地震与地震砂土液化试验2011-11-7日投稿.doc

有限边界的地震砂土液化模拟试验 震旦石窟地震作为一个自然现象，人们对其的感知，虽然已有数千年的历史。但其具大的破坏力、不可预见的随机性、突发性，使地震成为人类历史上，最神密、最复杂、最难解的课题之一。因此；积极模拟地震、模拟地震对地面建筑结构体的破坏，模拟地震砂土液化现象，是了解地震、了解地震灾害的有效方法之一。自20世纪60年代，人们开始模拟地震，建立地震模拟振动台系统。并由最初的“简单的单向运动向复杂的三向六个自由度发展，试验的内容也由砌体结构模型试验、框架结构模型试验、筒体结构模型试验向桥梁结构模型试验、具有隔震和减震装置的结构模型试验、结构与地基共同工作的模型试验等新的领域发展”1朗读显示对应的拉丁字符的拼音经过几十年的应用实践，已经证明了“振动台模型试验是目前所有试验方法中最为直接的试验方法，是评估新型结构、超限结构以及具有隔震、减震装置结构等抗震性能的重要手段”2。可以说；人们通过摸拟地震震动试验，在面对地震的动力性破坏方面、已经建立起足够的信心和应对手段。在大地震、特大地震的现场，人们可以发现、一些未丧失安全、使用功能的建筑存在。可以看到一些建筑，既便是因地震、脱离了地基，可以被水冲击、搬运迁移，但还是能够保持其整体结构的完整。我想；这些都应归功于地震模拟振动台的出现。如：“2007年 9月 27日，在目前世界上最大的模拟地震振动台（日本 E Defense）上进行了足尺钢框架振动台试验。由日本、美国、中国、新西兰、意大利和英国等多个国家共 47个队伍参加，代表了工程抗震结构非线性领域的最新研究和应用水平。该比赛要求对一足尺钢框架结构进行振动台试验预测性分析，提交分析结果 包括结构各种地震反应及倒塌时间 并与振动台试验结果进行对比，以结果的准确性作为评判的标准” 3。本次比赛，韩小雷教授代表我国参加，并荣获 3D科研组第三名。不可否认，对于这些地面建筑上的破坏模拟，已经达到了日臻完善自如的境地。那么；对于地下的模拟、松散层、砂土层的模拟，缺憾和不足，一直存在。如：“由于所涉及问题的复杂性和认识上的不足，以及现有连续介质力学原理处理粒散土材料力学问题上的差异，使得现有的研究成果和反应分析原理尚存在许多不足” 4。对砂土液化后的大变形或宏观液化导致“饱水砂土地基在地震液化后强度极度降低，在建筑物荷载或土体自重作用下，地表出现大的垂直向或侧向变形的现象，它会使液化区的各种地下结构、生命线工程产生巨大的破坏”5的认识还不全面。针对这些缺憾和不足，笔者进行了一些尝试；尽可能的用最直接、最有效的方法，营造一个现实、直观的砂土震动液化现象；并试图通过砂土震动液化现象，了解、认识地震液化产生的机理、特征、和危害。经过一系列的试验，笔者似乎找到了能够模拟地震、模拟地震砂土液化的试验方法。通过这个方法，可以直观地给人们演示地震、地震砂土液化的现象和特征。能摸拟地表建筑构筑物的震动现象，可能成为人们认识地震、了解地震砂土液化的新方法。对砂土液化理论抗震，防震、可能产生极积的影响。1地震、砂土液化模拟试验的设计思路与工作原理1.1模拟试验装置的设计思路通过对地震、地震砂土液化的应力、动力来源，与砂土液化现象的分析认为：地震的应力、动力，来自于地球地壳深部；砂土的液化，是地震现象特征之一。地震的应力，从地下向地上传递、在地球深部向地表传递的过程中，应力逐渐衰减，衰减的快慢、或多少、因地层中岩土介质的不同，结构、构造的不同，差异较大。因此；在地表所发生的地震现象，也会各不相同。砂土液化，是砂土颗粒悬浮于水体之中，是砂土颗粒的自重应力减小的过程，原因主要是地下水、孔隙水压的突然升高，既孔隙水动水压大于砂土颗粒的自重应力。在营造砂土液化的过程中，首先对地球物质体进行分析。