地震荷载下辽西饱和粉土液化特性分析

李永靖, 马晓涛，邢 洋，郝连学

(1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新 123000 ； 2. 阜新市公路管理处，辽宁 阜新 123000 )

地震荷载下辽西饱和粉土液化特性分析

李永靖1, 马晓涛1，邢 洋1，郝连学2

(1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新 123000 ； 2. 阜新市公路管理处，辽宁 阜新 123000 )

地震荷载作用引起的粉土液化是路基抗震设计的重要问题。通过动三轴试验研究了不同围压、动剪应力条件下辽西地区饱和粉土的液化特性，并利用应变孔压模型对辽西饱和粉土路基进行了液化特性的数值模拟分析。结果表明：围压条件一定时，动剪应力与液化振次呈双曲线关系；抗震设防烈度为7度时，超越概率63.5%和10%的地震荷载不能使辽西饱和粉土发生液化，而超越概率2%时液化深度约为5 m左右，这为粉土路基抗震设计提供了一定的参考依据。

地震荷载；饱和粉土；应变孔压模型；液化特性；数值模拟

0 引言

粉土是一种以低液限为主的风积土[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，且具有较高的压缩性，不能成为良好的路基材料；由于辽西地区粉土较多，随着高速公路、铁路的不断涌现，研究辽西粉土路基抗震液化特性成为重要的理论与实践问题[2]。

辽西粉土由于毛细管较发育、渗透系数高和粒径均匀等特性，在随机地震荷载作用下容易发生液化现象。辽西粉土液化特性不同于饱和砂土液化特性[3]，不会完全丧失承载能力，但由于孔隙水压力不断上升，有效应力降低，所以承载力会有较大损失，致使建筑物容易倾斜、甚至倒塌。目前，学者们一般直接采用地震特征参数如加速度峰值、持时和卓越频率进行土体动力响应分析，这可以得到较为可靠的数据。国外学者Seed等[4]采用动三轴仪研究了饱和砂土的液化特性，使人们逐渐认识到研究土体液化特性的重要性。张建民等[5]研究了饱和砂土液化剪应变与体积应变的关系，建立了饱和砂土液化弹塑性本构模型。近年来，饱和砂土液化特性研究较多，成果较为丰富，对饱和粉土研究相对较少[6-8]。陈育民等[9]采用数值分析和小型振动台试验两种方法，研究了孔隙水压力发展情况，得到了有益的规律。FINN等[10]认为研究土体液化的重点在于找到合适的孔压模型，提出了一种孔压增量与其体积应变增量关系的模型。常方强等[11]通过动三轴试验，研究了黄河口地区不同强度粉土的液化特性。严栋[12]、景立平[13]等也对不同地区粉土进行了液化特性的分析，得到了一些有益结论。

本文针对辽西地区粉土进行了室内动三轴试验和地震荷载下粉土路基液化特性数值分析研究，得到了一些有意义的结论，为辽西地区粉土抗震设计提供了参考。

1 辽西地区粉土液化强度试验

1.1试验材料

本次室内动三轴试验所用辽西粉土取自阜新市玉龙新城，试验试样为重塑土试样，辽西粉土物理力学参数见表1。

表1 辽西粉土物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of silt

1.2试验过程

首先将重塑粉土试样用橡皮膜包囊并经饱和处理，放入动三轴仪的压力室中，通过压力室中的介质(水)向试样施加周围压力σ3C，待试样固结稳定后，施加正弦循环动荷载，记录粉土试样的动应变、动孔压和动应力等数据，试验分组情况见表2，每组4个试样，进行不同动荷载试验，控制试样孔隙比e分别为0.8、1.0和1.2时进行试验。当动孔压比ud/σ3C为0.8时认为粉土已经液化。

