基于剪切波速的砾性土液化概率计算的中国方法

砾性土地震液化风险评价是我国工程防震减灾面临的新问题,原位剪切波速试验是具有普适性的技术手段,但现有方法不适用于中国。建立中国模式下基于剪切波速的砾性土液化概率计算新方法,并与已有的基于地震循环剪应力比CSR(cyclic stress ratio)理论建立的CYY(Cao,Youd and Yuan,简称CYY)计算方法进行对比。采用实测数据和不同概率下液化临界线模型的对比分析表明,所提出的中国模式基于剪切波速的砾性土液化概率计算新方法,解决了CYY方法不适用我国的问题,且模型构造较CYY方法先进,克服了CYY方法难以兼顾不同砾性土层埋深和不同地震动强度的缺点。无论是退化为概率0.5的确定性判别结果,还是实测数据下液化概率计算的可靠性,本方法均优于CYY方法。提出的公式已被具有我国样板规范性质的《建筑工程抗震性态设计通则》修订版采纳,可为相关规范修订及工程应用提供指导与技术支持。

中国模式下砾性土液化指数评价新方法

砾性土地震液化是我国土木工程震害防治技术体系建设面临的新问题,砾性土液化指数作为砾性土液化判别的最终表征量及抗液化对策的实际控制指标,是当前体系发展中亟待突破的瓶颈。该文继承中国模式,基于2008年我国汶川地震实测数据,提出以超重型圆锥动力触探击数比余量为基本变量的砾性土液化指数评价新方法。采用我国独有资料,构建砾性土的理论计算液化指数与宏观调查液化指数间函数关系,分析我国规范中既有液化指数与液化等级对应关系的可行性,建立适于砾性土液化指数与液化等级的对等关系,以实测资料多方论证新方法的合理性。提出的新方法,保持了中国模式的优势,可为实际工程应用和我国规范修订提供直接的技术支持。

砾性土层液化的触发条件

天然沉积砾性土场地液化是一个超出现有认识与现有规范的新问题,其触发条件至关重要,从震害现场调查提炼出相关认识最为可靠,是后续研究的基础和导引。鉴于2008年汶川地震砾性土液化规模远超以往,以其调查结果为主,综合历史砾性土液化全部资料,提出砾性土层液化的触发条件。现有资料分析表明：0.15g应为触发天然沉积砾性土层液化的地表最低地震强度,大规模砾性土层液化发生则需要0.2g-0.4g（Ⅷ度区）的地震强度;松散和接近松散状态是天然砾性土层液化的基本条件,液化砾性土密实度可随地震强度增大而增高但仍以稍密状态为上限;液化砾性土含砾量可达85%及更大,并且不随地震强度减弱而降低;高剪切波速天然砾性土层会发生液化,砾性土与砂土密实程度的剪切波速分界线相差悬殊,砂土液化判别公式不适于砾性土层;上覆渗透性差非液化土层（帽子）的存在是地下砾性土层可发生液化的必要条件,可称为帽子效应,此厚度至少应为0.5 m;地下水位与帽子间不能有过厚的可排水层间隙也是下卧砾性土层可发生液化的必要条件,可称为间隙效应,此间隙上限可取为2.0 m;区别于砂土液化判别方法,砾性土液化判别需要埋藏条件方面的特殊要求,否则容易出现误判。

基于动力触探的砾性土液化判别方法通用性研究

动力触探是针对砾性土力学性能评价的一种原位测试技术,具有设备简单、操作方便等优势。分别在成都平原和美国Utah地区选取典型砾性土场地,进行中美联合动力触探和有效锤击能量的测试与标定,结果表明:1在成都平原3个砾性土场地获取了中国超重型动力触探1321个重锤锤击能量记录,锤击能量传递系数的平均值约为90%,标准差为7.7%,锤击数离散性受设备操作方法的影响较大;2在美国钻机上安装中国超重型动力触探标准探头,可以有效穿透选取的试验深度为20 m的砾性土场地,并进行分层、力学性能评价;3在美国Echo dam下游坝基上2个砾性土场地获取了美国动力触探1438个重锤锤击记录,锤击能量传递系数约为74%,标准差为8.7%,锤击数离散性受拉绳、钻杆摩擦力的影响较大;4对锤击数进行能量修正之后,以2008年汶川地震砾性土液化为背景、以动力触探锤击数为基本指标的砾性土液化判别方法,具有国际通用的可行性。

