地震荷載下遼西飽和粉土液化特性分析

李永靖, 馬曉濤，邢 洋，郝連學(xué)

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000 ； 2. 阜新市公路管理處，遼寧 阜新 123000 )

地震荷載下遼西飽和粉土液化特性分析

李永靖1, 馬曉濤1，邢 洋1，郝連學(xué)2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000 ； 2. 阜新市公路管理處，遼寧 阜新 123000 )

地震荷載作用引起的粉土液化是路基抗震設(shè)計的重要問題。通過動三軸試驗研究了不同圍壓、動剪應(yīng)力條件下遼西地區(qū)飽和粉土的液化特性，并利用應(yīng)變孔壓模型對遼西飽和粉土路基進行了液化特性的數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：圍壓條件一定時，動剪應(yīng)力與液化振次呈雙曲線關(guān)系；抗震設(shè)防烈度為7度時，超越概率63.5%和10%的地震荷載不能使遼西飽和粉土發(fā)生液化，而超越概率2%時液化深度約為5 m左右，這為粉土路基抗震設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。

地震荷載；飽和粉土；應(yīng)變孔壓模型；液化特性；數(shù)值模擬

0 引言

粉土是一種以低液限為主的風(fēng)積土[1]，粉粒含量在60%以上，天然含水率在10%～20%，天然密度在1.45～1.70 g/cm3，孔隙比e一般在1.0以上，且具有較高的壓縮性，不能成為良好的路基材料；由于遼西地區(qū)粉土較多，隨著高速公路、鐵路的不斷涌現(xiàn)，研究遼西粉土路基抗震液化特性成為重要的理論與實踐問題[2]。

遼西粉土由于毛細(xì)管較發(fā)育、滲透系數(shù)高和粒徑均勻等特性，在隨機地震荷載作用下容易發(fā)生液化現(xiàn)象。遼西粉土液化特性不同于飽和砂土液化特性[3]，不會完全喪失承載能力，但由于孔隙水壓力不斷上升，有效應(yīng)力降低，所以承載力會有較大損失，致使建筑物容易傾斜、甚至倒塌。目前，學(xué)者們一般直接采用地震特征參數(shù)如加速度峰值、持時和卓越頻率進行土體動力響應(yīng)分析，這可以得到較為可靠的數(shù)據(jù)。國外學(xué)者Seed等[4]采用動三軸儀研究了飽和砂土的液化特性，使人們逐漸認(rèn)識到研究土體液化特性的重要性。張建民等[5]研究了飽和砂土液化剪應(yīng)變與體積應(yīng)變的關(guān)系，建立了飽和砂土液化彈塑性本構(gòu)模型。近年來，飽和砂土液化特性研究較多，成果較為豐富，對飽和粉土研究相對較少[6-8]。陳育民等[9]采用數(shù)值分析和小型振動臺試驗兩種方法，研究了孔隙水壓力發(fā)展情況，得到了有益的規(guī)律。FINN等[10]認(rèn)為研究土體液化的重點在于找到合適的孔壓模型，提出了一種孔壓增量與其體積應(yīng)變增量關(guān)系的模型。常方強等[11]通過動三軸試驗，研究了黃河口地區(qū)不同強度粉土的液化特性。嚴(yán)棟[12]、景立平[13]等也對不同地區(qū)粉土進行了液化特性的分析，得到了一些有益結(jié)論。

本文針對遼西地區(qū)粉土進行了室內(nèi)動三軸試驗和地震荷載下粉土路基液化特性數(shù)值分析研究，得到了一些有意義的結(jié)論，為遼西地區(qū)粉土抗震設(shè)計提供了參考。

1 遼西地區(qū)粉土液化強度試驗

1.1試驗材料

本次室內(nèi)動三軸試驗所用遼西粉土取自阜新市玉龍新城，試驗試樣為重塑土試樣，遼西粉土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 遼西粉土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of silt

