剪切历史对砂土液化特性影响的模型试验系统.pdf

第 4 3 卷第 7 期 2 0 1 5年 7 月 同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)J O U E N A L O F T O N G J I U N I V E R S I T Y(N A rr I I R A L S C I E N C E)Vo I 4 3 No 7 J u 1 2 0 1 5 文章编号：0 2 5 3 3 7 4 X(2 0 1 5)0 7 1 0 0 8 0 4 剪切历史对砂 土液化特性 影响的模型试验 系统 叶斌，蒲黍僚，路 家峰，刘 超(同济大学 土木工程学院，上海 2 0 0 0 9 2)摘 要：介绍 了一种研究剪切历史 对砂 土液化特性影响的模型 试验系统 通过倾斜模型箱，利用重力在倾斜方 向上 的分量 给模型试样施加不同大小的预剪切应变 将模型箱恢复至水 平状态，利用小型振动台加振使砂土达到液化状态，同时通 过量测系统采集模型试样内部的超孔隙水压和加速度数据，对砂土的液化特性进行分析 试验结果表明，具有剪切历史 的砂土在振动过程 中超孔 隙水 压上升 幅值 更小，说 明剪切历 史可以增强模型地基 的液化抵抗能力 关键词；剪切历史；砂土；液化；模型试验 中图分类号：T U4 4 1 文献标志码：A Mo d e l T e s t S y s t e m f o r S t u d y i n g t h e E f f e c t s o f S h e a r Hi s t o r y o n S a n d L i q u e f a c t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s Y EB i n，P U S h u t a o，L U J i a f e n g，L I UC h a o (C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r in g，T o n g i i U n i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 Ch i n a)Ab s t r a c t：A mo d e l t e s t s y s t e m wa s i n t r o d u c e d f o r s t u d y i n g t h e e f f e c t s o f s he a r h i s t o r y o n s a n d l i q u e f a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s F i r s t，d i f f e r e n t l e v e l s o f p r e s h e a r s t r a i n s we r e a p p l i e d o n t h e mo d e l f o u n d a t i o n b y u s i n g t h e c o mp o n e n t f o r c e o f g r a v i t y a l o n g t h e t i l t d i r e c t i o n t h r o u g h t i l t i n g t h e s h e a r b o x Th e n，t h e s a n d wa s l i q u e f i e d b y u s i n g a s ma l l s h a k i n g t a b l e，a n d s i mu l tan e o u s l y e x c e s s p o r e wa t e r p r e s s u r e a n d a c c e l e r a t i o n wi t h i n t h e f o u n d a t i o n we r e c o l l e c t e d b y me a s u r e me n t s y s t e m t o a n a l y z e t h e s a n d l i q u e f a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s Te s t r e s u l t s s h o w t h a t t he b u i l d u p o f e x c e s s p o r e wa t e r p r e s s u r e wi t h i n t he s o i l wi t h s h e a r h i s t o r y i s s ma l l e r t h a n t h a t wi t h o u t s h e a r h i s t o r y I n o t h e r wo