液化判别及其危害性评价与处理仍然是岩土地震工程研究的热点问题

更新于 2026年10月10日 版权声明
(一)液化判别及其危害性评价与处理仍然是岩土地震工程研究的热点问题

本届大会15个特邀报告中有7个报告涉及液化问题,分会场设了液化专题3个分会场、18个口头报告、24篇论文,液化实例专题设了1个分会场、5个口头报告、9篇论文,液化处理专题设了2个分会场、12个口头报告、14篇论文,是设置专题和分会场最多的一个领域。主要创新进展如下。

静、动荷载均可触发土体的流动液化,这对尾矿坝等岩土结构是一个很大的问题。它往往发生在收缩性土中,如饱和或近饱和的松散砂土、粉土以及非常敏感的黏土中。P.K.Roberson等通过实例研究发现,当显著的强度丧失发生在土结构的临界阶段时,破坏常常会很快,来不及预警就发生了。这种情况下土体变形往往会很大。研究还发现绝大多数流动液化发生在年轻的、未胶结的非塑性或低塑性土中,因为这种土在小应变下达到峰值强度处会有一个脆性应变软化响应,其后强度快速丧失。他在2010年基于临界状态概念提出过评价土在大应变下膨胀或收缩的方法,然而现在室内试验和现场观测发现,并不是所有的收缩土都有应变软化,也不是所有应变软化的土都具有高脆性,例如砂状收缩性土随着应力增大会逐步变得更有延性。

液化引起侧向扩展变形可显著影响其上、附近或斜坡下的桥梁、大坝、管线以及其他基础设施。目前,预测侧向扩展变形的方法主要包括经验方法和应变势方法,但这些方法很大程度上忽略了影响这种变形的复杂和关键的因素。Steven Kramer教授等对滑块理论对侧向扩展问题的适用性进行了研究,他用两个基础资料完备的侧向扩展实例对一个基于滑块的普通方法进行了概率性评估:一个实例是反演分析;一个实例是超前预测。结果表明,显著的不确定性主要与液化土的特征、地震动幅值、记录到记录的可变性有关,因为这些因素导致了反算剪切强度的低精度和预测位移的极低精度。在滑块位移上的高不确定性对现代基于性态理论侧向扩展评估来说,具有很强的负面影响。

2010—2011年新西兰坎特伯雷系列地震在克赖斯特彻奇市引起了广泛的液化灾害,这些液化实例成为国际岩土地震工程和土动力学研究的热点。Misko Cubrinovski教授研究了液化沉积土层的系统响应。它通过克赖斯特彻奇市55个水平场地液化实例研究给出了详细的岩土特征和用有效应力分析估算的液化深度,其中,15个场地在2次主震中显示了液化,而17个场地没有显示液化。这些液化和非液化场地实际上都表现出相同的临界土层特征,即低CPT阻力(qc1Ncs=80~85)和2 m左右较浅的临界层位置。然而,液化场地和非液化场地却在它们临界区和可液化物质的厚度与垂直连续性上显著不同。作者用有效应力分析揭示了增强型液化沉积和减轻性液化沉积系统响应的关键机制。结果表明,在用简化液化评估方法时,需要考虑液化土的系统响应,并将其作为评价液化显示度和液化危害程度的主要因素。(https://www.daowen.com)

Kohji Tokimatsu教授通过地震现场观测和室内离心机试验研究了液化引起的沉降和建筑物随侧向扩展基础的倾斜。结果表明,(1)总的来说,液化引起的相对沉降和浅基础建筑物的倾斜随楼层的增加和建筑物纵横比的增大而增大,相对沉降还与场地相关;(2)当沉降被液化土层厚度归一化后,相对沉降就与场地条件无关了,而仅与上述两个因素有关;(3)仅仅层高大于3层和纵横比大于2的建筑物才会因地基液化倾倒;(4)液化引起的相对沉降和浅基础倾斜随接触压力和地基沉降的增大以及地下水位和非液化层厚度的降低而增大;(5)抵抗竖向荷载和倾覆力矩的安全系数是估算液化引起坐落在刚性扩展基础上建筑物破坏的关键指标。

基于能量的液化判别方法(EBM)是由日本中央大学Takaji Kokusho教授提出的,本次会议上他对直接比较上传波能量与消散波能量判别液化的方法进行了详细介绍,并将此方法与传统基于应力的液化判别方法(SBM)进行了实例对比,结果发现,对于正常的地震动,两种方法判别的结果基本相同,而对于小峰值、高能量和大峰值、低能量的地震动,两者判别结果有所不同。考虑到消散能量控制液化的机制,他建议可将能量法作为应力法的补充,用于各种不同地震动下的液化判别,这样工程师可以对设计地震动的能量要求一目了然。

离心机试验是进行大坝液化研究的主要手段。Ross Boulanger教授通过离心机模型试验和数值模拟,对使用土-水泥墙加固大坝抵御液化效应进行了研究。离心机模型在半径为9 m的离心机上进行试验,模拟一个高28 m、其下有9 m饱和松砂层的高坝。土-水泥墙穿过坝脚附近30 m长的松砂层,并覆盖7.5 m高的护道。该模型在峰值水平加速度分别为0.05g、0.26g、0.54g的设定地震动下振动,后两个地震动引起送砂层液化,最后一个地震动使土-水泥墙整体受到剪切。他通过对离心机模型试验结果和二维非线性动力模拟结果的对比分析,论述了土-水泥墙加固系统对抵御液化效应和土-水泥开裂效应的有效性和局限性,对工程实践提出了指导意见。

在近期地震中,几栋建筑物由于地基土液化发生了不同程度的沉陷和破坏。这些实例的现场现象使我们获得了重要的深入了解,附加的深入认识则通过对完全非线性动力土-结构相互作用的有效应力分析结果的趋势检验来获得。Jonathan Bray教授等通过动力土-结构相互作用的有效应力分析,对位于液化场地浅基础之上建筑物性能的关键趋势进行了检验。这一分析为建筑物运动机制提供了重要的深入了解。其中,几个实例显示,由于振动导致循环软化土中的建筑物松脱或者循环软化导致承载力的瞬间丧失使地基土产生了剪切应变。而液化引起建筑沉陷的主要部分就是由这种剪切诱发机制所产生。因地基土体积应变而产生的破坏建筑物的沉降很大程度上来自于浅层土的液化。动力土-结构相互作用有效应力分析可以获得非线性土响应的这些机制,然而,由于沉积物喷出造成的地基丧失的影响并不能用这个基于连续体的方法来获得。这就需要工程师用经验和判断来估计这一关键作用。

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