巖土地震工程與土動(dòng)力學(xué)研究

林海 劉良松 鄧建梅

【摘要】在交通業(yè)及能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益發(fā)展的背景下，由于循環(huán)動(dòng)載所造成的工程問(wèn)題使得土動(dòng)力學(xué)及巖土地震工程問(wèn)題十分嚴(yán)峻。在此背景下，有關(guān)研究人員也逐漸提高了對(duì)于這一問(wèn)題的研究力度，本文將簡(jiǎn)要介紹土動(dòng)力學(xué)及巖土地震工程的研究現(xiàn)狀，并將重點(diǎn)放在土的剪切模量、土體地震液化、地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及其抗震設(shè)計(jì)等動(dòng)力學(xué)問(wèn)題上，分析上述領(lǐng)域中的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上指明日后的研究方向。

【關(guān)鍵詞】土動(dòng)力學(xué)；巖土地震工程；動(dòng)本構(gòu)模型；動(dòng)力分析；動(dòng)力測(cè)試

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.121

1、土的動(dòng)剪切模量

針對(duì)地震場(chǎng)地響應(yīng)情況予以分析，土的動(dòng)剪切模量G是其中最為主要的一個(gè)分析參數(shù)，其中包含了最大剪切模量G0及其在應(yīng)變條件下的退化曲線，也即G/G0～γ。在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間中，各國(guó)研究者利用室內(nèi)共振柱試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)剪切波速試驗(yàn)展開了對(duì)于這一內(nèi)容的一系列研究，最終確定了G0的主要影響因素，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。在壓電陶瓷彎曲元源波速測(cè)試技術(shù)高速發(fā)展的背景之下，土體G0的測(cè)試研究工作也實(shí)現(xiàn)了突破。此外，近年來(lái)，學(xué)者普遍開始探索借助離散元方式研究土體動(dòng)剪切模量的方法，試圖基于微觀視角探索其宏觀特性，以此揭示土體模量特性的微觀機(jī)理。

1.1 彎曲元波速試驗(yàn)

此類方法具有一定的速度優(yōu)勢(shì)，且操作相對(duì)便捷，現(xiàn)已經(jīng)在三軸儀等多種土工試驗(yàn)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了充分運(yùn)用，可以針對(duì)土的剪切波速及最大剪切模量予以測(cè)定。利用彎曲元辦法，因?yàn)槭艿搅私鼒?chǎng)效應(yīng)和邊界發(fā)射等多種因素的影響，在一定程度上增加了剪切板傳播時(shí)間的確定難度。在彎曲元試驗(yàn)中，可以通過(guò)多種方式確定S波的傳播時(shí)間，如時(shí)域法、峰值法及初達(dá)波法等。對(duì)于不同情況而言，相應(yīng)的分析方法傳播時(shí)間也會(huì)存在一定的差，其準(zhǔn)確性通常直接取決于所輸出信號(hào)的特性[1]。

1.2 土的最大剪切模量G0

這是當(dāng)前土地狀態(tài)評(píng)測(cè)中最為重要的一項(xiàng)指標(biāo)，可以整體反應(yīng)土體的應(yīng)力狀態(tài)、密實(shí)度及其結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在場(chǎng)地分類、砂土地震液化判別等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了廣泛運(yùn)用。許多研究證實(shí)，G0會(huì)被塑性指數(shù)、有效圍壓、不均勻系數(shù)、時(shí)間效應(yīng)、各向異性及顆粒形狀等多種因素所影響。近年來(lái)，學(xué)者普遍致力于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析視角，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了以土體物理指標(biāo)為基礎(chǔ)的G0預(yù)測(cè)公式，以便在工程項(xiàng)目實(shí)際中予以應(yīng)用。有研究者結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并在此及存儲(chǔ)上提出了以土的基本物理指標(biāo)為前提的，可以適應(yīng)各類土質(zhì)特點(diǎn)的最大初始剪切模量G0。