r d s，s h e a r h i s t o r y c a n e n h a n c e t he l i q u e f a c t i o n r e s i s t a n c e o f s a n d Ke y wo r d s：s h e a r h i s t o r y；san d；l i q u e f a c t i o n；mo d e l t e s t 砂土液化是 建筑震害 中的一种常见现象，可导 致地基丧失承载能力，从而对建筑物造成严重 的危 害 因此，砂土液化一直是岩土工程和地震工程领域 的重要研究课题 其中，砂土液化影 响因素分析是砂 土液化研究 的核心 内容 砂土液化受到多种 因素的 影响，如粒径、颗 粒级配、密度、围压、地震特征 以及 排水条件等 关于这些常规要素，由于科研工作者认 识较早，已经开展 过深入详 细的研究 然而，影 响砂 土液化特性 的另外 一个要素剪 切历史，长期 以 来却受到一定程度 的忽视，目前仅有少量学者开展 过相关研究工作 F i n n等_】通过三轴试验 和纯 剪试 验发现，在材料、围压、密度、荷载等其他条件完全相 同的情况下，剪切历史会对砂土的液化抵抗能力产 生显著影 响，并且这种影 响与剪切应变的大小 紧密 相关 小应变的剪切加载历史会使砂土的液化抵抗 能力增强，而大应变 的剪切加载历史则趋向于降低 砂土的液化抵抗能力 I s h i h a r a等_ 2 通过室内三轴 试验结果 指出，剪切历史对砂土液化时超孔 隙水压 的影响具 有方 向性，即具有剪切历史 的砂土试样 在 三轴循环剪切试验 中，在拉伸和压缩两个方向上 的 超孔隙水 压的发展速度不 同 与先期剪切应变相 反 的剪切方向上超孔 隙水压发展速度将加快，而相同 方 向上超孔隙水压的发展则减缓 除了室内三轴试验 以外，少量学者通过振 动台 模型试验研究了剪切历史对砂土液化特性的影 响 S e e d等 和苏栋等l 5 通过对砂土模型地基的连续加 振试验表明，模型地基在承受振动荷载作用下产生 剪切变形后，当再次振动时，模型地基将承受更多 的 振动次数才发生液化，说 明振动加 载产生 的剪切历 史可以增大砂土的液化抵抗能力 然而，通过加振 的 方式无法定量地设定预剪切应变 的数值，因此不能 精确地分析剪切历史对 砂土液化特性 的影响 这是 因为由振动台施加 的振动荷 载与模 型地基产生的剪 切应变之 间并没有直接的对应关 系 对于同一种输 收稿 日期：2 O 1 4 0 4 2 1 基金项 目：国家 自然科学基金(4 1 4 7 2 2 4 9)；教 育部留学 回国人员科研启动基金 第一作者：叶斌(1 9 7 7 一)，男，副教授，工学博 士，主要研究方 向为砂 土液化分析 E-ma i l：y e b i n ma i l 1 9 7 7 g ma i l c o m 第 7 期 叶斌，等：剪切历史对砂土液化特性影响的模型试验系统 表 2 剪切模型箱顶升高度和挡板旋转角度 Ta b 2 J a c k i n g h e i g h t o f s h e a r mo d e l b o x a n d r o t a t i o n a n g l e o f s l i d e bo a r d s 箱缓慢恢复至初始水平状态，同时对活动挡板施加 一个恒定较小 的作用力，使活动挡板 向初始位置回 转 待模型箱 回到初始状态时停止，用螺栓组件 固定 活动挡板位置 最后打开数据采集开关开始采集数 据，设定采样频率 5 0 0 Hz，启动振动台进行循环加载 液化试验，待液化发生并排水结束后停止振动加载 并保存采集数据 试验 中在振动 基座上测得 的加 速度 时程 曲线(输入振动)如图 9 所示 时 I 司 s 图 9 加速度 时程 曲线 Fi g 9 Ti m e hi s t o r y c u r v e o f t h e me a s u r e d a c c e l e r a t i o n 图 1 0显示了不同预剪条件下距模型箱底部 2 0 0 IT l m处测得 的试样 内部超孔 隙水压 的时程 曲线 从 图 1 O可 以看 出，有预剪 的试样达到液化时的超孔隙 水压峰值要小于无预剪试样，说明预剪过后 的试样 较难液化 再 比较不同预剪值之间的超孔隙水压值，0 8 0 6 H a 0 4 0 2 0 时间 s 图 1 0 超孔隙水压 力时程 曲线(距离底部 2 0 0 mm)Fi g 1 0 Ti me hi s t o ry c ur v e s o f t h e me a s u r ed e x c e s s p o r e wa t e r p r e s s u r e s(2 0 0 ml n f r o m t h e b o t t o m)可以看 出，预剪值越大 的试样达到液化 时的超孔隙 水压越小，说明土体 的液化抵抗 能力有 随着预剪值 的增大而增强的趋势 3 结论(1)该模型试验 系统 主要 由剪切模 