基于重塑飽和砂土模型的現(xiàn)場液化試驗方法

基于重塑飽和砂土模型的現(xiàn)場液化試驗方法

付海清1，2， 袁曉銘1， 陳龍偉1

(1.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱150080； 2.山東省地震局 工程地震研究中心，山東 濟(jì)南250021)

摘要：基于現(xiàn)場開展土體液化問題研究勢必成為今后土動力學(xué)中的一個重要發(fā)展方向。目前人工激振下的現(xiàn)場液化試驗方法還不夠成熟，尚需進(jìn)一步探索和發(fā)展。本文從試驗設(shè)備組成、場地地震動激勵、試坑布置、飽和砂土模型制備、數(shù)據(jù)測量與采集等5個方面論述該方法中的主要技術(shù)問題。研究表明：動力加載系統(tǒng)激勵產(chǎn)生的地震動在0～7 m/s2；系統(tǒng)工作頻率13～15 Hz，飽和砂土模型與基礎(chǔ)邊緣的距離在0.5～2.5 m范圍內(nèi)，更適合進(jìn)行液化試驗；應(yīng)用水沉法現(xiàn)場制備飽和砂土模型， 要重點(diǎn)注意試坑防水和尺寸定位的問題；數(shù)據(jù)測量與采集中要充分考慮對現(xiàn)場液化問題認(rèn)識不夠這一因素的影響，需對數(shù)據(jù)測量與采集提出附加要求；試驗實例初步表明，該方法可行，適合開展液化問題研究。

關(guān)鍵詞：砂土液化； 人工激振； 現(xiàn)場試驗； 方法

收稿日期：*2014-08-20

基金項目：中央級公益性研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(2013B03)；山東省地震局重點(diǎn)科研

作者簡介：付海清(1985-)，男，博士研究生，工程師，主要從事巖土地震工程的研究工作.E-mail：haiqing85@163.com

中圖分類號:TU41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0016

A Method for In-situ Liquefaction Test Based on

Reconstituted Saturated Sand Model

FU Hai-qing1，2， YUAN Xiao-ming1， CHEN Long-wei1

(1.InstituteofEngineeringMechanics，ChinaEarthquakeAdministration，Harbin，Heilongjiang150080，China；

2.EngieeringSeismicResearchCenter，EarthquakeAdministrationofShandongProvince，Jinan，Shandong250021，China)

Abstract：Research on soil liquefaction under in-situ conditions will be an important branch in soil dynamics.At present，in-situ liquefaction test under artificial dynamic loading remains at the research stage；there have been only a few studies.This paper presents a method for in-situ liquefaction test based on a remolded saturated sand model.Many technological problems related to this method are discussed，which include five parts：(1)test apparatus，(2)ground motion stimulation，(3)test pit arrangement，(4)saturated soil model preparation，and (5) data measurement and acquisition.An in-situ liquefaction test using this method was performed in this study.The surface soil acceleration and pore water pressure data indicate that soil liquefaction occurs under artificial dynamic loading.The main points are：(1)A dynamic loading system can simulate strong ground motion with an acceleration from 0 to 7 m/s2.(2)Under a loading frequency of 13 Hz to 15 Hz，the soil liquefaction test can be performed relatively easily when the distance between the soil model and loading base is 0.5 m to 2.5 m.(3)Measurement positioning and water-proofing are key factors during the preparation of the saturated soil model.(4)More request in data measurement and acquisition should be raised because of little acknowledges for soil liquefaction at site.(5)Experimental results indicate that this technology is practically feasible.Studies on special liquefaction problems can be performed using this method. It also paves the path for further studies on geotechnical in-situ testing techniques under artificial dynamic loading.

