程实例计算验证了该模型的可行性,计算过程简单明了,有一定的实用价值。     

基于MSF孔压应变模型的核电导流堤地基液化变形分析

针对地震作用下砂层液化引起的海工结构破坏问题,基于有效应力液化判别方法及以Martin-Seed-Finn孔压应变模型为基础的PL-Finn液化后大变形本构模型,对某核电站导流堤结构进行二维和三维数值模拟,并对比分析结果。从平均有效应力、液化区域、超孔压比、残余变形等方面研究导流堤结构地基砂土液化特征和变形机理。数值分析结果表明,两种方法下分析结果表现出一致性的液化规律及变形特征。砂土液化后发生流动使结构出现规律性残余变形,且随地震强度增加而变大。结构左右两侧近似呈对称式侧向滑动,随深度增加沉降范围逐渐减小。SL1作用下结构最大侧向滑移量为1. 11m,最大沉降量1. 26m,最大隆起高度0. 61m。SL2作用下结构最大侧向滑移量为1. 88m,最大沉降量1. 89m,最大隆起高度0. 98m。本文的研究成果可为工程抗震设计提供参考。     

基于不同原位试验的土壤液化判别模型保守性评估

基于现场原位试验和地震液化案例库建立的液化判别模型是一种常见的场地液化判别方法。然而,场地液化判别模型存在着准确性因测试手段而异的问题,即判别模型存在偏差;同时基于同一原位试验建立的液化判别模型的准确性因地震场地而异,即存在地震场地变异性。为评估基于SPT,V_s和CPT建立的液化判别模型的保守性特点,研究汇编了同时含有3种原位试验的地震液化案例库,分别含88,176,107个案例,涉及6次地震事件和场地。根据汇编的案例库采用贝叶斯分层建模法(BHM)标定了SPT-Youd模型、V_s-AS模型和CPT-RW模型的偏差系数,建立了分地震场地的液化判别模型。结果表明：CPT-RW模型的场地液化判别结果最为保守,SPT-Youd模型存在高估多个地震场地的抗液化能力而偏于危险的情况,V_s-AS模型的保守性则介于两者之间;基于汇编的CPT案例库,运用BHM法分地震场地建立的液化判别模型能够有效地修正CPT-RW模型的保守性,且不同地震场地的修正程度不同。研究工作可在工程师采用多种原位试验结果评估同一场地的液化势时提供有效的先验信息。     

用椭圆法计算砂土液化可靠度

可靠度指数β二次式在原变量坐标空间几何上的椭球解释，使得用户无须进行求导等复杂的数学运算，就可用电子表格(Exel2000)规划求解软件计算可靠度指数和液化概率。本文根据我国建筑抗震设计规范液化标准贯入锤击数基准值，按设计地震分组分别给出了抗液化强度曲线和安全裕量方程：应用该途径对唐山地震数据计算了液化和未液化场地的可靠度和液化概率。椭圆方法是一种非常简便实用的途径，也可应用于其他工程可靠度的估计。     

关于建立新的液化判别标准的建议

利用BP神经网络模型和可靠度理论对我国大量液化和未液化场地标准贯入试验数据进行分析,得到了地震时饱和砂土液化极限状态函数和液化概率函数。本文建议以这两个函数为基础建立新的液化判别标准。