地震液化条件下地面的大变形三维数值分析

地基液化条件下地面大变形是造成工程结构破坏的主要原因之一。考虑地形、地震、土层、地下水等影响因素,针对典型的岸坡场地3层土地基模型,利用有限差分法FLAC3D,对可液化场地在地震作用下发生地面大变形的过程进行了数值模拟。结果表明,临空面坡比愈大、地表坡度越陡,地基液化地表侧向位移值愈大;变坡度的场地在地震作用下发生的侧移要比单一倾斜率的场地大;地震最大加速度越大、地震持续时间越长,地基液化侧向位移、地表沉陷和隆起现象越严重;液化层的埋深、厚度以及地下水位都对地面大变形的产生有着不同程度的影响,应选择合理的地基处理方案进行处理。     

砂土液化大变形模型在FLAC3D中的开发与应用

通过FLAC3D二次开发平台,在VC++环境下实现了基于砂土液化大变形机制的变动映射中心边界面弹塑性模型的二次开发。基于饱和砂土液化大变形本构理论,该模型符合三维应力空间边界面映射规则,并引入临界状态变量,可实现对不同密度和围压状态下砂土液化大变形分析。针对FLAC3D程序混合离散技术与数据调用模式和模型的体积相容性条件,测试分析了将模型采用不同植入方案的计算稳定性,开发了在FLAC3D混合离散技术下不同子区共享映射中心,进入与离开液化状态保持同步的开发方案,并给出模型开发的关键技术与实施方法。利用开发的模型,对饱和砂土开展了不排水/排水/循环三轴试验与不排水循环扭剪试验模拟,及三维地基的动力反应分析。计算结果表明,模型及所开发程序具有很好的模拟与分析砂土液化后大变形的能力。     

某砂土液化大变形本构模型参数的敏感性分析

基于Yang和Ahmed[1－5]等提出的砂土液化大变形本构模型,对该模型的硬化规则和弹塑性模量确定方法作了改进,把该本构模型扩展应用到三维液化大变形的数值分析中,实现了基于ABAQUS大型商用软件计算平台上砂土液化大变形的计算子程序开发。基于该计算平台,对该模型的主要参数在描述砂土液化动孔隙水压力增长和动应力-应变关系曲线等方面的可靠性和敏感性进行了研究。给出了模型全过程参数、剪胀过程参数、剪缩与剪胀状态转换点流动变形量控制参数对试样的应力-应变关系曲线的影响程度及其规律,并对模型的主要参数的敏感性进行了分析,所得结论为通过动三轴试验获得相关模型参数提供了有效的指导和帮助,同时也发展了砂土液化大变形新的数值计算方法。     

可液化场地碎石桩复合地基地震动力响应分析

采用砂土液化大变形弹塑性本构模型分析可液化砂土,采用模量随应力与应变变化的等效非线性模型增量形式分析碎石桩,应用FLAC3D有限差分软件对地震动力作用下可液化场地碎石桩复合地基进行三维动力响应分析。模拟分析了在地震作用下碎石桩刚度效应和排水效应对加固处理可液化场地的抗液化效果,从初始小变形到液化后大变形的变形发展,超静孔压累积与消散,及桩与土的变形与应力分配变化等。结果表明,所用模型与方法可合理描述可液化场地碎石桩复合地基在地震作用下场地的动力响应特性和抗液化效果;在地震作用下可液化场地中桩周土体与碎石桩体的竖向应力与水平向剪切应力向碎石桩体集中,竖向有效应力比可降至约1/6～1/3;桩周土体与桩体为非协调变形,剪应变比可达7～10;碎石桩抗液化影响范围约为2.5～3倍桩径,对超过3.5倍桩径范围影响较小;碎石桩与砂土渗透系数比大于100时对降低砂土中超静孔隙水压影响明显;碎石桩对场地的加密效应可显著降低超静孔隙水压力,而碎石桩刚度则对超静孔隙水压力变动影响较小,但有助于减低地面加速度响应峰值。     