表2 试验分组情况Table 2 The group of the test

1.3结果分析

辽西粉土具有级配差、渗透能力低和水稳性较差等特点，因此，处于地下水位以下的辽西粉土路基，容易在地震荷载等动荷载作用下发生液化。地震液化时，路基将产生很大变形，严重影响救援速度和交通安全。路基在地震荷载作用下，不同土层将产生大小不等的动剪应力，按照公式(1)和(2)可将不规则的动剪应力换算成等效动剪应力，从而得到不同深度、不同超越概率(设抗震设防烈度7度)条件下等效均匀地震剪应力(表3)。辽西地区粉土路基对应的场地类别为Ⅲ类，场地特征周期值为0.55 s，持续时间为20 s，当抗震设防烈度7度时，50年地震发生概率为63.5%、10%和2%时对应的地震波加速度峰值分别为0.08g、0.23g和0.50g。

不规则动剪应力见式(1)：

(1)

式中：τmax——最大动剪应力；

γd——随深度的折减系数；

αmax——最大加速度；

g——重力加速度。

换算等效均匀地震剪应力见式(2)：

(2)

表3 等效均匀地震剪应力(单位：kPa)Table 3 The equivalent seismic shear stress

试验得到不同孔隙比e、不同围压σ3C情况下辽西粉土抗液化强度曲线见图1。由图1(a)看出：随着动剪应力τd的减小，辽西粉土抗液化振次Nf不断增加，呈双曲线形式；说明随着动剪应力τd的减小，辽西粉土抗液化能力不断增加。比较图1(a)中不同孔隙比e条件下辽西粉土抗液化强度曲线得出：随着孔隙比e的增加，抗液化能力不断增强，因此工程上应该严格控制粉土的孔隙比e。且对比图1(a)、(b)和(c)还发现：随围压的不断增大，使粉土发生液化的动剪应力也应不断提高。由图1还可看出：在抗震设防烈度为7度条件下，50年的超越概率为63.5%的地震荷载不能使粉土发生液化，50年的超越概率为10%的地震荷载可能使粉土发生液化，50年的超越概率为2%的地震荷载可以使粉土发生液化，三种情况引起的粉土液化程度呈递进关系。

图1 辽西粉土抗液化强度

2 辽西地区粉土液化动力响应

2.1数值模拟过程

FLAC3D有限差分软件能进行流体力学和固体力学的耦合分析，所以可进行动荷载作用下粉土路基的液化动力特性分析。在流固耦合分析中，孔隙水压力的变化会导致固体体积变形，反之固体体积变形也会影响孔隙水压力的发展与消散。分析流程如下：建立有限元分析模型、定义材料模型和参数以及设定边界条件和初始条件，分析过程见图2。分析所采用的地震波以txt文档形式导入，数据点为2 178个，相邻数据点时间间隔为0.009 16 s，持续时间为20 s，地震加速度时程曲线见图3。

图2 辽西饱和粉土液化响应分析流程

图3 地震加速度时程曲线

2.2模型建立及参数选取

以辽西某粉土路基为实例，该粉土路基的横断面和初始孔隙水压力分布情况见图4。材料选取参数见表4，该模型x方向长度取30 m，y方向长度取30 m，z方向高度取15 m。

图4 数值模型和初始孔隙水压力分布情况

2.3粉土土体阻尼

阻尼是岩土结构动力分析时基本参数，因此，只有准确地考虑阻尼的影响，才能得到较为精确的结果。本次数值模拟采用常用的瑞利阻尼，其表达方程见式(3)：

C=αM+βK

(3)

其中：C——材料阻尼矩阵；

α——与质量有关的系数；

M——材料质量矩阵；

β——与刚度有关的系数；

K——刚度矩阵。

本次数值模拟α取0.05，β取0.2。

2.4边界条件选取原则

在进行动荷载作用下粉土液化动力特性响应分析时，模型边界条件的选择对数值分析有较大影响，这是因为动荷载是地震波，波在传播的过程中遇到边界面会发生反射，这会严重影响动力响应分析结果的可靠性。使用FLAC3D处理边界条件的方法包括以下两种：(1)采用增加模型尺寸的方法，模型尺寸增加后，可以有效减少反射的干扰，但大大增加了计算工作量；(2)采用变换边界的方法，即采用可以吸收边界界面反射波的自由场边界。本次数值模拟计算分析采用变换边界方法，可以吸收地震波施加粉土界面引起的反射波。