Key words： soil liquefaction； artificial dynamic loading； in-situ test； method

0引言

砂土液化是造成地震災(zāi)害的主要原因之一，歷來受到巖土工程界與學(xué)術(shù)界的關(guān)注，并進(jìn)行了廣泛探討。對于液化問題，國內(nèi)外已有大量有益的研究成果，豐富了對土動力學(xué)的認(rèn)識。但由于其復(fù)雜性，至今還在不斷探索之中，未來仍是巖土工程中研究的重要和難點(diǎn)問題之一。

震害調(diào)查和室內(nèi)試驗是目前人們認(rèn)識和研究液化問題的重要手段。震害調(diào)查往往受限于大震發(fā)生的頻率，而且不是每次破壞性強(qiáng)震中都有突出的液化問題。比如國內(nèi)液化資料庫，自1976年唐山7.8級地震發(fā)生至今，除去2008年汶川8.0級地震中出現(xiàn)了大量的液化實例[1]，在近40年的時間內(nèi)鮮有補(bǔ)充更新。室內(nèi)試驗也不可能同時、全面地對土體所處的天然應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)、初始結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)及地形等條件進(jìn)行模擬。而在真實地震中這些因素顯然會影響砂土液化的發(fā)生、發(fā)展過程，液化現(xiàn)象也會表現(xiàn)出復(fù)雜的變異。室內(nèi)試驗難以復(fù)現(xiàn)真實自由場地的砂土液化過程，若考慮實際工程場地的因素，模擬條件更難實現(xiàn)。而實際工程應(yīng)用中，恰恰對考慮工程因素的土體液化問題的解答需求較為迫切。

隨著砂土液化問題研究的深入，更傾向于在現(xiàn)場條件下直接開展試驗，了解真實液化的發(fā)生發(fā)展過程和土體響應(yīng)規(guī)律，使現(xiàn)有認(rèn)識更能客觀描述其物理本質(zhì)和發(fā)生過程，進(jìn)一步探討和研究土體的液化機(jī)理、改進(jìn)現(xiàn)有液化判別方法、提出經(jīng)濟(jì)合理的工程抗液化措施等。因此，基于現(xiàn)場開展土體液化問題研究，勢必成為今后土動力學(xué)中的一個重要發(fā)展方向。

通過現(xiàn)場監(jiān)測實地研究地震中液化問題的方法在上世紀(jì)70年代得到了發(fā)展，至今未曾中斷。由于地震短臨預(yù)報技術(shù)尚不成熟，加之在某一地區(qū)發(fā)生破壞性強(qiáng)震的罕遇性，使得這種被動“等地震”方法的研究效果大打折扣。迄今，僅有Holzer等[2]在1987年Superstition Hills地震中同時獲得了完全液化場地的加速度和孔壓時程記錄。顯然從研究成果的數(shù)量上不能滿足人們對液化問題深入研究的需求。

采用人工震源激勵產(chǎn)生的地震動來替代天然地震動，在可液化天然土層或在現(xiàn)場的人工飽和砂土模型中直接研究液化問題的方法，在上世紀(jì)90年代得到了發(fā)展。這通常稱之為人工激振下的現(xiàn)場液化試驗方法。目前此方面取得的研究成果不多，國內(nèi)尚處于起步階段。而且已開展的現(xiàn)場液化試驗往往因人工震源、試驗場地條件等因素的不同，導(dǎo)致試驗技術(shù)差異較大。在國際范圍內(nèi)尚沒有一種相對成熟、普遍適用的現(xiàn)場液化試驗方法?？傊斯ぜふ裣碌默F(xiàn)場液化試驗方法還處在探索和發(fā)展階段。

作者所在課題組自行發(fā)展的人工激振下的現(xiàn)場液化試驗方法已經(jīng)在文獻(xiàn)[3]中得到了初步實現(xiàn)，通過模型箱的方式成功進(jìn)行了液化試驗，取得了良好效果。在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步發(fā)展了基于重塑飽和砂土模型的現(xiàn)場液化試驗方法，即在場地內(nèi)直接開挖試坑，通過體積為1 m3的重塑飽和砂土模型，以人工激振方式進(jìn)行現(xiàn)場液化試驗。此試驗條件下，砂土模型可看作1-g條件下的足尺模型，應(yīng)力邊界條件更接近天然地層的真實邊界，土體遭受的應(yīng)力波類型包含P波、S波和面波。而且根據(jù)不同的研究目的，可以改變砂土模型的物理性質(zhì)、上覆壓力、上覆非液化土層厚度，布設(shè)足尺結(jié)構(gòu)模型等，改善以往室內(nèi)常規(guī)試驗和振動臺液化試驗不能或難以實現(xiàn)的模擬條件，更真實地研究場地中的砂土液化問題。

