离心机振动台试验验证基于剪切波速的碎石桩抗液化技术

摘要

近30年来，地震作为突发的自然灾害给人类社会生产活动带来了巨大的影响和危害。地震导致的场地和建筑物破坏与岩土工程问题密切相关，特别是场地液化引起的震害问题特别严重。我国处于世界两大地震带（环太平洋地震带和欧亚地震带）交汇处，7度以上的高烈度区覆盖了全国1/2以上的土地，包括了大部分的省会城市和百万以上人口大城市。因此，对易液化场地进行准确的液化判别并采取合理的抗液化处理措施是防震减灾的关键之一。目前，场地的液化判别仍然基于标贯试验和静力触探试验等测试指标，且未有一套完整的碎石柱抗液化处理设计方法。因此，采用碎石桩加固易液化场地仍处在一个经验性阶段，具体的设计和检验方法都较为简化，场地加固后的质量控制也非常困难。所以，提出准确的场地液化判别方法，并建立一套经济合理的碎石桩抗液化处理设计方法具有重要的理论与现实意义。
　　本文通过理论分析、离心机振动台试验验证等方法系统地研究了离心模型试验中土体剪切波速的测试精度及布置要求，提出了一套基于剪切波速的碎石桩抗液化处理技术，并通过室内离心机振动台试验和现场实例共同验证了该方法在水平场地和倾斜场地中的适用性。本文所做的主要工作和研究成果如下:
　　1、基于离心模型试验中弹性波速的测试需求，建立了离心模型试验弹性波测试方法，并针对离心试验中环境振动、高噪音等问题进行了传感器优化设计。围绕离心试验中模型箱内高应力梯度、变重力场等复杂状况，建立了考虑应力各向异性的剪切波曲线传播路径模型，分析了离心机硬件参数（离心加速度值或转速、离心机半径）、传感器布置方式（弯曲元埋深和测试距离）、模型应力状态（K0）和土性参数(n)对曲线路径的影响规律，给出利用弯曲元进行剪切波速测量的布置技术优化建议，并通过离心模型试验验证了其的合理性。最后对采用压缩元进行了土体压缩波速的测量开展了基础研究，并标定了砂土饱和度-压缩波速曲线。研究表明，弯曲元和压缩元经过传感器优化设计后信号稳定清晰，测试结果可靠。弯曲元埋深、测试距离和土性参数对剪切波曲线路径和波速测试精度影响最大。为了保证剪切波速测试精度，建议离心试验中弯曲元的归一化深度D/L应大于0.5，小于0.5时需要进行波速修正。采用压缩元测得的压缩波速可以很好的反映模型饱和度。
　　2、通过总结国内外碎石桩抗液化处理设计方法和评估碎石桩三方面加固机理在场地抗液化处理中的作用，本文建立了一套完整的基于剪切波速的碎石柱抗液化处理设计方法，并给出了该设计方法的主要流程。该方法基于土体的重要参数剪切波速，仅考虑加密效应，将减震效应和排水减压效应作为安全储备。本文建议了基于液化本质的土体抗液化强度-剪切波速“CRR-Vs”表征关系，并给出了土体剪切波速-孔隙比“Vs-e”相关关系，基于大量砂土种类得到了经验统计参数。该设计方法思路清晰，所选参数简单易确定。
