高粘粒含量砂性土液化可能性与动强度评价研究

摘要

地震液化会导致巨大的财产损失和人员伤亡，液化评价的相关研究具有重要的科学意义和工程价值。目前，基于纯净砂和含粉粒砂土的液化相关研究已经比较完善，而针对较高粘粒含量砂土液化行为的研究则比较匮乏，对于其液化规律和内在实质认识不足。人们早期认为仅纯净砂土会发生地震液化，而具有塑性的较高粘粒含量砂土/粉土则不发生地震液化。近些年全球范围的多场重大地震中，都出现了细粒土的液化实例，这引起了相关学者对高粘粒含量砂性土液化问题的关注。大量的含粉粒土体液化研究和少量的含粘粒土体液化研究表明，含细粒土体的特性随着细粒含量的变化呈现出不同的特点。低细粒含量时土体表现为类似纯净砂土的动力特性;随细粒含量增加，土体逐渐表现出粘性土特性;而在接近“类砂土”到“类粘土”转换临界细粒含量(TFC)时，土体同时具备砂性土和粘性土的土体特性，这一细粒含量区间也被称为“过渡带”。本文主要针对高粘粒含量砂土，开展一系列室内试验并结合课题组已有研究成果分析粘粒对于土体液化特性的影响。希望通过大量的室内动三轴试验和合理的对照分析，深入理解粘粒对土体液化特性的影响规律，揭示含粘粒砂土地震液化机制，通过建立能够适用于不同粘粒含量的含粘粒砂土CRR-Vs1表征模型，为实际工程场地中含粘粒砂土的液化评价提供科学依据。主要的研究内容包括:
　　1.提出利用超固结比OCR控制低塑性砂性土结构性的试验方法:“点对点”的液化判别方法是通过室内试验结果反应原位土体特性的典型方法，合理设计试验的关键在于采用有效的方法使得室内土体试样的结构性恢复至原位水平，并同时保证试样的孔隙比及应力状态与原位土体保持一致。已有研究提出了一种预振的方法仅能够有效地恢复纯净砂土试样的结构性，而本文所提出的超固结方法，则可以有效恢复较高粘粒含量且具备一定塑性土体试样的结构性。基于土体试样的应力路径、Hardin公式和线弹性理论推导，验证超固结方法的合理性并给出设计超固结比的计算方法。
　　2.粘粒含量(CC)对砂性土刚度特征的影响规律:针对高粘粒含量(CC30、CC40)砂土开展测试剪切波速的分级固结试验，分析试验数据得到CC30、CC40含粘粒砂土的Hardin曲线拟合结果，与已有的低粘粒含量砂土(CC0、CC10、CC15、CC20)Hardin曲线整合分析，拟合Hardin公式中参数（A，n）与粘粒含量(CC)之间的关系。发现以CC20为界限，Hardin公式中参数（A，n）在较低和较高两段粘粒含量(CC)范围内差异较大且随CC呈现不同的变化趋势。考虑本文所用含粘粒砂土（萧山粘土&福建细砂）的“类粘土”、“类砂土”转换临界粘粒含量(TFC)是20％左右，因而认为类砂和类粘土的刚度特征差异较大且受粘粒含量影响变化规律不同，应分开考虑。试验过程选择同时考虑砂颗粒和粘土颗粒对土骨架贡献的等效骨架孔隙比作为本次试验的对照标准。
　　3.粘粒含量对砂性土动强度的影响规律:针对CC30含粘粒砂土开展系统的动三轴液化试验，补充特定密实度CC10和CC20的动强度试验，并结合已有的低粘粒含量砂土(CC0、CC10、CC20)动三轴液化试验结果，分析特定等效骨架孔隙比（e*）、不同CC含粘粒砂土的动强度曲线，总结粘粒含量对于土体试样动强度曲线的影响规律。发现不同密实状态（e*=1.0105，e*=0.7977，e*=0.6873）含粘粒砂土的动强度随粘粒含量变化规律不同，结合不同密实度砂土受动荷载作用下的体变特性，分三种情况总结粘粒含量对于含粘粒砂土动强度的影响规律。
　　4.建立含粘粒砂土的动强度剪切波速表征模型:基于不同密实度试样动三轴液化试验结果建立CC30含粘粒砂土的CRR-Vs1表征模型。根据前文的分析结果，将CRR-Vs1表征模型中重要参数（kN，emin，n，）以粘粒含量(CC)替代后得到能够适用于不同粘粒含量含粘粒砂土液化评价的CRR-Vs1表征模型。基于这一表征模型和原位土体的相关信息（剪切波速、饱和密度以及粘粒含量）可直接得到原位土体的抗液化强度，用于指导实际工程中的场地液化评价问题。
　　5.细粒土液化判别工程实例:某工程地震灾害评价专题中粘质粉土依据土性指标被判定为“类粘-类砂土”，即土体特性既具有粘土特性，同时也具备砂土的部分特性。已有的规范方法在针对该层土体进行液化判别的过程中得到了偏不安全的判别结果。本文采用三种液化详判的方法对该层粘质粉土进行液化评价:1）通过室内“点对点”液化判别试验确定了该层粘质粉土在实际设防烈度下的液化可能性;2）分别依据室内试验结果和前面提出的含粘粒砂土CRR-Vs1表征模型建立该层粘质粉土的CRR-V1表征模型并对其进行液化分析，得到了与方法1一致的判别结果;3）基于原位标准贯入试验测试结果对该层粘质粉土进行液化分析确定其在罕遇地震情况的液化可能。对照液化详判结果验证了CRR-Vs1表征模型在细粒土液化分析方面的适用性。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号对照表