汶川地震砾性土液化场地特征解析

通过成都平原砾性土场地勘察测试,研究汶川地震中大量砾性土液化场地的基本特性,找出一般规律,对砾性土场地液化发生主客观原因提出解释,并修正以往若干认识偏差.分析表明:汶川地震液化砾性土层粒径范围宽,含砾量5%~85%甚至更大,同时其实测剪切波速140~270 m·s^(-1),修正剪切波速160~314 m·s^(-1),都远超历史记录;液化砾性土场地1/2集中在Ⅷ度区内,表明如砂土层液化一样,砾性土场地大规模液化需要较强地震动触发,但超过触发强度后液化规模增长均有限;成都平原浅表地层二元基本结构是汶川地震中出现大量砾性土场地的客观条件之一,该结构可使饱和砾性土层处于封闭状态,构成了砾性土液化的基本条件;虽然液化砾性土层剪切波速很高,但实际上大多松散状态,是此次地震大量砾性土场地发生液化的客观条件之二;地震中地表(井中)喷出物与地下实际液化土类大相径庭,且液化层埋深大多小于6.0 m,以往以地表喷出物反推地下液化层土性类型的做法不再成立;认为砾性土层波速大、透水性好而不会液化的传统认识也不再成立,但砾性土层液化条件与砂土层液化条件不同,前者要求更高.

循环荷载下加筋砾性土填料的动三轴试验分析

为探究循环动载作用下加筋砾性土填料的动力特性,在不同加筋层数和围压下对加筋砾性土进行了固结不排水动三轴试验,研究加筋层数和围压对加筋砾性土动力特性的影响,并进一步分析了加筋砾性土轴向累积应变发展机制。研究表明:加筋层数增加时,轴向累积应变减小,回弹模量增大,且加筋作用的影响幅度逐渐衰减;增大围压时,土体轴向累积应变减小,回弹模量和动孔压均随之增大;随着加筋层数和振次的增加,滞回曲线逐渐向应力轴靠近,滞回圈面积逐渐减小,土体耗能作用减弱。基于安定理论和间接影响带理论,揭示了加筋作用对轴向累积应变发展的影响机制。建立了能够反映加筋层数的加筋砾性土轴向累积应变预测模型,其条件参数α、b、γ与加筋层数呈线性关系,可有效预测循环荷载下加筋砾性土路基沉降变形规律。

砾性土动三轴液化试验橡皮膜顺变性补偿新方法

橡皮膜顺变效应对砾性土动三轴液化试验结果影响显著,采用试样注水补偿是消除橡皮膜顺变效应的基本手段。论证现有补偿方法的原理与技术缺欠,提出橡皮膜顺变性补偿新原理及新方法。通过多种含砾量砾性土大尺寸动三轴液化试验,结合橡皮膜嵌入体积测量,以能够考虑橡皮膜顺变性计算修正后孔压发展结果为参照,对新补偿方法可行性与可靠性进行对比验证。研究表明,现有补偿原理仅以动力导致橡皮膜回弹水作为总补水体积,将导致补偿不足,新补偿原理考虑了补偿过程中橡皮膜分流作用,更科学合理;在不同含砾量、不同振次条件下动三轴液化试验中,新补偿方法所得结果与理论计算相符,变化规律一致;相比现有补偿方法,新方法在单次补偿阶段无需反复补水和多回合逼近,可操作性明显增强,补偿效果明显占优。新方法操作简捷高效易推广,不仅适于砾性土动三轴液化试验,也为粗粒土动力特性试验研究提供了新的技术支撑。

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。

半正弦循环交通动载下加筋砾性土动力特性研究

为研究交通荷载下加筋砾性土的动力特性,以土工格栅为加筋材料,开展了多级长期循环荷载下无筋、平铺、环形竖向及环形立体组合加筋等不同加筋形式的半正弦循环荷载下加筋饱和砾性土动三轴试验,同时也进行了半正弦循环荷载下土体阻尼比计算公式的推导,并研究了加筋层数和围压对环形立体组合加筋砾性土阻尼比、骨干曲线等动力特性的影响规律。试验结果表明:多级循环荷载下砾性土试样的阻尼比呈现前期增大随后减小的规律,阻尼比在动应变达到1%左右达到峰值,且加筋能够减小砾性土试样的阻尼比;Hardin-Drnevich模型适用于描述加筋砾性土的骨干曲线,且模型参数a、b与围压和加筋层数之间分别存在线性关系和指数关系,基于此提出适用于不同围压、不同加筋层数下环形立体组合加筋砾性土的骨干曲线方程。