考虑变形模量劣化的应变软化模型在FLAC3D中的开发与验证

FLAC3D软件中的应变软化本构模型是通过抗剪强度参数劣化来实现的,没有考虑变形模量劣化造成的影响。针对这一问题,采用了变形模量劣化的损伤本构模型,详细推导了劣化损伤本构模型的差分格式,研究该模型在FLAC3D中二次开发的流程,在VC++环境下实现了劣化损伤本构模型在FLAC3D中的二次开发;通过与深埋圆形洞室应变软化数值解算例对比,进一步验证了该模型弹塑性和损伤的力学性质,分析了变形模量劣化对围岩变形特性的影响。由于该模型能够反映围岩的劣化损伤特性和大变形特点,因此在工程应用中有一定的实用价值。     

基于应变空间多机构CG模型的地震液化大变形数值分析

砂土液化导致的地基侧向大变形是地震中许多重要的工程设施和建筑物破坏的主要原因之一。简要介绍了可进行液化大变形分析的散粒体材料本构模型--应变空间多机构CG模型,基于FLIP ROSE程序平台,建立了预测和研究倾斜地基砂土液化导致侧向大变形的二维有限元数值分析方法。采用该模型对相同工况的土工动态离心模型试验进行了模拟,通过对比超孔隙水压力、剪切波水平加速度以及地基侧向位移发现,数值预测与试验结果吻合良好,从而验证了该有限元数值分析模型的可靠性。最后利用该数值分析模型预测了倾斜率不同的地基受到相同剪切波作用时,倾斜地基不同深度产生的侧向位移。预测结果显示,随着地基深度的减小,倾斜率对于地震液化导致倾斜地基侧向大变形的影响越来越显著。     

动力作用下砂土的残余体变及其时域连续模型

通过对砂土动力剪切荷载作用过程中的土骨架的弹性和塑性分析,研究了土骨架接触面部分可能发生的弹性恢复和永久变形以及破碎引起的最剧烈的塑性变形;并且,提出了可以通过液化前后颗粒粒径的质量百分含量的对比试验,来验证破碎模型的合理性;为进行砂土动力非线性变形和液化的数值模拟,结合砂土的剪切非线性的本构,总结了更为简化的时域连续的函数经验公式,使得在时域内进行土壤动力特性和动力非线性反应分析,以及用剪胀性理论解释动力液化和变形问题易于进行。     

减饱和砂土缓倾场地的液化性状分析

减饱和法是一种通过减小砂土地基的饱和度,从而提高地基抗液化强度的新方法。基于减饱和砂土中流体模量同步更新的改进算法对减饱和砂土离心机振动台试验进行了数值分析,并与单一流体模量的简化算法进行了对比分析。结果表明：由于改进算法中考虑了因孔压变化引起的等效流体模量的变化,其计算结果更接近试验结果,而简化算法低估了减饱和砂土的孔压积累。基于改进算法开展了不同饱和度、倾斜角度的缓倾场地上液化变形的数值模拟研究,分析发现超孔隙水压力增长的速度及其峰值随着饱和度的增加而增大,饱和度从100%降低至96.4%,同一深度处的超孔压峰值降低约20%～65%,加速度响应的峰值也有明显的降低;沿地基深度0.75 m到9.00 m,侧向位移减少约20%～50%,表明饱和度的降低对抑制倾斜场地上可液化砂土层的侧向变形有显著效果,随着地基深度的减小,饱和度对于侧向位移的影响越来越明显。     