1．1 研究背景和意义

1．2 含粘粒砂土液化特性研究现状

1．2．1 国内外含粘粒砂土液化研究的发展

1．2．2 含粘粒砂土液化行为研究现状

1．3 本文研究内容及创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 创新点

2．1 摘要

2．2 试验材料基本参数

2．2．1 试验材料

2．2．2 基本土性试验

2．2．3 含粘粒砂土液化初判

2．3 固结试验及恢复结构性方法

2．3．1 土体小应变剪切模量

2．3．2 试验设备

2．3．3 制样方法

2．3．4 试验步骤

2．4 动三轴试验

2．4．1 试验仪器

2．4．2 试验原理

2．4．3 试验步骤

2．5 本章小结

3．1 摘要

3．2 室内试验设计方案及试验结果

3．2．1 测试剪切波速的分级固结试验

3．2．2 不同密实度的动三轴液化试验

3．3 粘粒对土体动力特性的影响

3．3．1 粘粒对土体刚度的影响

3．3．2 粘粒对于土体动强度曲线的影响

3．3．3 粘粒对土体抗液化强度的影响

3．3．4 粘粒对土体物性的影响

3．4．1 CRR-Vs1表征模型介绍

3．4．2 CC30含粘粒砂土的CRR-Vs1表征模型

3．4．3 建立含粘粒砂土的CRR-Vs1表征模型

3．5 结论

4．1 摘要

4．2 工程概况

4．3 液化初判

4．3．1 细粒土液化初判研究发展与现状

4．3．2 中国规范液化初判方法

4．3．3 汪闻韶方法

4．3．4 美国：J．D．Bray+R W Boulanger方法

4．3．5 液化初判结果分析

4．4 可液化细粒土点对点试验液化判别

4．4．1 试验材料与试验设备

4．4．2 试验材料

4．4．2 试验方案与内容

4．4．3 试验步骤

4．4．4 试验结果及分析

4．5 基于现场波速测试的CRR-Vs1表征模型液化评价

4．5．1 浙大法(CRR-Vs1模型)液化分析

4．5．2 Hardin曲线测试(带弯曲元测试的固结试验)

4．5．3 不同密实度动强度试验

4．5．4 建立粘质粉土CRR-Vs1表征模型进行液化判别

4．6 基于原位SPT数据进行液化评价

4．7 本章小结

5．1 主要研究结论

5．2 研究展望

参考文献

作者简介