振动频率对饱和松砂动力特性影响试验研究

第11卷第8期中国水运Vol.11No.82011年8月ChinaWaterTransportAugust2011

收稿日期：6

作者简介：朱中卫（）

，女，湖北荆州人，杨浦区建设工程安全质量监督站工程师，硕士，岩土工程专业。公路吹填土地基振冲密实法处理的试验研究

朱中卫

（杨浦区建设工程安全质量监督站，上海200090）

摘要：上海市长兴岛吹填区域表层为粉细砂，状态松散，土质不匀，严重液化，承载力较低，其下分布夹有较多

淤泥的细颗粒土层，不能直接作为公路地基。由于振冲密实法具有施工简便、造价低等优点，故考虑采用该法对此

处公路地基进行加固，为此进行了一系列试验研究。通过振冲密实法处理前后土体静力触探、标准贯入、载荷试验

及室内土工试验对比，总结出振冲密实法仅对表层粉细砂加固效果明显，地基最终承载力仍不能满足设计要求。

关键词：振冲密实；吹填土；细颗粒；地基处理

中图分类号：TU472文献标识码：A文章编号：1006-7973（2011）08-0206-02

一、概述

1936年，德国S.Steuerman提出振冲密实法[1]，我国于

上世纪七十年代中期将其引进，振冲密实法是利用振动和水

冲加固松砂地基，该法施工简便、工期短、噪音低、对邻近

建筑物影响小，且造价低、效果显著，因此得到了广泛的推广和应用。目前，振冲法加固砂土类地基有无填料加固和填

料加固两种方法[2]。粉细砂地基土体颗粒较细，振冲时易产

生宽广的流态区，振冲挤密的效果很难保证，因此此类地基

多采用添加填料的振冲法；而对于处理粘粒含量小于10%的

中粗砂地基，多采用无填料振冲法[1,2]。

无填料振冲密实法加固砂土类地基的原理有两点：①振

冲器的强力振动使饱和砂层发生液化或结构破坏，砂颗粒重

新排列，孔隙减少；②振冲器的水平振动力，将孔顶自行塌

陷的砂振动挤压加密，从而达到加固的目的[1]。本文依托上

海市长江口长兴岛上吹填区域公路工程，探讨了振冲密实法

在此处公路地基处理中的适宜性，得出如下结论：此处采用

6/2520一3长春工程学院学报(自然科学版)2(X)7年第8卷第3期J.Chan即hunlnst.Tech.(Nat.Sci.E山.)，2(X)7，Vol.8，No.3巧SNI(减为一984CN22一1323/N砂土液化判别的研究现状及存在问题杨新宝，奚晓青(东南大学交通学院，南京210(X)9)摘要:就目前国内外砂土液化机理研究、砂土液化动力分析方法及液化判别方法等方面的研究现状做了简要的归纳和评述。在液化判别方法方面，主要认为目前有Seed简化分析法、经验分析法、概率统计分析法、室内试验分析法及土层反应分析法等方法。最后，对砂土液化判别研究方面的一些不足之处提出了解决的思路。关键词:液化机理;动力分析;液化判别中图分类号:TU441文献标识码:A文章编号:1009名984(2(X)7】03戒X)20习4饱和砂土在地震、动荷载作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象为砂土液化。作为地震引起的地面破坏效应，液化是一种破坏性极强的区域性地质灾害。因此，合理全面地判定液化对于交通、城市规划，建筑场地的选择以及液化区建筑物防护措施的选定具有重要意义。经过几十年的研究，砂土液化判别研究已有丰硕的成果。本文就国内外砂土液化机理研究、动力分析方法及液化判别方法的研究现状做了一个简要的归纳和评述，并对砂土液化判别研究的一些不足之处提出了解决的思路。‘1砂土液化的理论研究现状1.1砂土液化机理的研究现状砂土的液化机理及其影响因素一直是液化研究中的一个重点和难点，它是伴随着液化概念的发展而发展的。目前，饱和砂土的液化机理大致可归纳为循环活动性(cycllcmobility)、流滑(nowslide)和砂沸(sandboil)3种类型川。(1)循环活动性:循环活动性是指在循环剪切过程中，由于土的剪胀和剪缩的交替作用而引起的收稿日期:2(X)7一肠一04作者简介:杨新宝(1984，2一)，男(汉)，江苏南京，在读硕士主要研究液化地基处理。孔隙水压力反复升降而造成的间歇性液化和有限制流动现象，主要发生在中密和较密饱和无粘性土中。seed等人(1966年)在早期所进行的饱和密砂固结不排水三轴试验中证明了这一现象。研究还表明对于较密实饱和砂土，在适当条件下也会出现“初始液化”，并出现有限度流动。Seed在研究中还给出了初始液化时循环剪应力比与循环次数相互关系，后来被广泛应用于饱和砂土振动液化的判别中，并与相对密度、标准贯人试验、静力触探试验及地震震级建立了较多的经验关系。