1.3 土的模量退化曲線

這一曲線主要用于描述G/G0在剪應(yīng)變?chǔ)孟碌淖兓厔?shì)，呈現(xiàn)了歸一化的剪切模量在剪應(yīng)變變化條件的相應(yīng)變化，是用于衡量土體非線性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。目前，世界范圍內(nèi)的該領(lǐng)域?qū)W者都已經(jīng)針對(duì)砂性土及黏性土的模量退化曲線展開了一系列研究，并在此基礎(chǔ)上提出了以雙曲線為背景的經(jīng)驗(yàn)公式。若土質(zhì)為砂性，則其主要體現(xiàn)了細(xì)顆粒含量、不均勻系數(shù)及圍壓的影響；若土質(zhì)為黏性，則主要展現(xiàn)了土體塑性指數(shù)的影響。有研究者開展了大量室內(nèi)試驗(yàn)，并此基礎(chǔ)上分別提出了砂性土及黏性土模量退化曲線。

1.4 土體模量特性的微觀機(jī)理

現(xiàn)階段，研究者為確定土體模量宏觀特性，已經(jīng)進(jìn)行了大量的室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，成功揭示了土體模量的主要影響因素，然而，仍然無(wú)法充分揭示此類因素對(duì)模量特性本質(zhì)機(jī)理的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采取離散元方法，基于微觀尺度展開了對(duì)于砂土動(dòng)力特性的深入探索，并在砂土模量退化、循環(huán)液化及最大剪切模量等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性進(jìn)展。

利用模擬彎曲元波速試驗(yàn)，在較小應(yīng)變條件下采取三軸或單剪試驗(yàn)的方式，可以確定顆粒試樣的最大剪切模量G0，并在此基礎(chǔ)上確定顆粒級(jí)配、圍壓、應(yīng)力歷史、細(xì)顆粒含量、時(shí)間效應(yīng)等因素對(duì)G0的影響。最終確定，決定試樣最大剪切模量G0的最主要因素在于試樣顆粒配位數(shù)及顆粒法向接觸力。而其他各類宏觀因素則會(huì)通過(guò)影響此類微觀因素而發(fā)揮作用。最終研究結(jié)果表明，借助最大剪切模量及剪切波速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于砂土液化和砂土各向異性等多種特性的充分支撐，并為其提供充足的理論支持[2]。

2、土體地震液化

2.1 液化震害及問(wèn)題

近年來(lái)，在世界范圍內(nèi)都發(fā)生了許多次強(qiáng)地震，并帶來(lái)了大量的液化震害。與以往的震害相比，土體地震液化表現(xiàn)出了更為廣闊的液化范圍，且液化變形量更大。在地基液化的影響下，使得震后救援的難度大幅增加，也因此造成了十分嚴(yán)重的人員傷亡，使得房屋損壞問(wèn)題日益嚴(yán)峻。

例如，在2011年日本大地震中，日本東北及關(guān)東地區(qū)都發(fā)生了大規(guī)模的液化震害，此次液化震害范圍已經(jīng)覆蓋了從南部海岸線到巖手縣這一線路全線，其長(zhǎng)度可達(dá)500千米，是所有記錄中震害范圍最大的一種液化震害記錄。由于本次地震液化災(zāi)害，使得公路、通訊設(shè)施及電塔中的損失十分嚴(yán)重，同時(shí)，由于液化后土體已經(jīng)基本喪失了其承載力，導(dǎo)致地下涌出的泥沙和水已經(jīng)大量覆蓋到了城市路面之中，進(jìn)而影響了救災(zāi)人員及車輛的日常行動(dòng)，也因此增加了災(zāi)后救援工作的難度。

又以2018年印度尼西亞蘇拉威西省帕盧地區(qū)7.4級(jí)地震為例，由于地震砂土的側(cè)向拓展，使得基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生了大面積損毀，且人員傷亡問(wèn)題十分嚴(yán)重，砂土液化的最大側(cè)向位移量已經(jīng)達(dá)到了2.4千米。同時(shí)，在貝托波和巴拉亞羅兩個(gè)片區(qū)內(nèi)都被液化土體夷化，并將其夷為平地，已有約5000人發(fā)生了液化側(cè)向拓展，進(jìn)而損毀并吞噬了大量房屋，使得房屋被掩埋而失蹤。