本文介紹基于重塑飽和砂土模型的現(xiàn)場液化試驗方法。對于一般性的土工試驗技術(shù)與方法，在相關(guān)教程、文獻(xiàn)和技術(shù)規(guī)范[4]中有較系統(tǒng)、詳細(xì)的論述，現(xiàn)在國內(nèi)發(fā)展迅速且相對成熟的振動臺液化試驗技術(shù)也可為本試驗方法提供較多借鑒，因此從略。本文內(nèi)容圍繞試驗設(shè)備組成、場地震動激勵、試坑布置、飽和砂土模型制備、數(shù)據(jù)測試與采集、試驗實例淺析等6個方面展開論述。此研究成果可為開展類似的人工激振下現(xiàn)場液化試驗提供技術(shù)參考，也為進(jìn)一步開展天然土層的原位液化試驗和其他土動力特性原位試驗奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1試驗設(shè)備組成

試驗設(shè)備主要由動力加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)和試驗輔助系統(tǒng)等三大系統(tǒng)組成。簡述如下：(1)動力加載系統(tǒng)由激振器、剛性塊體基礎(chǔ)、變頻控制器、電動機(jī)及配套設(shè)備組成；(2)數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集儀(系統(tǒng))、電源及相關(guān)配套設(shè)備組成，目前該系統(tǒng)中使用的傳感器包括加速度傳感器、孔壓傳感器、位移傳感器等；(3)試驗輔助系統(tǒng)是指為保障現(xiàn)場液化試驗的順利實施，獨(dú)立于上述兩個系統(tǒng)的其他硬件部分，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和試驗需求確定。

參考文獻(xiàn)試驗設(shè)備的技術(shù)要求、技術(shù)參數(shù)和工作性能等具體內(nèi)容可[3]。

2場地地震動激勵

場地地震動由動力加載系統(tǒng)激勵產(chǎn)生。進(jìn)行液化試驗時，將激振裝置的輸出荷載方向設(shè)置為水平向，通過變化工作頻率來控制諧振力的大小。諧振力通過埋置在土體中的剛性塊體基礎(chǔ)(以下簡稱基礎(chǔ))傳遞，并激勵周圍一定范圍內(nèi)的土體震動。理論推斷，地震動大小與工作頻率正相關(guān)；激勵地震動的應(yīng)力波類型包含P波、S波和面波，隨著與基礎(chǔ)兩側(cè)邊緣距離的增大而土體地震動呈衰減趨勢。為較客觀地了解激勵土體地震動的效果和合理設(shè)計現(xiàn)場液化試驗，進(jìn)行了場地地震動測試。

傳感器布置方案如下：在基礎(chǔ)中軸線延伸方向，距離基礎(chǔ)邊緣4.0 m范圍內(nèi)，間隔0.5 m布設(shè)單向加速度傳感器。傳感器埋設(shè)在地表下3～5 cm處，其主軸方向要與振動波傳播方向一致，并夯實上覆土。盡管這種測試獲取得是土體的地表加速度，可以側(cè)面反映激勵地震動的水平大小和衰減情況，操作也簡單易行。

地表加速度大小與頻率正相關(guān)，設(shè)定工作頻率在3、5、8、10、11、12、13、14，15、17和20 Hz下進(jìn)行場地震動測試，各頻率工況下激振持時約10 s，數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz。按上述方案，某一特定頻率工況下可以得到9個加速度時程記錄，整個測試過程可得到99個加速度時程記錄。

圖1　土體地表加速度時程及其Fourier譜(8 Hz，0 m測點(diǎn)) Fig.1　 Soil surface acceleration time history and its Fourier spectrum (measuring point at 8 Hz，0 m)

圖2　不同頻率不同測點(diǎn)的地表加速度幅值 Fig.2　 Soil surface acceleration amplitudes at different measuring points and frequencies