需要指出的是循环活动性不会出现在饱和松砂中。(2)流滑:流滑是单向或循环剪切作用下，土体积持续剪缩，孔隙水压力不断上升，从而导致抗剪强度剧降，形成无限制流动大变形。Casagrade提出的临界孔隙比概念及“流动结构”源于这一思想。Kramer、Seed(1988年)曾研究了饱和松砂在静荷载下发生流滑条件[z](1984年)，提出了饱和砂土在动静荷载作用下触发液化的应力条件[3]，并于2000年推广到有水平动剪应力和动正应力差同时存在的复杂应力条件中[’J。(3)砂沸:当一个饱和砂沉积体中的孔隙水压力由于地下水头变化而上升到等于或超过它的上覆有效压力时，该饱和砂沉积体就会发生上浮或“沸腾”现象，并且完全丧失承载能力。这个过程与砂的密实度和体积应变无关，而是由水头压力引起的液化。上述液化机理虽然有所区别，但又相互联系，在液化研究中应全面考虑。最近的研究表明:土体液化破坏往往是渐进发生的，即当土体内部局部区域发生液化时，抗剪强度迅速下降，因而应力发生重分布，随后附近区域也发生液化，最终导致建筑物破坏。利用上述思想，Seed在SanFemado土坝液化分析中得到与液化区域相当吻合的计算结果1’];我国王媛等(2000年)也探讨了饱和松砂液化区渐进杨新宝，等:砂土液化判别的研究现状及存在问题扩散的计算方法[6]。1.2砂土液化动力分析方法的研究现状液化现象是土体在动力荷载作用下最主要的震害之一，因此，分析和判断地基液化具有十分重要的意义。土体发生液化是土性条件、起始应力条件、动荷条件和排水条件等一系列因素共同作用的结果。目前分析和判断砂土液化的理论方法主要有下面几种。1.2.1总应力分析方法总应力法直接根据室内试验所取得的割线剪切模量与等效阻尼随应变幅值非线形变化曲线，通过多次迭代而求得的近似解，以Seed等提出的剪应力对比法为代表。它将地基视为一个具有水平自由表面的均质土体，忽略地基表面建筑物引起的附加应力的作用，因而使得问题大大简化。后来，日本学者岩琦敏男在Seed简化法的基础上，提出了液化安全系数的概念[;];张克绪提出用八面体动剪切强度验算液化范围，克服了Seed法中两者应力条件不一致的缺点[.]。总应力法的缺点是无法确定孔压的发展，不能揭示砂土液化的本质，目前已经较少应用。1.2.2有效应力分析法地震作用下土中孔隙水压力的产生、发展及消散过程直接影响到土体液化过程。因而，自黄文熙和汪闻韶之后，许多学者致力于振动荷载作用下土中孔隙水压力增长和扩散变化规律的研究，根据循环三轴或剪切试验确定孔压的增长公式，再应用到有效应力分析中去。在此方面，已有很多公式，如Seed公式、Sherif公式、石桥公式、Finn与Bhatia公式等等[9]。公式中把孔压表示为剪应力、正应力及应力循环次数或与之相关联的物理量的函数。在液化评价的标准选择上也因孔压模式的选择不同而有所不同，常用的判别标准有应力标准、应变标准和有效路径等。1.2.3弹塑性动力分析方法随着土的动力本构关系的深人研究，弹塑性动力分析理论己成为地震液化研究的一个重要发展方向。例如，Prevost的屈服面模型，Mroz、Nori，与zienk-iewic:的双曲面模型等属于各向异性塑性理论模型，能较好地解释土壤在循环荷载下的一些现象，还有Da]触lias等的限界面塑性模型、CaI’ter等的临界状态模型等，但还不是很成熟。直接应用土的塑性理论本构关系于液化分析中迄今尚较少，Sato、Shihata与Kosa-ka曾做过一些很好的工作，但是忽略了惯性力，并假定垂直总应力不变，有待进一步深人研究。2砂土液化判别的研究现状2.ISeed简化分析法Seed简化分析法是最早(1971年)提出来的自由场地的液化判别法〔’”]，也是目前普遍接受的方法之一。该方法不断改进，美国国家地震工程研究中心(NCEER)建议的砂土液化判别简化方法是seed简化分析法中最具代表性的，其判别的主要步骤为t”]:(1)计算地震运动在土层中引起的等效循环应力比(CSR)csR二0.65竺竺三平(1)9口。式中:a~—地震引起的水平地面运动峰值;9—重力加速度;。。—竖向总上覆压力;，场—竖向有效上覆压力几—为折减系数;(2)计算砂土抗液化强度(C五双)C尺尺l34一(N;).(凡)。13550(10式中󰀀(万:).+45)’l2oo(2):(N:)。—将实测标准贯人击数修正到有效上覆压力大约为lookPa、落锤能量比为60%时的修正标准贯人击数。。。。。。一，Kl、，、。，1‘从“”󰀀”“、而，一+乙‘石气可二又百-V.1分)(3)式中:哎—土层可能发液化的上界极限值;V，:—土层实测剪切波速修正到上覆压力大约为lookPa的修正剪切波速值。