2.2 液化判別

近段時(shí)間以來(lái)，在液化判別領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)在于確定黏含量及土體初始狀態(tài)在液化過(guò)程中的影響。有研究者針對(duì)土耳其Kocaeli地震中液化土體問(wèn)題進(jìn)行了深入探索，同時(shí)，利用循環(huán)剪切試驗(yàn)確定了造成土體液化的決定性因素，也即黏力的種類及數(shù)量。也有研究者做了68組動(dòng)三軸試驗(yàn)，并以此為前提構(gòu)建了一個(gè)可以判定黏粒含量的液化標(biāo)準(zhǔn)，而利用這一標(biāo)準(zhǔn)，可以相應(yīng)區(qū)分具有完整強(qiáng)度的土體液化現(xiàn)象。同時(shí)，由于黏力的強(qiáng)度尚未喪失，且造成了大面積的土體液化，因此，需要基于實(shí)際震害數(shù)據(jù)的視角予以分析，充分關(guān)注液化判別方法中的實(shí)際黏粒含量。

有研究者針對(duì)中國(guó)規(guī)范方法及NCEER推薦方法進(jìn)行了全面回顧，同時(shí)，結(jié)合1999年臺(tái)灣地震液化土基非液化土數(shù)據(jù)，確定了綜合細(xì)粒的實(shí)際含量及黏粒含量狀態(tài)，最終得出結(jié)論：與單獨(dú)使用某一指標(biāo)相比，綜合利用細(xì)粒含量及黏粒含量確定液化類別是一種更為穩(wěn)妥的分析方法。也有研究者收集了大量場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)，并結(jié)合場(chǎng)地的實(shí)際液化狀態(tài)構(gòu)建了以修正剪切波速及地表峰值加速度相關(guān)的液化臨界曲線，同時(shí)，也確定了液化臨界曲線在細(xì)粒含量中的相應(yīng)位置，希望可以切實(shí)提升上覆壓力的穩(wěn)定性，讓震級(jí)取值的合理性得到有效保障。此外，該研究也分析了估計(jì)土層循環(huán)應(yīng)力在CSR中的剪應(yīng)力折減系數(shù)和震級(jí)標(biāo)定系數(shù)，并據(jù)此確定上覆壓力修正系數(shù)等因素在液化臨界曲線中的作用。

2.3 砂土液化本構(gòu)模型

針對(duì)循環(huán)荷載環(huán)境中的飽和砂土應(yīng)力狀態(tài)予以描述，并在應(yīng)力響應(yīng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建本構(gòu)模型。大量飽和砂土不排水循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果表明，在初始液化處理后，只要砂土到達(dá)了相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)，便可以出現(xiàn)一定的剪應(yīng)變，而此部分的剪應(yīng)變則是造成砂土液化變形的主要影響因素。早期飽和砂土循環(huán)本構(gòu)模型主要用于處理不排水循環(huán)加載環(huán)境中的模擬，可以據(jù)此確定砂土的有效應(yīng)力變化情況，然而，仍然難以充分適應(yīng)初始液化后的砂土力學(xué)特性。在砂土液化初始液化處理能力日益提升的背景下，砂土力學(xué)行為機(jī)理研究已經(jīng)得到了一定拓展，并在此基礎(chǔ)上展開了對(duì)于砂土液化初始液化變形的深入探索，針對(duì)液化砂土大剪應(yīng)變的合理性進(jìn)行了充分描述，并將其作為砂土液化本構(gòu)模型研究的重點(diǎn)。

3、地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及其抗震設(shè)計(jì)

3.1 地下結(jié)構(gòu)建設(shè)與震害

我國(guó)城市地鐵、地下綜合體及地下停車場(chǎng)地下結(jié)構(gòu)建設(shè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了迅猛發(fā)展，由于地下空間相對(duì)較為豐富，使得地下結(jié)構(gòu)往往難以充分適應(yīng)可液化土等抗震不利的地層環(huán)境。在數(shù)次地震的影響下，因不同結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的實(shí)際震害為地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究提供了十分寶貴的資料。

以1995年日本阪神地震為例，由于本次地震所引起的地層液化在地下結(jié)構(gòu)震害十分嚴(yán)峻的情況下，使得多數(shù)抗震研究人員都在這一領(lǐng)域開展了地下結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律及機(jī)理的深入研究。在2011年?yáng)|日本地震中，因?yàn)榈卣鹗沟脰|京灣及利根川和漫灘周邊都發(fā)生了大面積底層液化，使得該區(qū)域范圍中的部分地下導(dǎo)管廊和地下停車場(chǎng)都出現(xiàn)了上浮破壞問(wèn)題，使得上浮量已經(jīng)超出了60厘米，使得地下輸水管線系統(tǒng)破損十分嚴(yán)重。此外，因?yàn)榇罅咳斯へQ井嚴(yán)重上浮，并造成了一定破壞，使得其個(gè)別上浮量已經(jīng)超出了150厘米。