认为：地球、地层中的物质组成：大至概括有固态颗粒、岩土体，也有液态的孔隙水和气态的孔隙气；地震、地震砂土液化，就是在这三种物质体中产生，它们即是应力传递的媒介，也是应力、变形破坏的主体。它们如果在持续的动力状态下，都有可能造成砂土的震动液化。通过对这三种不同状态物质体的应力传递试验。并经过一系列的试验比较，找到了较为理想的模拟地震，模拟地震砂土液化的试验方法。这个方法，可以模拟人们目前常见的地震、地震砂土液化现象和特征。如砂土液化、喷砂冒水、地裂缝、地震边坡坍塌、地震引起的地表建筑的塌陷、晃动等。1.2模拟试验装置的工作原理假设；地球内部有非固体物质的高压孔隙气空间，有于高压孔隙气密度较小，因此常常位移运动至应力相对较小的薄弱部位，即相似于鸡蛋中的气室，随着地球的运动、内部构造的运动而运动。形成气态动力源，如火山爆发、岩浆活动、出露等，一些构造运动也能造成处于静态的孔隙气运动，这些都可能成为地震砂土液化的动力来源。地震应力过程不仅是固体物质的运动位移，同时也有孔隙气的运动。因此；地震、地震砂土液化模拟试验是用孔隙气作用应力作用点的。因为是室内试验，所不必可能达到野外现场的试验效果，所以模拟试验装置称作有限边界的地震、地震砂土液化模拟试验。 在装有饱和砂土、非饱和砂土的容器内，设置一个应力施放点，用压力气源（模拟地球内部的高压孔隙气）作为应力来源，并通过调压阀对应力大小、时间、进行控制调节，并使容器内砂土发生类似地震的砂土震动液化现象。用连通砂土容器的水压管，显示液化过程中孔隙水压、应力、液化的互动相关关系。（见图1地震、砂土液化模拟试验装置） 2地震、砂土液化模拟试验装置Figure 1 Earthquakes, sand liquefaction test device simulates21砂土液化容器（图1 所示）选取一个能够容纳足够量的砂土容器，为了便于观察，要求透明，其大小视形成液化的宏观效果确定。为取得演示液化效果，因此；容器深度宜大于容器开口直径。因本人目前条件所限，选取了日常所见的大规格透明的纯净水瓶（如条件许可，其大小可无限，只是需要有相应的应力、动力源）。容器的强度，要求在震动过程中，不会因震动而发生破裂，或严重变形。22砂土液化动力来源用空气压缩后的压力气源作为本装置的应力来源，压力大小，可视容器的大小来确定。一般应大于装满后（干澡状态下）砂土的自重应力的两倍。因为砂土液化后砂土层有位移运动的现象，因此；还应加上砂土层位移所克服的摩阻力（或抗剪强度）。两项之和约为砂土自重应力的2倍。23应力调节本装置是采用调压阀来实现对应力的大小、时间、频次等，进行控制调节的。通常是先用小压力、逐步增加至液化所需的压力。压力上限为砂土自重应力的2倍左右。在逐步加压过程，可观测到砂土液化过程中，与地下水位的变化、压力、砂土自重之间的关系。如果在加压过程，增设压力增减变换频率的装置，则液化的现象和程度就更快、更宜实现。24应力点或震中、发震点设置 应力点是作用于砂土层中，导致砂土液化时的作用点，相似于地震时的震中、或发震点，在试验中，设置在砂土液化容器的底部中心位置。刻意追求震中与地表的最大间距。25水位设置，与孔隙水压观察砂土液化必须有水参于，没有水、就不会有砂土液化，或不叫液化。水位越高，砂土层就越宜震动液化。为了说明砂土受震动后，能引起孔隙水压上升、导致地下水位升高；砂土液化不仅是饱和土的液化，而是包括非饱和土在内的砂土液化。因此；本试验装置设置了较低的水位，尽量形成一个非饱和砂土层的存在，并演示只有非饱和砂土发生液化时，我们才能发现砂土液化的宏观现象。为了便于观察孔隙水压与砂土震动液化的相关情况，在砂土液化容器的外边设置了与容器内相通的孔隙水压观测管。其水位高低变化，能反映容器内砂土的应力变化。