1.2試驗過程

首先將重塑粉土試樣用橡皮膜包囊并經(jīng)飽和處理，放入動三軸儀的壓力室中，通過壓力室中的介質(zhì)(水)向試樣施加周圍壓力σ3C，待試樣固結(jié)穩(wěn)定后，施加正弦循環(huán)動荷載，記錄粉土試樣的動應(yīng)變、動孔壓和動應(yīng)力等數(shù)據(jù)，試驗分組情況見表2，每組4個試樣，進行不同動荷載試驗，控制試樣孔隙比e分別為0.8、1.0和1.2時進行試驗。當(dāng)動孔壓比ud/σ3C為0.8時認(rèn)為粉土已經(jīng)液化。

表2 試驗分組情況Table 2 The group of the test

1.3結(jié)果分析

遼西粉土具有級配差、滲透能力低和水穩(wěn)性較差等特點，因此，處于地下水位以下的遼西粉土路基，容易在地震荷載等動荷載作用下發(fā)生液化。地震液化時，路基將產(chǎn)生很大變形，嚴(yán)重影響救援速度和交通安全。路基在地震荷載作用下，不同土層將產(chǎn)生大小不等的動剪應(yīng)力，按照公式(1)和(2)可將不規(guī)則的動剪應(yīng)力換算成等效動剪應(yīng)力，從而得到不同深度、不同超越概率(設(shè)抗震設(shè)防烈度7度)條件下等效均勻地震剪應(yīng)力(表3)。遼西地區(qū)粉土路基對應(yīng)的場地類別為Ⅲ類，場地特征周期值為0.55 s，持續(xù)時間為20 s，當(dāng)抗震設(shè)防烈度7度時，50年地震發(fā)生概率為63.5%、10%和2%時對應(yīng)的地震波加速度峰值分別為0.08g、0.23g和0.50g。

不規(guī)則動剪應(yīng)力見式(1)：

(1)

式中：τmax——最大動剪應(yīng)力；

γd——隨深度的折減系數(shù)；

αmax——最大加速度；

g——重力加速度。

換算等效均勻地震剪應(yīng)力見式(2)：

(2)

表3 等效均勻地震剪應(yīng)力(單位：kPa)Table 3 The equivalent seismic shear stress

試驗得到不同孔隙比e、不同圍壓σ3C情況下遼西粉土抗液化強度曲線見圖1。由圖1(a)看出：隨著動剪應(yīng)力τd的減小，遼西粉土抗液化振次Nf不斷增加，呈雙曲線形式；說明隨著動剪應(yīng)力τd的減小，遼西粉土抗液化能力不斷增加。比較圖1(a)中不同孔隙比e條件下遼西粉土抗液化強度曲線得出：隨著孔隙比e的增加，抗液化能力不斷增強，因此工程上應(yīng)該嚴(yán)格控制粉土的孔隙比e。且對比圖1(a)、(b)和(c)還發(fā)現(xiàn)：隨圍壓的不斷增大，使粉土發(fā)生液化的動剪應(yīng)力也應(yīng)不斷提高。由圖1還可看出：在抗震設(shè)防烈度為7度條件下，50年的超越概率為63.5%的地震荷載不能使粉土發(fā)生液化，50年的超越概率為10%的地震荷載可能使粉土發(fā)生液化，50年的超越概率為2%的地震荷載可以使粉土發(fā)生液化，三種情況引起的粉土液化程度呈遞進關(guān)系。

圖1 遼西粉土抗液化強度

2 遼西地區(qū)粉土液化動力響應(yīng)

