饱和黄土液化及液化后大变形试验研究

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1、河海大学博士学位论文饱和黄土液化及液化后大变形试验研究姓名：佘跃心申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：刘汉龙20071201摘要中国是世界上黄土面积最大、厚度最厚、地貌地域最复杂的国家之一，其分布面积达64万km2，约占我国陆地面积的6．6％。南北地震带北段以及汾渭、祁连等地震带都展布在黄土高原及其周边地区，独特的地质构造特征使得该区为地震多发地区。由于黄土独特的动力易损性，黄土地震诱发的各种地质灾害：滑波、震陷和液化等灾害已引起人们广泛关注。东京大学Ishihara教授基于前苏联塔吉克境内的地震而产生的黄土滑坡和流滑

2、考察研究，提出了半干旱地区地震诱发黄土液化进而造成大面积黄土滑坡和泥流成因机理。白铭学、张苏民分析了1920年海原8．5级地震的震害，指出石碑塬上覆土体沿缓斜坡降方向向前滑移了1．5km，其主要原因是地震使石碑塬11-25米深度范围内砂质黄土层发生了液化。其后，国内外黄土工程界对黄土液化问题给予了广泛关注，国内许多研究机构也相继展开了黄土液化的研究。本课题在教育部骨干教师基金和国家自然科学基金资助下对黄土液化及液化后变形性能等相关问题展开了研究。主要工作内容如下：(1)对饱和黄土及饱和重塑黄土进行了动力液化试验。室内试验研究

3、表明饱和原状黄土和重塑黄土在动荷载作用下是可以液化的，饱和黄土孔压增长表现了振动早期就达到较高的孔压比，而后期孔压增长相对缓慢的特征，孔压曲线形态丰满，呈双曲线形态。饱和重塑黄土孔压增长与原状黄土孔压增长有所区别，而与粉土的孔压增长特征相类似，其增长速率也较砂土快一些。(2)基于黄土的结构、颗粒组成以及湿陷性等特性的分析，对饱和黄土在动载作用下的体积变形过程以及与孔压增长之间的关系进行了研究。研究表明饱和黄土在动载作用下体积变形可以分成两个分量：一是由黄土湿陷性转化而来的体积变形分量，二是由动剪应力引起的剪缩分量。第一个分量

4、主要发生在振动早期，而剪缩分量主要发生在振动后期。这个体变特征控制了饱和黄土孔压增长，决定了孔压增长曲线的形态。(3)在对孔压增长模型分析的基础之上，根据饱和黄土及饱和重塑黄土孔压增长特征，提出了适合饱和黄土的孔压增长曲线方程。曲线方程采用修正A型曲线方程，修正参数为反映饱和黄土湿陷的体变D以及反映动剪应力幅值的13。拟合结果表明参数u和B可以很好地拟合曲线形态。(4)采用全自动多功能三轴仪进行了饱和重塑黄土液化后变形特性的试验研究。试验研究表明饱和黄土液化后静加载时变形呈现两个典型的变形阶段，即低刚度区和高刚Ⅲ河海大学博士

5、学位论文余跃心2007．11度区。其中低刚度区应变幅值可达百分这十几，而剪应力却很小。有效应力近乎为零。随着应变的增加，试样中孔压逐渐降低，有效应力增加，土体的剪切模型逐渐得到恢复。重塑黄土的干密度、液化度、有效固结应力等因素都对液化后变形特性有一定的影响。基于液化后黄土的体变特征，将液化后过程分为低刚度区和高刚度区两段来分别构建剪应变公式。(5)基于1920年海原大地震震害资料的分析，结合有关文献的研究成果，对海原地震中固原地区的地下水位变动情况进行了分析，并推断由于地应力的作用，固原地区地下水位在震前有明显的上升，震时强

6、烈的地震动迸一步使地下水位上升，从而使Q3黄土处于饱和状态。结合海原地震的特征以及本文室内动力液化试验成果，对石碑塬缓坡下黄土体大面积滑坡成因机理进行了推断。(6)基于有限元方法对黄土地基的抗液化性能进行了分析。分析结果表明经碎石桩处理后的黄土地基其抗液化性能并没有得到明显的改善，碎石桩的排水作用主要是在地震作用结束后一段时间内，而在地震作用期间其排水作用不十分明显。增大碎石桩桩径以及提高碎石桩渗透系数(减小其排水阻抗)并不能有效改善黄土地基的抗液化性能，碎石桩排水作用的发挥因受黄土的渗透系数较小的原因而得不到充分发挥。(7

7、)基于黄土区地貌、黄土分布以及黄土地下水资源等因素的分析，以及考虑到由于地震动作用，工业用水、农业灌溉以及生活用水等因素，对黄土区潜在的可能发生黄土液化的区域进行了预测。关键词：饱和黄土、孔压模型、液化机理、液化后大变形、室内试验、黄土液化预测、抗液化措施IVABSllb研AbstractLoessisaspecialkindofsedimentationontheearththatformedintheQuaternaryperiod．InChina．10esswithagreatthicknessandacomplete

8、sequenceiswidelydistributedandthetom／areaofdistributionisabout640000km2．TheareawithseismicintensityOVerVIdegreeintheLoessPlateauis335000km2．Atten