循环动载下土工格栅加筋砾性土动力特性试验分析

为探究相同动应力比和相同动应力幅值下围压对加筋砾性土动力特性的影响,通过GDS动态三轴测试系统开展了土工格栅加筋砾性土动三轴试验。研究了相同动应力比和相同动应力幅值下围压对加筋砾性土轴向累积应变、回弹模量、动孔压的影响。结果表明:动应力比相同时,围压增大轴向累积应变随之增大,而动应力幅值相同时其规律恰恰相反;随围压的增大,回弹模量和动孔压均增大;相同动应力幅值时,回弹模量在振动初期的衰减较为明显,围压为120 kPa时衰减现象最为显著;随着围压的增大,动孔压均呈增大趋势,而孔压比基本维持在0.5左右,表明加筋砾性土具有良好的抗液化性能。

砾性土抗液化能力与其液化判别方法研究进展

从砾性土的定义出发,回顾了砾性土从被认为不会液化到其液化现象引起工程师关注的研究历程及国内外研究进展。总结了含砾量、相对密度等因素对砾性土抗液化能力影响关系的研究现状。介绍了国际上对砾性土场地液化判别的研究成果及各种主流方法的优势与不足;分析了剪切波速方法应用于砾性土场地液化判别的可行性。研究认为:砾性土的液化现象正逐渐被科学界及工程界接受;含砾量对砾性土抗液化能力的影响研究仍然存在较大矛盾,相对密度等影响砂土抗液化能力的因素同样影响砾性土抗液化能力;砂土场地应用的标准贯入、静力触探等液化判别方法不适用于砾性土场地,国际上发展了基于动力触探和贝克尔贯入试验的液化判别方法;剪切波速判别方法在砾性土场地的液化判别中具有优势和潜力,是今后研究的方向之一。

循环荷载作用的加筋砾性土三轴试验动力特性分析

为了探究加筋前后饱和砾性土动力特性的变化规律,开展一系列循环荷载下饱和砾性土动三轴试验,分析不同围压下加筋对饱和砾性土轴向累积应变、回弹模量和动孔压等动力特性的影响,并对不同围压下的轴向累积应变与振次关系进行拟合分析。结果表明:随着围压的增大,加筋前后试样轴向累积应变、回弹模量及动孔压均随之增大;与加筋前相比,加筋后的试样轴向累积应变均有减小,而回弹模量和动孔压均有增大;各工况下动孔压与振次关系曲线均呈稳定型增长模式。提出了可以准确描述不同围压下加筋前后砾性土轴向累积应变与振次关系的函数关系式,通过函数关系式和条件参数可为预测加筋砾性土路基在循环荷载作用下的累积沉降提供参考。

不同动应力比下加筋前后砾性土的动三轴试验分析

针对加筋前后饱和砾性土填料的动力特性,开展循环荷载下饱和砾性土动三轴试验。对比分析不同动应力比下加筋作用对饱和砾性土轴向累积应变、回弹模量和动孔隙水压力等动力特性的影响,并对不同动应力比下的轴向累积应变与振次关系进行拟合分析。结果表明:加筋前后,试样的轴向累积应变均随动应力比的增大而增大;与加筋前相比,加筋后的试样轴向累积应变均有减小;加筋前后,试样的回弹模量均随动应力比的增大而增大,且加筋试样的回弹模量均大于无筋试样;随着动应力比的增大,无筋试样的动孔隙水压力减小,加筋试样动孔隙水压力变化不大。加筋前后,砾性土轴向累积应变与振次的拟合公式和拟合参数可为预测加筋砾性土在长期循环荷载作用下的累积变形提供参考。

地下水位对砾性土层剪切波速的影响研究

通过地下水位修正来间接反应有效应力对土层剪切波速的影响的方法被应用于我国剪切波速法砂土液化判别,但现行方法不适用于砾性土层。利用GDS大粒径三轴-剪切波速系统测试不同含砾量,不同相对密度的砾性土在不同应力条件下的剪切波速,研究有效应力对砾性土剪切波速的影响。结果表明:砾性土的剪切波速与有效应力满足幂函数关系,其指数参数稳定,不受土性影响;结合对汶川地震震后调查的砾性土的上覆土层分析,推导出适合砾性土层剪切波速判别法的水位修正公式,给出了简化的线性表达;并分析了地下水位变化对剪切波速测试结果的影响。

颗粒级配对砾性土填料加筋前后的动力特性影响分析

路基在服役期内承受长期的车辆荷载作用,将改变路基结构层的颗粒级配,导致路基性能劣化,而应用土工合成材料加筋技术进行地基处理是一种行之有效的方法。为探究颗粒级配、加筋层数对饱和砾性土路基填料的动力特性的影响,利用GDS动态三轴测试系统对饱和砾性土进行了固结不排水动三轴试验,对比分析2种颗粒级配下加筋和无筋砾性土的动力特性。结果表明:无筋的饱和砾性土试样在多级循环荷载作用下,含细颗粒试样(级配1)的动应变相比于无细颗粒试样(级配2)的增长了13.2%,格栅加筋后试样的动应变、体应变均有减小,动弹性模量提高,加筋可有效缓解细颗粒对试样的影响。加筋会使试样孔隙水压力升高,但颗粒级配中有无细颗粒对试样的孔隙水压力影响不明显。