　　3、根据提出的碎石桩抗液化处理方法，设计了未处理场地、加密处理场地和碎石桩处理场地三个水平场地离心机振动台试验，通过对比研究了水平场地的加密效应，减震效应和排水效应，验证了基于剪切波速的碎石桩抗液化处理设计方法的正确性。利用弯曲元和孔压静力触探联合表征了场地结构性演化规律，并对液化判别结果进行了比较。通过未处理场地模型试验，分析了松砂场地的放大效应等振动液化响应。通过加密处理场地，分析了碎石桩的加密效应特性，研究了加密效应对场地振动响应的影响。通过碎石桩处理场地，分析了减振效应对地震循环剪应力比，排水减压效应对场地振动液化响应的影响，研究了碎石桩排水效应长期服役性能。研究结果表明，ZJU-400离心机振动台通过传递函数控制振动台台面输出的控制技术能较好地输出目标波形。土工离心机振动台可以重现实际场地的地震液化现象。场地剪切波速和锥尖阻力均可以很好地表征场地结构性随离心加速度和振次的演化规律，结论基本一致。基于剪切波速的液化判别可以预测全部液化工况，对于非液化工况准确率较高(80％)，高于基于锥尖阻力的判别结果。碎石桩加密后，场地的Vs1、K0和qc均有明显增大，场地放大效应增加，导致相同振动下循环剪应力比增大，但是加密效应带来的抗液化强度的增加确保了场地的不液化，验证了所提设计方法的正确性。碎石桩处理场地中，碎石桩的减振效应并不明显，反而布置了碎石桩后场地的循环剪应力比有所增加。排水作用虽然可以明显地减缓超孔压产生速率并提高振后的消散速率，但是场地平均超孔压比峰值却没有明显降低。碎石桩的长期服役性能评估显示，大振后碎石桩有一定的淤堵，导致抗液化性能明显劣化，场地的结构性和抗液化强度会随着小振的持续而逐渐恢复。因此，碎石桩的存在可以提供一部分安全储备，但是为了不建议考虑进设计方法。
　　4、在碎石桩处理水平易液化场地的基础上，本研究基于LEAP国际平行试验，初步分析了倾斜场地地震液化的基本响应问题。研究表明，即使很小坡度的倾斜场地，地震引发的液化问题与水平场地有显著不同，特别是倾斜场地地震液化会引起很大的液化侧移，而液化侧移又与场地平均超孔压比有密切关系。虽然倾斜场地存在着初始地震剪应力，但是通过水平场地得到的基于剪切波速的液化判别方法在倾斜场地依然可用，而相关的碎石桩设计方法，尚需要更深入的研究确定。
　　5、将基于剪切波速的碎石桩抗液化处理设计方法应用于两个现场实例，通过现场加固后测试和实际地震表现，验证了所提方法的有效性。研究结果表明，碎石桩抗液化处理能有效提高场地的抗液化强度，保证处理后场地在地震时不液化。
　　本文通过理论分析，提出了基于剪切波速的碎石桩抗液化处理设计方法，并通过离心模型试验和现场实例对该方法的有效性进行了验证。本文研究有助于提高对易液化场地场地地震响应的认识，为易液化场地利用碎石桩进行抗液化处理提供了一套合理且简便的设计方法，对岩土地震工程的研究和实践具有理论和应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 地震液化灾害问题

