坝基地震液化特性及动力稳定性分析

表 2
抗液化剪应力法判别 dynam ic triax ia l test
T ab le 1 The assessm en t of liquefaction po ten tia l by the
T able 2 T he assess m ent of lique fac tion potentia l by the
第 3期
严祖文 , 等 : 坝基地震液化特性及动力稳定性分析
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目前天津某水库引起各方面关注的问题, 是坝基在地震荷载作用下的整体稳定问题。勘察资料表明 , 在 坝基地面以下 15m 深度范围内存在着粉土及粉砂层, 这些土层在地震作用下有可能发生强度降低甚至液化 等问题 , 直接威胁大坝的整体稳定。在此情况下, 有必要分析坝基土及大坝整体抗震稳定 , 从而根据研究成 果提供合理可行的防震措施, 供水库加固设计与施工应用。
cr cr c
( 1)
c
为由 n 次循环动荷载作用时产生液化的循环剪应力;
为地震产生的等效循环剪应力。
若 Fu < 1 , 说明土的地震等效循环剪应力大于所施加的循环剪应力 , 此时 , 土体的循环流动安全系数小 于 1; 若 F u > 1 , 说明地震等效循环剪应力小于所施加的循环剪应力 , 土体发生循环流动的安全系数大于 1 。 根据试验结果得到粉土、 粉砂孔压累积与循环流动势安全系数的关系, 见图 3 。
c
室内液化试验以双幅应变达为 5 % 作为液化判别标准 , 试验结果见图 5 , 图中
为试验时围压。
根据上述试验结果, 利用剪应力判别法对粉土、 粉砂是否发生液化进行判别。由图 5 计算可见 , 室内动 三轴试验的结果显示位于深度 10~ 12m, 12~ 14m 处的土样发生液化, 判别结果见表 2 。
表 1 利用标准贯入击数判别 b low counts in SPT
取土深度 /m 10 12 13 14 标贯 击数 N 5 7 7 6 临界标 贯击数 N cr 6 . 8 7 . 3 8 8 . 5 液化判别 液化指数 I IE 液化等级 液化 液化 液化 液化 1. 8 轻微液化 取土深度 /m 12~ 14 10~ 12 应力
L iquefaction properties and dyna m ic stability analysis of the dam foundation under seis m ic load
YAN Zuw en , YANG Jianm in
1 2
( 1. Ch ina Inst itu te of W ater R esources and H yd ropow er R esearch, B eijing 100044 , Ch in a ; 2. S chool of C ivil Eng ineering, T ian jin U n iversity, T ian jin 300072 , C h ina)
3 . 1 动力方程的建立及求解 对于大坝坝基的地震响应问题, 从基岩输入地震荷载, 相当于基岩做牵连运动, 求解土层相对于基岩的 相对运动反应。大坝在地震作用下的动力方程可写为: MU # ( t) + Cu ( t) + Ku ( t) = - M U # g ( t)
∃ ∃
( 2)
式中: U # # ( t), u ( t), u ( t) 分别为结点相对于基岩的加速度、 速度、 位移列阵; g ( t) 为基岩输入的加速度列阵; u M、 K、 C 分别为坝体及坝基的整体质量矩阵、 总刚度矩阵、 总阻尼矩阵。 动力方程采用 W ilson- 法在时域内积分求解 , 为了保证积分格式无条件稳定, 在计算中 = 1 . 4 。 3 . 2 液化判别及参数选取 地震中产生动孔隙水压力 , 其振动孔隙水压力的计算公式如下 : u excess = 1 + 1 arcsin 2 N % 2 ! 3c Nl 式中: U excess为超孔隙压力;
Abstract : In order to ana ly ze the liquefactio n and dyna m ic properties of the da m foundatio n under se ism ic lo ad , the pore pressure accum ulat io n properties of th e silt and silty sand are firstly obtained by dyna m ic tria x ia l tests in door , th e lique fact io n criter ion that the cyclic shear strain reaches 5% is a lso established . T hen, the liquefactio n evalua t io n of silt and silty sand is m ade according to the resu lts o f the standard penetration tests in situ ( SPT ) and dy nam ic triax ia l tests in doo r , th e th e ir results are also com pared . A t th e sam e t i me , on th e basis o f the liquefact io n e va lu ation, the non lin ear dynam ic FEM ana ly sis o f the silt and silty sand in the dam foundat io n is perfor m ed by u sing effective stress m ethod . T he effect w ith and w ithout tak ing account o f seepage effect is stud ied in the zone o f th e liquefaction . The resu lts o f th e dyna m ic FEM analysis , indoor tests and SPT are com pared . Som e useful conclu sio ns m ay be provided fo r references . K ey w ord s : da m foundat io n ; liquefaction evaluat io n ; pore pressure accu m u latio n ; dynam ic ana ly sis