压实黄土变形特性

黄土路基填料的变形特性直接关系到路基沉降和路基边坡坡度的选取,是黄土地基工程、边坡工程和洞室工程设计计算的重要参数。基于一维室内固结试验,分析了压实黄土变形特性。引入压缩变形系数,分析了压实黄土的物理指标（含水量、压实度）与变形指标（压缩变形系数、压缩系数）的关系,采用应变法来表达压缩变形曲线结果;引入非线性应力、应变关系的割线模量,研究了压实黄土的加荷本构模型和增（减）湿本构模型。结果表明：压实黄土的物理指标对其变形特性影响较大,压实黄土的应力-应变关系可以用幂函数 的形式来表达,提出了压实黄土的加荷本构模型和增（减）湿本构模型,该模型具有较高的可靠性,为研究黄土路基沉降特性提供了有力依据。     

饱和砂土液化判别与放大效应数值模拟研究

为研究地震作用下饱和砂土液化判别及地震放大效应的影响因素,采用边界面塑性模型框架内开发的砂土本构模型,基于开源有限元平台OpenSees建立了一维剪切梁土柱模型。以循环应力比CSR和循环抗力比CRR为控制指标,对比了不同液化判别方法的差异,分析了地震荷载类型和砂土相对密度对液化判别和放大效应的影响。研究表明:与数值模拟结果相比,Seed简化法计算的CSR更大,判断饱和砂土场地发生液化的可能性更高;冲击型地震波较振动型地震波更容易使饱和砂土场地发生液化,砂土相对密度越小场地越容易发生液化;放大系数随埋深的减小而增大,振动型地震波引起的放大效应整体大于冲击型,埋深较大时放大系数随砂土相对密度的增大而减小。     

液化后砂土流体特性测试装置的研发及试验研究

为研究液化砂土的流动变形特征,开展了液化砂土的流体特性试验研究。基于边界层理论研发一套液化砂土表观黏度测试装置,主要由调速电机、电机调速器、圆柱转子、扭矩传感器等部分组成,该装置能有效测试液化砂土的表观黏度;开展了不同孔压比、转速下饱和砂土表观黏度及圆柱转子所受摩擦力矩特性研究,着重分析了液化后砂土的表观黏度特性。结果表明,液化前孔压发展及液化后孔压消散阶段摩擦力矩均受到孔压比及转速的影响;液化后砂土孔压逐渐消散,强度恢复,流动能力衰减,表观黏度升高,表观黏度与孔压比呈现出一定的线性相关性;表观黏度随着剪应变率的增大而降低,且两者呈现出幂函数关系,表明液化后砂土具有典型幂律型剪切稀化非牛顿流体特征。     

液化型路堤边坡动力数值模拟分析

液化型路堤边坡动力稳定性问题涉及岩土工程与工程地震两个学科领域,是边坡工程与砂土液化的交叉课题。采用天然地震记录为输入条件,应用Finn本构关系模型,运用有限差分法,对填土+砂土+卵砾土地层组合的路堤边坡进行了全时程动力分析,探讨了地震作用下路堤边坡的液化初步规律和稳定性。数值模拟结果表明:地震作用引起了路基饱和砂土有效应力急剧减小,并导致路基砂土液化,引起路堤变形破坏。孔隙水压力的积累与消散不仅与地震记录序列存在对应关系,也与砂土所处的位置和深度有密切关系。地表变形破坏主要表现为路堤顶面发生震陷和拉裂破坏,坡底面产生挤压隆起变形。地面以下的变形破坏主要包括土体剪切破坏和深部砂土液化引起的侧向流动破坏。     