圖1(a)是8 Hz時基礎(chǔ)邊緣處(0 m測點(diǎn))土體的加速度時程，為圖示清晰任意截取1 s片段；圖1(b)是該時程的Fourier譜。由圖可知，激勵產(chǎn)生的土體加速度幾乎為8 Hz正弦波。其他不同頻率、不同測點(diǎn)的地表加速度規(guī)律類似，限于篇幅不再列舉。根據(jù)99個加速度時程，計算得到不同工作頻率不同測點(diǎn)的土體地表加速度幅值，并繪于圖2中?？傻玫揭韵抡J(rèn)識：(1)動力加載系統(tǒng)安全工作頻率范圍(3～22 Hz)內(nèi)，激勵產(chǎn)生的土體地震動的加速度幅值在0～7 m/s2之間，能夠滿足現(xiàn)場液化試驗的要求；(2)地表加速度幅值的衰減較快，特別是在0～0.5 m范圍內(nèi)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因至少與地震動頻率較高有關(guān)；(3)不同工作頻率下土體地表加速度衰減趨勢基本一致；(4)距離基礎(chǔ)邊緣4.0 m外的最大土體加速度幅值已經(jīng)衰減到1.0 m/s2以下，較難滿足液化試驗的要求；(5)工作頻率在12 Hz以下時，激勵產(chǎn)生的周圍土體地震動水平較低，不適合進(jìn)行液化試驗。

選取頻率范圍為12～20 Hz的加速度幅值作進(jìn)一步分析，并把不同測點(diǎn)的數(shù)據(jù)(精確到小數(shù)點(diǎn)后2位)列于表1中。為便于觀察地震動衰減規(guī)律，假定1.0 m測點(diǎn)土體地表加速度幅值的初始值為3.00 m/s2，按照體波、瑞利面波的理論衰減關(guān)系(分別為1/R2和1/(R)0.5，R代表距離)計算得出4 m范圍內(nèi)加速度值(表1)，在表1中分別以英文字母縮寫命名為BW值和SW值。12～20 Hz頻率范圍內(nèi)的土體地表加速度衰減趨勢如圖3所示。

表 1地表加速度幅值(12～20 Hz)與假定計算值

Table 1Soil surface acceleration amplitudes (12～20 Hz) and assumed values

測點(diǎn)位置/m加速度幅值/(m·s-2)12Hz13Hz14Hz15Hz17Hz20HzBW值SW值02.104.615.576.116.886.000.50.561.141.471.521.942.6912.004.241.00.460.921.261.231.502.093.003.001.50.360.680.970.991.131.541.332.452.00.330.580.820.871.001.250.752.122.50.290.520.780.810.881.050.481.903.00.250.420.650.730.760.960.331.733.50.230.400.610.660.740.860.251.604.00.210.320.540.610.660.720.191.50

圖3　土體地表加速度衰減趨勢(12～20 Hz) Fig.3　 Attenuation of soil surface accelerations (12～20 Hz)

結(jié)合表1和圖3分析，還可以得到以下認(rèn)識：(1)地表加速度的衰減與瑞利面波的衰減關(guān)系基本吻合，符合現(xiàn)有理論認(rèn)識，也說明試驗數(shù)據(jù)可靠；(2)13～20 Hz，0.5～3.0 m范圍內(nèi)，相同測點(diǎn)的土體地表加速度幅值隨著頻率的增大也相應(yīng)增大，表明該頻率和區(qū)域范圍內(nèi)激勵產(chǎn)生的地震動狀況相對穩(wěn)定，土體也未發(fā)生顯著性震動破壞，更適合進(jìn)行液化試驗；(3)20 Hz工況下，基礎(chǔ)邊緣附近土體加速度反而偏小，推斷為劇烈的地震動使土體發(fā)生破壞導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)失真，因此工作頻率不宜超過20 Hz。

根據(jù)場地地震動測試結(jié)果可知：在現(xiàn)有試驗設(shè)備和試驗場地條件下進(jìn)行基于重塑飽和砂土模型的現(xiàn)場液化試驗，設(shè)備工作頻率應(yīng)選定在13～15 Hz，砂土模型與基礎(chǔ)邊緣的距離在0.5～2.5 m之間，有望取得預(yù)期試驗效果。

3試坑布置

試坑是在選定的試驗場地上直接開挖。試坑與基礎(chǔ)的相對位置是否合理直接關(guān)系到液化試驗的效果。根據(jù)場地地震動測試結(jié)果，并結(jié)合試驗運(yùn)行實際需求，確定了兩者相對位置，試坑設(shè)計尺寸為1 m×1 m×1 m。試坑與基礎(chǔ)的相對空間位置如圖4所示。