26砂土液化试验材料砂土液化、基本上包含了所有砂土材料，本试验装置进行了包括粉细砂、中粗砂、砾砂在内的多种不同的砂土，都产生了砂土液化的效果。因此试验材料，不作特别要求，本试验演示的、是以粉细砂作为砂土液化的代表材料。3地震、砂土液化模拟试验装置的试验效果与相关问题的讨论31地震、砂土液化模拟试验装置的试验效果地震与地震砂土液化试验最初是从较小的容器逐渐开始的，试验材料从粉细始到砾砂砂，均得到了宏观的砂土震动液化效果。特别是在砂土层上覆盖有板结的粘土层时，还能看到地震时的地裂缝、表面高低错落时砂土的坍塌、陷落，可能是目前室内试验最直观、最形象，模拟程度最好的试验装置。根据试验原理有继续发展、移植室外的可能和条件。如果室外的大型现场试验，能够支持、验证室内的现象。那么；可能成为研究地震、了解地震的新方法。可能给防震、抗震，提供参考依据。也可能对砂土液化成因、机理、特征的认识，产生积极的作用。32砂土液化相关问题的讨论由于地震与地震砂土液化试验是室内的模拟试验，并非真正现实的地震现场，因此；试验依据、试验过程，及试验现象、特征、及模拟效果、还有待验证。但并不影响对一些问题展开讨论。讨论；传统的砂土液化机理认为：“松散的砂土受到震动时有变得紧密的趋势。但饱和砂土的孔隙全部为水充填，因此这种趋于紧密的作用将导致孔隙水压力的骤然上升，而在地震过程的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力（有效压力）减小，当有效压力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度，和承载力，变成象液体一样的状态，即通常所说的砂土液化现象” 6。而从模拟地震砂土液化的试验结果上看，砂土液化现象，是由地震应力直接引起的。这个地震应力一方面是以震动、波动的方式向四周传播，另一方面使地层、地层中的岩土颗粒、孔隙水、孔隙气，以位移、震动的方式，向应力较小的方向运动传播。当地震的震动、波动，及孔隙水、孔隙气到达地表附近时，如果应力值大于砂土颗粒的自重应力，砂土颗粒就有位移运动的趋势。孔隙水、孔隙气、对应力应变的敏憾性远大于岩土颗粒。因此；对于地心或震中传来的震动波动，先于岩土颗粒，运动、位移。当运动至地表附近，并在所到之处，通过水的浮力有效的减小了岩土颗粒的自重应力。如果应力值继续增大、大于或超过岩土颗粒的摩阻力（或周边的剪切强度），就会导致砂土颗粒的重新排列或运动。由于应力方向是距应力中心较近的地层深部，向应力中心较远的地表。即：孔隙水、孔隙气、砂土颗粒，均是以位移的方式向上运动或震动。在地表附近、孔隙水、孔隙气是先于砂土颗粒以位移的方式向上运动的。在这一过程中，往往会导致地下水（孔隙水压升高）迅速上升，不仅减小了岩土体的自重应力，而且通过水的渗透、减少了单粒结构砂土颗粒的摩阻力，使砂土颗粒在孔隙气压、孔隙水压增大、向上运动的同时，砂土颗粒逐渐趋于游动液化状态，丧失原有的强度。讨论；传统的地震砂土液化理论认为：地震砂土液化与砂土的密实度相关。即：砂土密实度越好，就越不容易液化。当砂土达到一定的密实度时，砂土就不会液化。而从模拟地震砂土液化的试验结果上看，砂土液化与砂土的密实度无关。既便是砂土非常密实，达到了砂土密实度的极限值（只要不胶结、还存在渗透性），也一样可以发生液化。以地震时，液化状态的应力水平估算，地震应力值必然大于砂土液化时的浮容重、与抗剪强度所需的能量之和。而密实的砂土、与松散状砂土，当处于饱和状态时，其孔隙均被水所充填，此时自重应力也都趋于浮容重，之间的差值是有限的，只可能影响液化形成的早晚、快慢、和液化程度的强弱，但不会因为密实而达到抗拒液化的程度。讨论传统的砂土液化理论认为：只有饱和砂土，才有可能发生地震砂土液化。