表4 辽西地区粉土物理力学参数Table 4 The physical and mechanical parameters of liaoxi silt

3 数值模拟结果分析

3.1孔隙水压力分析

图5为数值模拟获得的不同超越概率地震荷载作用下，路基土体不同深度处动孔压比(即动孔隙水压力与有效应力比值)随时间变化关系曲线。由图5看出：地震荷载作用起始阶段，动孔压比基本为零，说明土体变形较轻微，动孔隙水压力基本没有发生；随地震荷载作用时间的持续增长和地震波加速度越来越大，动孔压比也随着快速升高，路基土体逐渐液化、失稳，并有可能瞬间破坏；在地震波荷载作用的后期，由于孔隙水逐渐被排除，土体骨架重新接触而承担压力，因此孔隙水压力逐渐减小，但从图5中也可看出，在整个地震荷载作用结束后，孔隙水压力仍然没有完全消失，说明孔隙水压力的消散需要较长时间。对比图5(a)、(d)、(g)和(j)看出：随着路基土体深度的增加，动孔压比的峰值越来越小，说明随着粉土深度的增加，土体的有效围压也增加，发生液化的可能性越来越小。对比图5(d)、(e)和(f)发现：随着超越概率越来越小，土体发生液化的可能性逐渐增加。前述认为当动孔压比达到0.8时土体已发生液化，因此从图5中看出，50年的超越概率2%时，7度设防地震荷载作用下辽西地区粉土路基发生液化的深度为5 m，而超越概率为10%和63.5%时，则没有发生液化。对比图5发现：路基浅层土体的孔隙水压力增长较为迅速，消散也较为快速；路基深层土体孔隙水压力增长较为缓慢，消散也较为缓慢；路基中层土体则介于两者之间，说明孔隙水压力随路基土体深度的有效围压增加而增大，与试验结果相符。

3.2地表位移分析

图6为不同超越概率地震荷载作用下，路基土体表面沉降位移随时间变化关系曲线。由图6看出：在地震荷载作用的起始阶段，路基土体表面基本没有发生位移沉降，随着持时的增长，路基土体表面开始发生沉降，并在某一瞬时发生较大的突然沉降，但最终沉降量都会恢复一些，并留下残余变形。对比图6(a)、(b)和(c)发现：随着超越概率的减小，路基土体表面的最大沉降位移越大，并且残余变形也越大，说明随着地震荷载的增大，路基土体破坏越严重。

图5 动孔压比曲线

图6 地震荷载下地表沉降位移随时间变化关系

4 结论

对辽西地区粉土进行了地震液化特性分析，并与试验结果进行了对比，得到主要结论如下：

(1)通过动三轴试验，获得了粉土抗液化强度变化曲线，结果表明在不同围压、不同孔隙比情况下，动剪应力幅值与液化振次近似呈双曲线关系。

(2)粉土液化特性响应分析结果表明：抗震设防烈度为7度时，50年的超越概率为63.5%和10%的地震波荷载不能使粉土发生液化，而50年的超越概率为2%的地震波荷载一定能使粉土发生液化，且液化深度约为5 m左右。

(3)动孔压比曲线分析表明：地震荷载作用下，粉土路基孔隙水压力会经过产生、发展和消散三个阶段，但消散需要较长时间。

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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

国家自然科学基金资助项目(51274111)；辽宁省教育厅基金项目(L2013137)

李永靖(1976-)，男，山东烟台人，教授，博士生导师，主要从事土木工程方面的教学和科研工作。E-mail: lyjsdyt@126.com