2010年，智利Maule發(fā)生了8.8級(jí)大地震，且在局部區(qū)域中表現(xiàn)出一定的場(chǎng)地噴砂冒水液化問(wèn)題，使得地下管線及涵洞大面積破壞，且地下污水池大面積上浮，導(dǎo)致地下設(shè)施破損問(wèn)題十分嚴(yán)重。

這一系列地震災(zāi)害表明，必須針對(duì)地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)機(jī)理展開深入探索，以促進(jìn)抗震設(shè)計(jì)水平提升。

3.2 地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)試驗(yàn)研究

由于地震的突發(fā)性特點(diǎn)，在一定程度上增加了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)測(cè)量的難度，往往只能借助震后災(zāi)害調(diào)查展開對(duì)于具體破壞情況的總結(jié)。為此，在地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)工作中往往關(guān)注大型振動(dòng)臺(tái)及離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)工作。近段時(shí)間以來(lái)，我國(guó)學(xué)者始終致力于這一研究，將地鐵隧道及地下車站作為主要的研究背景，并在此基礎(chǔ)上開展了一系列振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。

有研究者開展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，將石膏和鍍鋅鋼絲作為工具，并借此模擬了縮尺的三層三跨地下車站結(jié)構(gòu)，針對(duì)可液化地層之中的地下結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了深入研究。也有研究者開展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)震動(dòng)幅值的控制，確定了可液化地層在不同液化水平下的地下車站結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)條件。另有研究者結(jié)合西北黃土地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)抗震狀態(tài)實(shí)施了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明，針對(duì)可液化地基及軟土地基地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以明確地震損傷的實(shí)際發(fā)展過(guò)程和相應(yīng)的破壞機(jī)理，以確定地下結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié)。在離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)工作中，研究者利用具備透明視窗結(jié)構(gòu)的剛性鋁盒展開了對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的模擬，同時(shí)，配備相應(yīng)的高速攝像機(jī)及圖像位移處理程序，結(jié)合地震作用下造成的土體動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上展開了全面細(xì)致的分析。

3.3 地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法

常用的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法主要包含分類，分別為基于位移、荷載的簡(jiǎn)化方法及動(dòng)力時(shí)程相互作用分析方法?；诤奢d的簡(jiǎn)化方法通常將地震系數(shù)作為代表，其分析思路與地面結(jié)構(gòu)分析相似，盡管此方法相對(duì)簡(jiǎn)單且便于操作，但是該方法在概念意義上存在一定的缺陷。若隧道的埋深過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)在一定程度上影響計(jì)算結(jié)果與實(shí)際震害之間的契合情況?，F(xiàn)階段，盡管這一方法已經(jīng)在部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中得到了運(yùn)用，但是在最近的規(guī)范中已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)這一方法，需要積極探索全新的抗震分析辦法[3]。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，由于土動(dòng)力學(xué)及巖土抗震領(lǐng)域有著十分豐富的研究課題，且該領(lǐng)域中的研究普遍具有十分突出的應(yīng)用價(jià)值。為此，現(xiàn)階段巖土工程領(lǐng)域的學(xué)者都提高了對(duì)于土動(dòng)力學(xué)及巖土抗震工程的研究力度，在多年的持續(xù)努力之下，世界范圍內(nèi)與土動(dòng)力學(xué)及巖土地震工程相關(guān)的理論研究都已經(jīng)得到了突破性進(jìn)展，無(wú)論是研究方法還是實(shí)際應(yīng)用都已經(jīng)逐漸趨于成熟。然而，由于該問(wèn)題自身相對(duì)較為復(fù)雜，且研究人員普遍缺乏對(duì)于強(qiáng)地震環(huán)境下土體及各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的深刻認(rèn)知，未能具備良好的抗震安全評(píng)價(jià)能力，因此往往難以充分適應(yīng)工程建設(shè)及防災(zāi)減災(zāi)工作的實(shí)際需求，在一定程度上限制了這一領(lǐng)域的發(fā)展，需要研究人員在未來(lái)就此類問(wèn)題進(jìn)行深入探索。

參考文獻(xiàn)：

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