在判别上，通常只考虑地下水位线以下的砂土层液化的可能性。从模拟的试验结果上看：并非只有饱和砂土、才会发生震动液化；非饱和砂土，在地震作用下，也可能会因地震、发生震动液化。这一结论不仅在模拟试验中得到了验证，而且在地震液化现场，完全可以证实。因为；地震可能引起孔隙水压升高，而孔隙水升高，就会使砂土层的地下水位上升。对于地下水位线以上的砂土、或非饱和砂土，在地震到来时，完全可能因为水位快速上升，而饱和、发生液化。如果在地表发现了砂土地震液化的现象，那么；为什么不认为表层砂土的液化事实呢？其实；地表发现了砂土地震液化的现象、当时的孔隙水压一定高于地表，使地震前的非饱和土、会因地下水的上升而变成饱和土。因此；发现了地表砂土层的液化现象，就说明了该砂土层已经是液化土层。地震砂土液化，不仅仅是地下水位以下的砂土层、还应考虑地下水位以上的非饱和砂土层，其厚度应该是地震前的地下水孔隙水压（即地震前的地下水位）与地震时的孔隙水压的差值。人们从未亲眼所见地表几米以下的砂土层，发生地震液化的现象。却能想像其液化、机理、特征。论证其地下某个部分砂土液化的可能性。那么为什么对人们亲眼见到的地震砂土液化现象，视而不见、却并不认为是液化土层，并不讨论存在地震液化的可能性。这值得重新认识。从地震、地震砂土液化的试验中还可以看出：地震能否引起地下孔隙水压升高，即地下水位上升，是地震砂土液化的重要因素。如果地震震中在地层中的某个部位，地震传至地表、仅是震动，没有地下水的参于、或地下水仅在地层中某个深度范围，那么；产生液化的程度是有限的，局部的，对地表产生的震动只能认定为地震，不能认定为液化。反之；人们见到了地震砂土液化现象、或发现了地表液化、或地震过后砂土层中有地下水出露地表迹象，那么；地震时的孔隙水压一定大于地表，地下水位在地表附近、或高于地表。另外；在地震砂土液化试验中，还揭示了地震时液化土层与地面建筑的依存关系。当没发生地震时，砂土层是具有一定的强度，并可以支撑地面建筑的荷载，保证其安全稳定。地震到来时，如果砂土层发生了液化，那么；对于地表建筑基底压力，小于震动液化土体的单位密度压力时，地表建筑会随砂土液化而震动，而不会下沉；对于地表建筑基底压力，大于震动液化土体的单位密度压力时，地表建筑会随砂土震动液化而震动下沉、或震动倾斜。地震、地震砂土液化模拟试验：在室内形象的展示了地震、地震砂土液化现象；凭借试验原理、模拟程度，有继续研究、探讨的空间。如果这个试验方法，能够在室外进行、在室外重现砂土液化大变形现象，将有助于“对液化后大变形的研究主要从室内和现场两个方面着手，室内试验研究可对大变形发生的机理、条件、影响因素等进行分析，现场研究可以从宏观上把握大变形发生的一些规律，并可对室内试验研究的结果进行验证” 7。因此；有限边界的地震、地震砂土液化模拟试验，对于地震、地震液化大变形的研究，也有积极的意义。附件：地震、地震砂土液化摸拟试验短片参 考 文 献 / References1朱伯龙.1989.结构抗震试验M. 北京：地震出版社：21-1202王燕华.2008.浅谈地震模拟振动台试验J.工业建筑.第38卷第7期.34-363韩小雷.2008.足尺钢框架振动台试验及动力弹塑性数值模拟J.地震工程与工程振动.第28卷.第6期.134-1414邵生俊，谢定义. 1999.饱和砂土动力学基本特性及其应用途径的研究J.西安理工大学学报.34-385刘汉龙.2002.砂土地震液化后大变形特性试验研究J.岩土工程学报.第24卷.第2期.142-1466常士骠.张苏民.2007.工程地质手册（第四版）M.北京:中国建筑工业出版社.5957刘汉龙.2002.砂土地震液化后大变形特性试验研究J.岩土工程学报.第24卷.第2期.142-1465