2018年5月28日中国吉林松原M5.7级地震引起的液化构造*

2018年5月28日,吉林松原市宁江区毛都站镇牙木吐村发生M5.7级地震(45°16'12″N,124°42'35″E),震源深度13 km,震中位于郯庐断裂带西北侧的扶余/松原—肇东断裂带、第二松花江断裂带和扶余北断裂带交汇处。地震诱发震中距3 km范围内普遍的液化和地表裂缝,给当地居民带来严重灾害。可见液化构造以砂火山为主,其次为液化砂堆、液化砂脉和液化砂席等。液化砂火山又可分为有火山口型砂火山、无火山口型砂火山和无砂型(水)火山。地震液化伴生软沉积物变形构造有变形层理、负载构造和火焰构造、滑塌褶皱、碟状构造和包卷层理等。地震诱发液化砂火山形成过程包括液化层内超孔隙流体压力形成、上覆低渗透层破裂和水、砂喷出地表后砂涌3个阶段。液化和流化砂体在上涌过程中会注入低渗透黏土层形成各种形态的砂脉、砂席和多种类型的变形构造。垂向上地震液化结构可划分为底部松散可液化层、下部液化变形层、上部液化变形层和地表砂火山4层结构。液化层埋深2~5 m,液化层厚度2 m。松原M5.7级地震发震机制为NE-SW(35°~215°)方向挤压应力使断层活跃,推测扶余/松原—肇东断裂是主要的发震断层。松原地震液化构造研究为现代地震活动区和灾害易发区预测提供依据,为地震引发的现代软沉积物变形构造研究提供丰富的素材,兼具将今论古意义,为揭示本世纪以来郯庐断裂带北段进入了一个强断裂和地震活跃阶段提供了最新的实际资料。     

黏性沉积物中的古地震触变流动变形*

粒径小于0.005mm的饱和淤泥和黏土等对地震和外力扰动产生的敏感变化特性被称为触变性。地震触发的软沉积物流动变形构造包括液化流动变形与触变流动变形两大类,前者多指沙层和碳酸盐沉积物的液化流动变形,后者指饱和的泥质沉积物触变流动变形。在地层剖面中,饱和淤泥、淤泥质土、黏土、硅泥(胶体)、碳酸盐灰泥等黏性沉积物的触变流动变形构造广布,它们多与沙层等的液化变形构成复合变形构造,但中外地质学家对触变流动变形构造注意较少,往往把它们笼统解释为液化流动构造。近年来地震触发饱和淤泥的触变流动变形现象逐渐引起地质学家的关注。作者对国内多个地层剖面中地震触发的饱和淤泥流动变形记录进行了描述和成因解释,并按照触变流动变形的方向性归纳出4类模式,即①向上流动、②向下流动、③同时向上及向下流动和④近水平方向流动,希望引起从事软沉积物变形和古地震研究的地质学家的关注。     

Triaxial tests on the fluidic behavior of post-liquefaction sand

Liquefaction-induced ground deformation is a major cause of structural damage during earthquakes. However, a better understanding of seismic liquefaction is needed to improve earthquake hazard analyses and mitigate structural damage. In this paper, a dynamic triaxial test apparatus was employed to investigate the fluidic characteristics of post-liquefaction sand. The specimens were vibrated to the point of liquefaction by dynamic loading, and then the liquefied sand was further sheared by triaxial compression in an undrained manner. It was found that a non-Newtonian fluid model can accurately describe the shear stress and the shear strain rate of post-liquefaction sand during undrained triaxial compression. The apparent viscosity, a major parameter in a constitutive model of a non-Newtonian fluid, decreases with an increase in the shear strain rate.     

纤维加筋砂土抗液化试验与数值模拟

砂土液化是导致重大地震灾害的主要原因之一。本研究探讨了天然纤维加筋砂土在循环荷载作用下的抗液化性能。在不排水条件下,对具有不同纤维含量的加筋砂土试样进行了一系列循环三轴试验,研究了饱和砂土的液化特性以及循环剪应变幅值、纤维含量对饱和砂土抗液化性能的影响。此外,通过模拟已完成的循环三轴试验,建立了二维有限元数值模型,并对具有不同纤维含量的加筋砂土进行了参数标定。研究结果表明:(1)增加循环剪应变幅值将促进超孔压累积,使得滞回曲线斜率和平均有效应力减小速度加快;(2)纤维的存在能够减缓超孔压的累积,随着纤维含量增加,加筋砂土抗液化能力得到明显提高;(3)标定后的本构模型参数能可靠地用于模拟纤维加筋砂土的液化响应。研究结果为饱和砂土抗液化问题与纤维加筋砂土的数值模拟提供了有价值的参考。     