细粒含量对饱和砾性土静动力学特性的影响

为探究细粒含量对饱和砾性土静动力学特性的影响,通过一系列砾性土固结排水三轴剪切试验及多级加载下固结排水动三轴试验,分析了细粒含量对饱和砾性土静力特性(应力-应变曲线、静体积应变)、动力特性(轴向累积应变、回弹模量、动体积应变)的影响规律。结果表明:细粒含量的增加导致砾性土的峰值强度不断减小,但能够有效约束试样的剪胀变形,细粒含量15%时对应的静体应变终值相比于细粒含量0%时减小了27.09%。随着细粒含量的增加,饱和砾性土轴向累积应变逐渐增大,而回弹模量随细粒含量的增加而减小;饱和砾性土轴向累积应变与振次的关系曲线符合单对数模型。

交通动载下砾性土动三轴试验分析

为了探讨交通动载下砾性土的动力特性,采用GDS高级动态三轴测试系统,对级配良好的砾性土进行了大尺寸动态三轴试验,分析砾性土的应力应变及动模量等参数的变化规律.试验结果表明:循环荷载作用下,砾性土的应力应变关系整体上呈递增的趋势,动应变ε_d≤2.36%时,砾性土动应变随动应力呈线弹性增长;ε_d>2.36%后,土体出现塑性变形,砾性土动应变呈非线性加速发展趋势.砾性土轴向动应变随振动次数逐渐增大,动应变增长率随振次增加而增大.砾性土动弹性模量随着动应变增加整体呈现骤减→略增→减小的趋势,其中在1%<ε_d<3%范围时动弹模出现小幅增长.密实的饱和砾性土在多级短时荷载作用下,产生剪胀变形,对应动孔压随动应变呈局部振荡整体递减的趋势.

多级循环荷载下饱和砾性土动三轴试验研究

为探究多级循环荷载下砾性土动力特性,以围压与动应力幅值为变量,开展了饱和砾性土动三轴试验,对轴向累积应变εd、回弹模量Ed、动孔隙水压力ud及滞回曲线的演化规律进行对比分析.研究结果表明:围压增加会促使砾性土Ed、ud增长,而使εd减小;随着动应力幅值的提高,Ed的发展趋势由随振次不断减小向逐渐增长转变;高动应力幅值(σd=150 kPa)下,ud均呈骤降→逐渐增大的变化趋势;在循环荷载下砾性土动应变主要是各阶段前期形变累积的结果,不同围压下各阶段前期(N≤1 500)动应变增量均占动应变总增量的90%左右;围压越大,土体的耗能作用越弱,刚度越大.

先进土工实验技术研发与砾性土动力特性试验研究

室内试验是解决土动力学问题的基本手段之一，同时室内试验技术也是土动力学的重要研究内容，为满足研究工作需求，需要不断研发新的技术手段。在2008年我国汶川大地震中，国际上首次出现了大规模的砾性土液化现象，而目前此方面研究报道尚少，其中砾性土动力特性研究是此方面的基础性工作。本文工作主要集中在两个方面，一是土动力学若干试验技术研发，二是砾性土动力性能研究。

饱和砾性土不排水动力强度及变形特性试验

砾性土的动力强度和变形特性是分析砾性土地基及其构筑物地震永久变形的基础。本文采用大型动三轴仪对饱和砾性土进行不排水循环三轴试验,系统地研究了两种砾性土在循环加载条件下的不排水强度和变形特性,探讨了循环应力比、平均固结应力、固结应力比、初始孔隙比和循环次数对砾性土变形和超静孔压特性的影响。试验结果表明:砾性土的累积轴向应变和超静孔压比随循环应力比、平均固结应力和初始孔隙比的增大而增大,超静孔压比随固结应力比的增大而减小;当循环次数小于20时,固结应力比对累积轴向应变的影响较小,而当循环次数大于20时,累积轴向应变随固结应力比的增大而减小。根据试验结果,建立了考虑平均固结应力、初始孔隙比、循环次数和累积轴向应变影响的不排水动力强度和超静孔压经验模型,其计算值与试验结果比较吻合,说明该模型可以较为准确地描述循环荷载作用下砾性土的不排水动力强度、超静孔压和累积变形的变化规律。