1．1．2 碎石柱抗液化处理

1．2 碎石柱抗液化加固机理研究现状

1．2．1 加密效应

1．2．2 减振作用

1．2．3 排水减压作用

1．3 碎石桩场地液化判别及剪切波速重要意义

1．3．1 碎石桩场地液化判别方法

1．3．2 剪切波速与结构性

1．4 离心振动试验在液化研究中的应用

1．5 主要研究工作与技术路线

第二章 离心模型试验弹性波测试技术与理论分析

2．1 引言

2．2 离心模型试验弹性波测试技术

2．2．1 弯曲元压缩元测试原理

2．2．2 离心模型试验弹性波测试方法

2．2．3 离心模型试验弹性波测试技术现状与难点

2．3 离心模型试验传感器优化设计

2．3．1 弯曲元传感器优化设计

2．3．2 压缩元传感器优化设计

2．4 离心模型试验剪切波速测试精度分析

2．4．1 离心模型试验剪切波传播路径问题

2．4．2 初达剪切波曲线路径理论解答

2．4．3 剪切波速测试精度

2．4．4 剪切波路径与精度影响因素分析

2．4．5 最优测试布置方法

2．4．6 离心模型试验验证

2．5 压缩元监测模型饱和度的初步试验

2．5．1 压缩波波速与饱和度的理论关系

2．5．2 纯水中压缩波测试

2．5．3 压缩波标定饱和度

2．6 本章小结

第三章 基于剪切波速的碎石桩抗液化处理设计方法

3．1 引言

3．2 碎石桩抗液化处理设计方法概述

3．2．1 未处理场地液化判别

3．2．2 碎石柱设计方法

3．2．3 碎石柱处理后场地液化判别

3．3 基于剪切波速的抗液化处理设计方法

3．3．1 抗液化强度评价指标的选取

3．3．2 碎石桩加固机理的评估

3．3．3 设计方法主要流程与步骤

3．4 土体剪切波速和抗液化强度的“CRR-Vs”表征关系

3．4．1 基于现场震害调查的CRR-Vs表征关系

3．4．2 基于液化本质的CRR-Vs表征关系

3．5 土体剪切波速和孔隙比的“Vs-e”相关关系

3．5．1 Vs-e相关关系的建立

3．5．2 数据库建立与参数的推荐值

3．6 本章小结

第四章 水平场地碎石桩抗液化处理离心模型试验设计

4．1 引言

4．2 离心机及振动台设备

4．2．1 ZJU400土工离心机

4．2．2 机载振动台系统

4．2．3 传感器

4．3 模型试验方案

4．3．1 试验整体方案

4．3．2 试验材料

4．3．3 模型传感器布置

4．3．4 设计地震动

4．3．5 试验步骤

4．4 三组离心模型试验设计

4．4．1 场地土体的CRR-Vs1表征关系和Vs-e相关关系

4．4．2 未处理场地离心模型试验设计(Model 1)

4．4．3 加密处理场地离心模型试验设计(Model 2)

4．4．4 碎石桩处理场地离心模型试验设计(Model 3)

4．5 本章小结

第五章 水平场地碎石桩抗液化处理离心模型试验结果

5．1 试验一致性检验和测试结果校核

5．1．1 试验基本状态一致性检验

5．1．2 传感器测试结果校核

5．2 弯曲元和CPTu联合表征场地结构性演化

5．2．1 剪切波速表征场地结构性演化

5．2．2 锥尖阻力表征场地结构性演化

5．3 未处理场地模型试验结果

5．3．1 未处理场地振动试验结果概述

5．3．2 场地振曲液化响应结果

5．3．3 基于剪切波速Vs的液化判别

5．3．4 基于孔压静力触探CPTu的液化判别

5．4 加密处理场地模型试验结果

5．4．1 加密处理场地振动试验结果概述

5．4．2 场地的加密效应特性分析

5．4．3 加密效应对场地振动液化响应的影响

5．4．4 基于剪切波速Vs的液化判别

5．4．5 基于孔压静力触探CPTu的液化判别

5．5 碎石桩处理场地模型试验结果

5．5．1 碎石桩处理场地振动试验结果概述

5．5．2 Model2和Model 3状态一致性验证

5．5．3 减振作用对场地循环剪应力比的影响

5．5．4 排水作用对场地振动液化响应的影响

5．5．5 碎石桩长期服役性能评估

5．5．6 基于剪切波速Vs的液化判别

5．5．7 基于孔压静力触探CPTu的液化判别

5．9 本章小结

第六章 倾斜场地地震液化离心模型试验

6．1 引言

6．2 离心模型试验介绍

6．2．1 模型箱

6．2．2 试验材料

6．2．3 试验方案

6．2．4 试验步骤

6．2．5 振动台台面输出

6．3 场地地震响应基本分析

6．3．1 场地加速度响应

6．3．2 场地应力应变关系

6．3．3 场地孔压响应

6．3．4 场地变形分析

6．4 倾斜场地液化判别

6．4．1 Ottawa砂的Hardin曲线

6．4．2 剪切波速测试结果

6．4．3 剪切波速Vs1的确定

6．4．4 场地应力状态与结构性演化

6．4．5 场地循环剪应力比确定

6．4．6 液化判别结果

6．5 本章小结

第七章 碎石桩抗液化处理的现场实例验证

7．1 引言

7．2 印尼某电厂甲案例分析

7．2．1 工程地质条件

7．2．2 场地地震加速度

7．2．3 现场液化势评价

7．2．4 碎石柱设计

7．2．5 加固后场地液化势评价

7．3 印尼某电厂乙案例分析

7．3．1 工程地质条件

7．3．2 场地地震加速度

7．3．3 现场液化势评价

7．3．4 碎石柱设计

7．3．5 加固后场地液化势判别

7．4 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 进一步研究工作建议

参考文献

作者简历及发表论文情况