2.1數(shù)值模擬過程

FLAC3D有限差分軟件能進行流體力學(xué)和固體力學(xué)的耦合分析，所以可進行動荷載作用下粉土路基的液化動力特性分析。在流固耦合分析中，孔隙水壓力的變化會導(dǎo)致固體體積變形，反之固體體積變形也會影響孔隙水壓力的發(fā)展與消散。分析流程如下：建立有限元分析模型、定義材料模型和參數(shù)以及設(shè)定邊界條件和初始條件，分析過程見圖2。分析所采用的地震波以txt文檔形式導(dǎo)入，數(shù)據(jù)點為2 178個，相鄰數(shù)據(jù)點時間間隔為0.009 16 s，持續(xù)時間為20 s，地震加速度時程曲線見圖3。

圖2 遼西飽和粉土液化響應(yīng)分析流程

圖3 地震加速度時程曲線

2.2模型建立及參數(shù)選取

以遼西某粉土路基為實例，該粉土路基的橫斷面和初始孔隙水壓力分布情況見圖4。材料選取參數(shù)見表4，該模型x方向長度取30 m，y方向長度取30 m，z方向高度取15 m。

圖4 數(shù)值模型和初始孔隙水壓力分布情況

2.3粉土土體阻尼

阻尼是巖土結(jié)構(gòu)動力分析時基本參數(shù)，因此，只有準(zhǔn)確地考慮阻尼的影響，才能得到較為精確的結(jié)果。本次數(shù)值模擬采用常用的瑞利阻尼，其表達(dá)方程見式(3)：

C=αM+βK

(3)

其中：C——材料阻尼矩陣；

α——與質(zhì)量有關(guān)的系數(shù)；

M——材料質(zhì)量矩陣；

β——與剛度有關(guān)的系數(shù)；

K——剛度矩陣。

本次數(shù)值模擬α取0.05，β取0.2。

2.4邊界條件選取原則

在進行動荷載作用下粉土液化動力特性響應(yīng)分析時，模型邊界條件的選擇對數(shù)值分析有較大影響，這是因為動荷載是地震波，波在傳播的過程中遇到邊界面會發(fā)生反射，這會嚴(yán)重影響動力響應(yīng)分析結(jié)果的可靠性。使用FLAC3D處理邊界條件的方法包括以下兩種：(1)采用增加模型尺寸的方法，模型尺寸增加后，可以有效減少反射的干擾，但大大增加了計算工作量；(2)采用變換邊界的方法，即采用可以吸收邊界界面反射波的自由場邊界。本次數(shù)值模擬計算分析采用變換邊界方法，可以吸收地震波施加粉土界面引起的反射波。

表4 遼西地區(qū)粉土物理力學(xué)參數(shù)Table 4 The physical and mechanical parameters of liaoxi silt

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1孔隙水壓力分析

圖5為數(shù)值模擬獲得的不同超越概率地震荷載作用下，路基土體不同深度處動孔壓比(即動孔隙水壓力與有效應(yīng)力比值)隨時間變化關(guān)系曲線。由圖5看出：地震荷載作用起始階段，動孔壓比基本為零，說明土體變形較輕微，動孔隙水壓力基本沒有發(fā)生；隨地震荷載作用時間的持續(xù)增長和地震波加速度越來越大，動孔壓比也隨著快速升高，路基土體逐漸液化、失穩(wěn)，并有可能瞬間破壞；在地震波荷載作用的后期，由于孔隙水逐漸被排除，土體骨架重新接觸而承擔(dān)壓力，因此孔隙水壓力逐漸減小，但從圖5中也可看出，在整個地震荷載作用結(jié)束后，孔隙水壓力仍然沒有完全消失，說明孔隙水壓力的消散需要較長時間。對比圖5(a)、(d)、(g)和(j)看出：隨著路基土體深度的增加，動孔壓比的峰值越來越小，說明隨著粉土深度的增加，土體的有效圍壓也增加，發(fā)生液化的可能性越來越小。對比圖5(d)、(e)和(f)發(fā)現(xiàn)：隨著超越概率越來越小，土體發(fā)生液化的可能性逐漸增加。前述認(rèn)為當(dāng)動孔壓比達(dá)到0.8時土體已發(fā)生液化，因此從圖5中看出，50年的超越概率2%時，7度設(shè)防地震荷載作用下遼西地區(qū)粉土路基發(fā)生液化的深度為5 m，而超越概率為10%和63.5%時，則沒有發(fā)生液化。對比圖5發(fā)現(xiàn)：路基淺層土體的孔隙水壓力增長較為迅速，消散也較為快速；路基深層土體孔隙水壓力增長較為緩慢，消散也較為緩慢；路基中層土體則介于兩者之間，說明孔隙水壓力隨路基土體深度的有效圍壓增加而增大，與試驗結(jié)果相符。