型箱、小 型 振动台和量测系统组成 剪切模 型箱在箱壁粘贴硬 质海绵来减少侧壁对振动波 的反射，减少 了边界效 应 该模 型试验 系统 的量测系统配置能很好地满足 系统对数据采集精度的要求(2)通过倾斜模型箱，利 用重力在倾斜方 向上 的分量来施加剪切荷 载，并通过控制模型箱一端的 抬升高度和侧壁活动挡板 的旋转角度，可 以精 确控 制剪切应变 的大小，因此可对剪切历史 的影响进行 定量分析(3)通过对具有不同程度剪切历史 的砂土试样 进行振动液化试验发现，由于剪切历史 的作用，试样 在剪切加载过程 中的峰值孔压随剪切历史 的增大而 降低，说明在模型试验 中剪切历史有助于增大砂土 的液化抵抗能力 参考文献：1 F i n n W D L，B r a n s b y P L，P i c k e ti n g D J E f f e c t s o f s t r a i n h i s t o r y o n l i q u e f a c t i o n o f s a n d s J S o i l Me c h a n i c s a n d F o u n d a t i o n s Di v i s io n，1 9 7 0，9 6(6)：1 9 1 7 2 I s h i h a r a K，O k a d a S E f f e c t s o f s t r e s s h i s t o r y o n c y c l i c b e h a v i o r o f s a n d J S o i l s a n d F o u n d a t i o n s，1 9 7 8，1 8(4)：3 1 3 I s h i h a r a K，O k a d a S E f f e c t s o f la r g e p r e s h e a r i n g o n c y c l i c b e h a v i o r o f s a n d J Soi l s a n d F o u n d a t i o n s，1 9 8 2，2 2(3)：1 0 9 r 4 S e e d H B，C han C K，Mo r i KI n f l u e n c e o f s e i s mi c h i s t o r y o n l i q u e f a c t i o n o f s a n d s J J o u r n a l o f t h e G e o t e c h n i c a l En g i n e e r i n g Di v i s i o n，1 9 7 7，1 0 3(4)：2 5 7 5 苏栋，李相崧 地震 历史 对砂 土抗 液化 性能 影 响的试 验研 究 I-J 岩土力学，2 0 0 6，2 7(1 0)：1 8 1 5 S U Do n g，LI Xi a n g s o n g C e nt r i f u g e i n v e s t i g a t i o n o n e f f e c t o f s e i s mi c h i s t o r y o n r e s i s t a n c e of s a n d t o l i q u e f a c t i o n J R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s，2 0 0 6，2 7(1 O)：1 81 5 6 伍小平，孙利 民，胡世德，等 振 动台试验 用层状剪切 变形土 箱的研制I-J 同济大学学报：自然科学版，2 0 0 2，3 0(7)：7 8 1 WU Xi a o p i n g，S UN Li mi n，HU S hid e，e t a 1 De v e lo p me n t o f l a m i n a r s h e a r b o x u s e d i n s h a k i n g t a b l e t e s t J J o u r n a l o f T o n g i i Un i v e r s i t y：Na t u r a l S c i e n c e，2 0 0 2，3 0(7)：7 8 1 7 黄雨，李光辉液化砂土流态运 动模 型试验 系统 的研制 及应用 _ J 水利学报，2 0 1 1，4 2(6)：7 0 0 HUANG Yu，L I Gu a n g h u i De v e l o p me n t a n d a p p l i c a t io n o f a mo d e l t e s t s y s t e m o r l i q u e f a c t io n-i n d u c e d s a n d f lo w J J o u r n a l o f Hy d r a u l i c En g i n e e r i n g，2 0 1 1，4 2(6)：7 0 0 4 2 0 2 4 0 0 爱