式(2)和式(3)分别是以标准贯人击数和剪切波速表示的砂土抗液化强度。(3)比较上面2个剪应力的大小，从而判别砂土是否发生液化。对不规则的随机循环剪应力，可将之转化为等价的规则循环剪应力，然后进行比较。Seed分析法简单明了，使用广泛，但确定邵双比较粗略且不考虑孔隙水压力的发展水平，另一方面判别结果的正确与否依赖于试验结果的准确性。2.2经验分析法总结震害经验是研究砂土液化最直接的途径。在分析、统计世界各地广泛的地震液化震害调查的长春工程学院学报(自然科学版)20()7，8(3)基础之上，可以建立一些经验准则和公式，如以标贯锤击数〔”，”」、静力触探的贯人阻力〔’‘〕、剪切波速L’4〕等为参量的经验公式。对于相似的场地、土壤和环境条件(如场地饱和度、密度(相对密度)、颗粒组成、大小、形状和应力状态等相似的不同场地)，可以参考过去地震灾害的震害调查资料进行对比分析，再进行判别。经验法主要考虑不同的地震作用、饱和砂土的埋藏条件、抗液化能力、地层的地质条件与历史固结程度和粘粒含量等因素。各种方法考虑的因素都比较单一，而且由于受地层条件、设备和操作方法等因素的影响，判别结果往往并不稳定。2.3概率统计分析法刘汉龙等〔”，’6]人引人概率法，运用累积疲劳规律表示剪应力循环的累积效应对自由平坦场地的液化势进行判别，避免了在确定性分析时选择不同的地震波时得出不同的地震反应结果的缺陷，还可以进一步进行动力反应分析。概率法目前还处于发展阶段，工程应用此法进行预测的实例还不多。概率法基于震害调查资料，对地震后曾液化和未曾液化的土层进行大量的研究和统计工作，确定影响液化的主要因素，有很好的参考价值。缺点是孤立的考虑单个或多个指标对液化的影响，没有详细深人考虑各种条件、因素的影响，各种不确定性很难定准，而对同一土层采取不同指标的判别结果有时互相矛盾。因此适于描述过去多数事件的统计规律，不适于预测将来单个事件的行为。2.4室内试验分析法它通过随机加载的三轴试验、振动台试验、离心机试验〔”]来模拟在地震时土的应力状态。但此方法的主要缺陷是:所要求的试样应为原状土样，取原状土样相当困难，土体的抗液化强度试验结果受到土样扰动。不同方法制备的试样或是不同的方法，对液化结果影响很大。2.5土层反应分析法〔‘8-co]此法综合了数学、力学和计算机的知识，尤其在数学和力学分析上较为严格，是砂土液化动力分析方法的液化判别上的应用。不仅可以考虑地震动特性、地形地质条件、荷载作用及边界条件等多种因素的影响，还可以研究地震过程中和地震发生后地基土液化区的发生和发展过程。土层反应法考虑的因素可以很多，计算较严密，但关键是材料参和荷载参要选择适当、合理，这也有一定的难度。3砂土液化判别方面的一些不足及解决思路(1)我国相关抗震规范规定对液化判别分初判和进一步判断。相关规范所用初判指标大致相同，基本上采用粘粒含量百分率、地质年代、地下水位深度和上覆非液化土层厚度4个指标，但表达方式不完全一致，有的较严谨，有的不太正确，不利于液化判别研究的发展。除建筑抗震规范外，其它抗震规范在初步判定地基可能液化后，没有进一步给出液化危害的等级，也没有给出液化的可能性是多大，可能造成的危害性有多大以及相对应的处理措施是什么。同样是可能液化，造成的危害与处理方式是很不相同的，为此需要确定一个液化危险指数来确定液化的危害程度。(2)各种液化判别方法，包括国内各有关规范的方法在进行液化判别时都是以天然地基为研究对象的，即判断的结果为天然场地地基是否会液化，而都没有考虑上覆建筑物的影响。当有建筑物时，地基因受到建筑物附加压应力的影响，地基应力和受力状态以及孔压等与天然地基有很大的差别。片面地将天然地基判定液化的结果作为建筑物地震时地基是否会液化的依据显然不够合理，偏于保守。因此，有必要首先分析上覆建筑物荷载作用下地基液化指标与自由场地所提供的液化指标有何不同，即在上覆建筑物荷载作用下地基液化范围及液化指数，然后再进行抗液化地基处理方案的研究和设计。(3)地震时砂土液化引起的灾难性破坏，促使人们对地震液化问题进行了深人的研究，建立多种液化判别方法。但这些液化判别方法的数学模型、基本变量及预测结果都包含有某种不确定性，传统方法都不能定量描述这些不确定性的影响程度，这些方法由于模型构建假设、系统误差和信息的不确定性和不完整性，导致理论预测结果与实际状况存在一定的差别。对于这些液化判别方法预测结果的可靠性的研究还很少，因此将液化判别的不确定性因素对工程影响的可靠性分析方法引人到砂土地震液化判别中来，旨在求得预测结果定量的不确定性是很有必要的。参考文献【1]叶书麟，韩杰，叶观宝.地基处理与托换技术(第2版)〔M]，北京:中国建筑工业出版社，1994.