3.2地表位移分析

圖6為不同超越概率地震荷載作用下，路基土體表面沉降位移隨時間變化關(guān)系曲線。由圖6看出：在地震荷載作用的起始階段，路基土體表面基本沒有發(fā)生位移沉降，隨著持時的增長，路基土體表面開始發(fā)生沉降，并在某一瞬時發(fā)生較大的突然沉降，但最終沉降量都會恢復(fù)一些，并留下殘余變形。對比圖6(a)、(b)和(c)發(fā)現(xiàn)：隨著超越概率的減小，路基土體表面的最大沉降位移越大，并且殘余變形也越大，說明隨著地震荷載的增大，路基土體破壞越嚴(yán)重。

圖5 動孔壓比曲線

圖6 地震荷載下地表沉降位移隨時間變化關(guān)系

4 結(jié)論

對遼西地區(qū)粉土進行了地震液化特性分析，并與試驗結(jié)果進行了對比，得到主要結(jié)論如下：

(1)通過動三軸試驗，獲得了粉土抗液化強度變化曲線，結(jié)果表明在不同圍壓、不同孔隙比情況下，動剪應(yīng)力幅值與液化振次近似呈雙曲線關(guān)系。

(2)粉土液化特性響應(yīng)分析結(jié)果表明：抗震設(shè)防烈度為7度時，50年的超越概率為63.5%和10%的地震波荷載不能使粉土發(fā)生液化，而50年的超越概率為2%的地震波荷載一定能使粉土發(fā)生液化，且液化深度約為5 m左右。

(3)動孔壓比曲線分析表明：地震荷載作用下，粉土路基孔隙水壓力會經(jīng)過產(chǎn)生、發(fā)展和消散三個階段，但消散需要較長時間。

[1] 張向東, 劉功勛, 于 崇, 等. 遼西地區(qū)風(fēng)積土結(jié)構(gòu)特性試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(3): 691-695.

ZHANG Xiangdong, LIU Gongxun, YU Chong, et al. Testing study on structural character of aeolian soil in western area of Liaoning Province[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(3): 691-695.

[2] 王亞軍, 金峰, 張楚漢, 等. 舟山海域海相砂土循環(huán)激振下的液化破壞孔壓模型[J]. 巖石力學(xué)與工程報, 2013, 32(3): 582-597.

WANG Yajun, JIN Feng, ZHANG Chuhan, et al. Liquefaction failure pore-pressure models of zhoushan marine sandy soil under cyclic exciting loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(3): 582-597.

[3] 劉漢龍, 曾長女, 周云東. 飽和粉土液化后變形特性試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(9): 1866-1870.

LIU Hanlong, ZENG Changnyu, ZHOU Yundong. Test study on post-liquefaction deformation behavior of silt ground[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(9): 1866-1870.

[4] SEED H B, IDRISS I M, ARANGO I. Evaluation of liquefaction potential using field performance data[J]. J. of Geotechnical Engineering, ASCE, 1983, 109(GT3): 458-482.

[5] 張建民, 王 剛. 砂土液化后大變形的機理[J]. 巖土工程學(xué)報, 2006, 28(7): 835-840.

ZHANG Jianmin, WANG Gang. Mechanism of large post-liquefaction deformation in saturated sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(7): 835-840.