为进一步 了解孔压的发展趋势 , 建立了孔压累积 与应变之 间的关系 , 如 图 2 。 从图中可 见 , 当双幅 应变达到 3% ~ 5% 时 , 孔压的累积已 经基本 达到稳 定。此时 , 即使土 样的应 变增大 , 土样 中孔压 的数 值也不会 有明显增加。我们取上限 5% 作为孔压稳定的控制点。对应于 双幅应变达到 5 % 时 的孔压比 K u 的值一般在 60 % ~ 80 % 左 右。为研究孔压累积与土体液化之间 的关系 , 引入循 环流动势 的安全系 数 F u, 其计算公式为 Fu = 式中:
图 3
粉土 、 粉砂孔压与循环流动势安全系数关系曲线 F ig . 3 T he curve of K u v s . Fu
2 试验的对比验证
为验证室内试验液化判别标准的可靠性, 进行了现场标贯试验和室内液化试来自百度文库的对比分析
[ 2 - 5]
。以孔
号 11+ 800 处的粉土、 粉砂层土样为例 , 所用的地震烈度为 7 度。其柱状图、 土性情况及标准贯入击数如图 4 所示。 依据 !水利水电工程地质勘察规范 ∀ ( GB 50287- 99) 进行液化判别 , 判别结果见表 1。可以看出, 深度 为 10~ 14m 处标贯击数较小, 为可液化土层, 液化等级为轻微液化。
1 2 (1 . 中国水利水电科学研究院 , 北京 100044; 2 . 天津大学 建筑工程学院 , 天津 300072)
摘要 : 为了考虑水库大坝地基地震液化及动力特性 , 首先 通过室内动 三轴试验研 究混黏土 的粉土、 粉 砂在动荷载作 用下的孔压累积特性 , 提出了选择双幅应变达到 5% 作为土 样液化的标 准 ; 然 后采用现 场标 贯试验和室内动三轴试验对水库坝基中的粉土、 粉砂 层进行了液化判别 , 并对判别结果进行了对 比分 析 ; 同时在液化判别的基础上利用有效应力动 力分析方法 对坝基土体 进行了考 虑渗流和 不考虑 渗流 的地震液化的非线性动力有限元分析 , 并将液化的判 别结果与现场标贯试验、 室内动三轴试验的 判别 结果进行对比 , 从中得出一些有益的结论可供类似工 程参考。 关键 词 : 坝基 ; 液化判别 ; 孔压累积 ; 动力特性分析 中图 分类号 : P315. 97 文献标志码 : A
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世
界
地
震
工
程
第 24 卷
图 2
粉土 、 粉砂孔压累积与应变的关系
F ig . 2 R elationsh ip betw een po re pressure ratio and shear strain
由上述曲线可见 , 孔压累积是土体自身的一种性质 , 对于该地区的粉土、 粉砂层当累积孔压达到围压的 60% 以上时 , 土体即发生循环流动。这一结果与双幅应变达到 5% 的液化标准是相符的。
第 3期
严祖文 , 等 : 坝基地震液化特性及动力稳定性分析
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图 4
取样钻孔图 ( 地下水位埋深 4. 3m ) F ig . 4 The blow counts in SPT
图 5
室内液化试验结果
F ig. 5 T he curve of con lique faction shear stress
第 24 卷 , 第 3 期 2008 年 9 月
世
界
地
震
工 程
W ORLD EARTHQUAKE ENG I N EER I NG
Vo. l 24, N o . 3 Sep . 2008
文章编号: 1007 6069( 2008) 03 0140 06
坝基地震液化特性及动力稳定性分析
严祖文 , 杨建民
c
的比值 K u。图中土样取自不同钻孔。从图中可见 , 孔压在最初上升速度很快, 当
达到围压的 60 % ~ 80 % 后 , 逐渐趋于稳定。
图 1
粉土 、 粉砂孔压随振次的累积
F ig . 1 R e la tionsh ip be t w een pore pressure ratio and number of cyc les
等效均匀地震剪 等效循环作
c
抗液化剪应 力
d
/ kPa
用次数 N 12 12
( kPa)
液化判别 液化 液化
23 20
21 18
比较标准贯入击数判别法和室内液化试验判别液化的情况, 两者的结果基本吻合。可见, 将双幅应变定 为 5% 作为室内动三轴试验判别液化的标准是可行的。
3 非线性动力有限元分析
1 孔压累积特性
要分析混黏土的粉土、 粉砂在地震作用下的液化可能性 , 必须了解粉土、 粉砂层土体的孔压累积特性 , 建 [ 1] 立了其在动荷载作用下累积孔压、 循环作用次数和动应变之间的关系 。 根据动三轴试验 , 可以得到孔压在循环荷载作用下的发展趋势 , 见图 1 。横坐标是振动循环次数 N, 纵坐 标是累积孔压 u 与围压
收稿日期 : 2007- 10 - 16; 修订日期 : 2008- 06- 25
基金项目 : 十一五 国家科技支撑计划项目 ( 2006BAC 14B04 ) 作者简介 : 严祖文 ( 1978- ) , 男 , 工程师 , 博士 , 主要从事岩土工程研究与设计 . E m ai: l yan z w@ i w hr . com
引言
水利工程地震液化问题是许多水利工程所共同面临的问题。由于地震液化问题直接影响工程设施基础 的安全稳定 , 因此地震液化问题影响工程的整体安全, 地震液化导致工程失去稳定的事例有很多, 但由于各 项工程地质条件、 运行条件的差异, 如何对具体工程基础地震液化问题进行合理的分析、 准确判断影响坝基 地震液化的不稳定因素、 有针对性地提出合理有效的工程处理措施是国内外水利工作者普遍关心的问题。