第４２卷第８期　２　０　１　１年４月　人　民　长　江　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｖｏ１．４２．Ｎｏ．８　Ａｐｒ．，　２０１１　

文章编号：１００１—４１７９（２０１１）０８—０１０７—０４　

穿黄工程隧洞段饱和砂土的动强度特性研究　

王　宏　，殷力涛２，赵剑明　，陈　宁　，刘小生　，刘启旺　

（１．中国水利水电科学研究院岩土研究所，北京１０００４８；　２．南水北调工程建设监管中心，北京１０００３０）　

摘要：为了解在遭遇地震的情况下，穿黄隧洞的抗震安全性能，选取穿黄隧洞地基饱和砂土为样本。进行了室　内饱和固结不排水动三轴试验，研究循环动荷载作用下饱和砂土的动强度特性和孔隙水压力特性。给出了循　环动荷载的大小对动强度特性和孔隙水压力特性的影响规律。结果表明：静应力状态、动应力幅及其循环次　数和试样密实程度等是影响穿黄工程隧洞段地基饱和砂土动强度特性和孔隙水压力特性的主要因素。　关键词：穿黄隧洞；饱和砂土；动三轴试验；动强度特性；孔隙水压力特性；南水北调中线工程　

中图法分类号：ＴＶ６７　文献标志码：Ａ　

南水北调中线穿黄工程Ｋ７＋６５０～Ｋ８＋９８０段位　

于焦作市温县东南向黄河滩内。其主要建筑物由外径　

８．６　ｍ的两条平行圆形地下盾构式隧洞构成。穿黄工　

程隧洞最大埋深３５　ｍ，包括南岸邙山段，南、北岸总长　

度４．２　ｋｍ以上。从现场取样结果和地层剖面图看出，　

北岸滩地段地基土层在空间分布和土质上变化较大。　

河床段地基土层主要为粉质粘土和砂土互层。根据地　

震部门的分析资料，南水北调中线穿黄工程场地属太　

行山前地震带，地震活动相对较弱。鉴于工程的重要　

性，国家地震局分析预报中心对南水北调中线穿黄工　

程区进行了专门的地震危险性分析，经国家地震局地　

震烈度委员会审定，穿黄工程区５０　ａ超越概率１０％对　

应的地震烈度为６．９度，５０　ａ超越概率１０％和５％对　

应的基岩面峰值加速度分别为０．１１９　ｇ和０．１５８　ｇ。　

不同冲击频率与中主应力下细砂力学响应研究

刘锦伟;李彰明

【期刊名称】《长江科学院院报》

【年(卷),期】2012(029)008

【摘 要】使用SPAX-2000改进型真三轴试验系统对饱和细砂进行循环冲击动力固结试验,研究不同固结条件、不同冲击荷载作用频率与不同中主应力作用下细砂应力—应变关系等力学响应；并结合三轴剪切试验,分析对比了不同条件下冲击荷载作用后试样强度的变化特征.试验结果表明:中主应力增大,试样在冲击荷载的作用下更容易趋于密实,抗剪强度得到较大的提高；频率降低,在中主应力较小时动力固结后试样抗剪强度有明显的提高,而在中主应力较大时试样抗剪强度没有太大变化；表明了中主应力和冲击荷载频率是影响试样动力固结效果的重要因素.

【总页数】5页(P89-92,99)

【作 者】刘锦伟;李彰明

【作者单位】广东工业大学岩土工程研究所,广州510006;广东工业大学岩土工程研究所,广州510006

【正文语种】中 文

【中图分类】TU411.7

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