[6] 姚運生, 景立平, 黃江, 等. 徐州市棠張鎮(zhèn)鐵路路基液化性能研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2004, 23(17): 2959-2965.

YAO Yunsheng, JING Liping, HUANG Jiang, et al. Research on behavior of soil liquefaction for the roadbed of railroad in Tangzhang Town,Xuzhou City[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(17): 2959-2965.

[7] 王 剛, 張建民. 砂土液化變形的數(shù)值模擬[J]. 巖土工程學(xué)報, 2007, 29(3):403-409.

WANG Gang, ZHANG Jianmin. Numerical modeling of liquefaction-induced deformation in sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(3):403-409.

[8] 周 健, 楊永香, 劉 洋, 等. 循環(huán)荷載下砂土液化特性顆粒流數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(4): 1083-1088.

ZHOU Jian, YANG Yongxiang, LIU Yang, et al. Numerical modeling of sand liquefaction behavior under cyclic loading[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(4): 1083-1088.

[9] 陳育民, 劉漢龍, 趙 楠. 抗液化剛性排水樁振動臺試驗的數(shù)值模擬研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2010, 43(12): 114-119.

CHEN Yumin, LIU Hanlong, ZHAO Nan. Laboratory test on anti-liquefaction characteristics of rigidity-drain pile[J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(12): 114-119.

[10] FINN W D L, BHATIA S K. Prediction of Seismic Pore Pressures[C]. On Soil Mechanics and Foundations Division, Rotterdam, The Netherlands, 1981(3): 202-206.

[11] 常方強, 賈永剛. 黃河口不同強度粉土液化特性的試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(9): 2692-2696.

CHANG Fangqiang, JIA Yonggang. Liquefaction characteristics of silts with different strengths at Yellow River estuary[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(9): 2692-2696.

[12] 嚴(yán) 棟, 蔣關(guān)魯, 劉先峰, 等. 京滬高速鐵路飽和粉土液化特性試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(12): 3337-3341.

YAN Dong, JIANG Guanlu, LIU Xianfeng,et al. Experimental research on liquefaction behavior of saturated silt for Beijing-Shanghai High-speed Railway[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(12): 3337-3341.

[13] 景立平, 崔 杰, 李立云, 等. 徐州市棠張鎮(zhèn)飽和粉土液化性能試驗研究[J]. 地震工程與工程振動, 2004, 24(6): 160-164.

JING Liping, CUI Jie, LI Liyun, et al. Experimental study on liquefaction behavior of saturated silt in Tangzhang Town, Xuzhou City[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2004, 24(6): 160-164.

LiquefactionbehaviorofsaturatedsiltunderseismicloadinwestemLiaoning

LI Yongjing1,MA Xiaotao1,XING Yang1,HAO Lianxue2

(1.InstituteofCivilEngineeringandTransportation,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin,Liaoning123000,China
2.AdministrationofFuxinHighway,Fuxin,Liaoning123000,China)

The liquefaction behavior of saturated silt under seismic loads is an important engineering problem of seismic design. Based on laboratory dynamic triaxial tests, confining pressure and dynamic shear stress was take into account when the liquefaction behavior of saturated silt in western area of Liaoning Province was studied. The numerical analysis of the liquefaction behavior of saturated silt was carried by a strain pore pressure model. The results showed that the relation between dynamic shear stress and liquefaction vibration times was hyperbola curve. When the fortification intensity is 7, the 63.5% and 10% probability of exceedance of seismic load can not make liquefied silt.And 2% probability of exceedance induced liquefaction depth of 5 m. The results would provide engineering practical values.

seismic load; saturated silt; strain pore pressure model; liquefaction characteristics; numerical simulation

TU 443

A

1003-8035(2017)03-0111-06

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.17

2016-11-14;

2016-12-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51274111)；遼寧省教育廳基金項目(L2013137)

李永靖(1976-)，男，山東煙臺人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土木工程方面的教學(xué)和科研工作。E-mail: lyjsdyt@126.com