Test Investigation on Liquefied Deformation Structure in Saturated Lime-Mud Composites Triggered by Strong Earthquakes

Three identical model boxes were made from transparent plexiglass and angle iron. Using the method of sinking water and according to the sedimentary rhythm of saturated calcium carbonate(lime-mud) intercalated with cohesive soil,calcites with particle sizes diameters of ≤ 5 μm,10–15 μm and 23–30 μm as well as cohesive soil were sunk alternatively in water of three boxes to build three test models,each of which has a specific size of calcite. Pore water pressure gauges were buried in lime-mud layers at different depths in each model,and connected with a computer system to collect pore water pressures. By means of soil tests,physical property parameters and plasticity indices(Ip) were obtained for various grain-sized saturated lime-muds. The lime-muds with Ip ranging from 6.3 to 8.5(lower than 10) are similar to liquid saturated silt in the physical nature,indicating that saturated silt can be liquefied once induced by a strong earthquake. One model cart was pushed quickly along the length direction of the model so that its rigid wheels collided violently with the stone stair,thus generating an artificial earthquake with seismic wave magnitude greater than VI degree. When unidirectional cyclic seismic load of horizontal compression-tension-shear was imposed on the soil layers in the model,enough great pore water pressure has been accumulated within pores of lime-mud,resulting in liquefaction of lime-mud layers. Meanwhile,micro-fractures formed in each soil layer provided channels for liquefaction dewatering,resulting in formation of macroscopic liquefaction deformation,such as liquefied lime-mud volcanoes,liquefied diapir structures,vein-like liquefied structures and liquefied curls,etc. Splendid liquefied lime-mud eruption lasted for two to three hours,which is similar to the sand volcano eruption induced by strong earthquake. However,under the same artificial seismic conditions,development of macroscopic liquefied structures in three experimental models varied in shape,depth and quantity,indicating that excess pore water pressure ratios at initial liquefaction stage and complete liquefaction varied with depth. With size increasing of calcite particle in lime-mud,liquefied depth and deformation extent increase accordingly. The simulation test verifies for the first time that strong earthquakes may cause violent liquefaction of saturated lime-mud composed of micron-size calcite particles,uncovering the puzzled issue whether seafloor lime-mud can be liquefied under strong earthquake. This study not only provides the latest simulation data for explaining the earthquake-induced liquefied deformations of saturated lime-mud and seismic sedimentary events,but also is of great significance for analysis of foundation stability in marine engineering built on the soft calcium carbonate layers in neritic environment.     

Geometry and origin of large-scale deformation structures in some ancient wind-blown sand deposits

Large-scale deformational features that disrupt the cross-bedded strata of some ancient wind-blown dune sand deposits (Jurassic Aztec and Navajo Sandstones, U.S.A.) can betraced laterally for at least tens of metres. Information from four exposures leads to an idealized deformation style characterized by (1) a ‘head’ portion marked by collapse features, (2) a middle portion marked by a thrust ramp or a large recumbent fold, and (3) a ‘toe’ portion marked by a planar shear zone with small recumbent folds, drag folds, and possibly small horizontal shear faults. An hypothesis involving earthquake-induced liquefaction and collapse of the dunes is proposed. Sands liquefied during earthquakes cannot support an unequal surface load, resulting in the collapse of surface dunes above the liquefied substrate. Compensatory lateral squeezing of liquefied sand and buried strata produces the shear zone in the ‘toe’ portion. Engineering studies suggest that buried strata underlying interdunal lows, where over-burden stress is least, will be most susceptible to liquefaction. Other considerations suggest that it will be the steeper lee sides of advancing surface dunes that collapse, squeezing liquefied sand forward or downwind, i.e. away from the lee slope of surface dunes. If the liquefied condition persists, load structures can be formed when unliquefied layers founder into the liquefied substrate.