圖4　試坑與基礎(chǔ)相對空間位置示意圖 Fig.4　Sketch of relative location between test pit and base

試坑布置中需注意：(1)試坑開挖時，盡可能使坑壁齊整，與設(shè)計尺寸相符，必要時可以通過注水方式校核試坑實際體積；(2)試坑周邊至少2 m范圍內(nèi)場地平整，無雜物；(3)開挖坑土及試驗用砂不能在試坑周圍堆積，以免試坑產(chǎn)生較大變形；(4)試坑周圍要有相對穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，以便在試驗中進(jìn)行尺寸定位；(5)試驗停止期間，試坑宜用干砂填平，以免坑壁局部坍塌或產(chǎn)生較大變形而影響后期試驗。

4飽和砂土模型制備

室內(nèi)試驗的飽和砂土模型往往采用水沉法制備，其操作方法、優(yōu)勢及特點(diǎn)已有較多文獻(xiàn)論述，試驗技術(shù)相對成熟。對現(xiàn)場液化試驗而言，不確定因素多，同時涉及試坑防水、操作空間狹小、定位不便等問題，制作難度相對大。因此制作工藝上也與室內(nèi)制作飽和砂土模型有所差別。Chang[5]曾利用水沉法在現(xiàn)場液化試驗中成功制備了體積為1.8 m3的飽和砂土模型，并通過P波波速測試證明了該飽和砂土模型是接近完全飽和的?？梢娝练ㄒ策m用于該試驗中的飽和砂土模型制作。

要制備符合現(xiàn)場試驗特定要求的砂土模型，要重點(diǎn)注意以下兩個問題：(1)試坑防水：坑底宜先鋪設(shè)厚度約1 cm的細(xì)砂墊層找平，然后在試坑內(nèi)鋪設(shè)一層較薄、柔韌性好、強(qiáng)度高的完整防水材料，防水材料應(yīng)盡可能緊貼坑壁。試坑是否防水是制備飽和砂土模型成敗的關(guān)鍵，必須足夠重視。(2)尺寸定位：防水材料固定后，應(yīng)沿坑壁自上而下均勻標(biāo)記尺寸，坑壁兩側(cè)可放置刻度尺。由于制備土體模型過程中，坑內(nèi)刻度位置會發(fā)生小幅度變化，且砂土在水面以下，因此需利用坑外固定基準(zhǔn)點(diǎn)，必要時可用釣魚線或細(xì)鐵絲等進(jìn)一步精確定位。這樣，可以按照試驗設(shè)計規(guī)定尺寸(深度)布設(shè)傳感器，并制備出不同相對密度的飽和砂土模型。

砂土模型制備完畢后，宜在自然狀態(tài)下固結(jié)24小時以上。固結(jié)期間需在砂土表面覆蓋一層塑料布以防土體模型上部水分自然蒸發(fā)。水位應(yīng)略高于砂土表面，以便檢查土體固結(jié)過程中試坑是否發(fā)生漏水。若需在砂土表面上覆一定厚度的非液化土層，宜在飽和砂土模型制作成功后進(jìn)行。

5數(shù)據(jù)測量與采集

獲取高質(zhì)量的試驗數(shù)據(jù)，一方面取決于數(shù)據(jù)量測與采集系統(tǒng)硬件本身，另一方面取決于采集數(shù)據(jù)應(yīng)遵循的一般原則。有關(guān)硬件選取及數(shù)據(jù)測量采集原則等具體內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[6]。

現(xiàn)場的試驗條件遠(yuǎn)不如室內(nèi)理想，受場地及外界因素影響大，相互協(xié)調(diào)復(fù)雜，試驗控制條件難以把握，不確定性因素多，這會給數(shù)據(jù)測量與采集帶來一定困難。另外目前對場地液化問題的研究不夠，特別是液化發(fā)生、發(fā)展的動態(tài)響應(yīng)過程，加之現(xiàn)場液化試驗技術(shù)尚不成熟。因此難以利用已有的認(rèn)識對數(shù)據(jù)的合理性和數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行判斷和求證。鑒于此，在數(shù)據(jù)測量與采集過程中還要注意：(1)關(guān)鍵測點(diǎn)傳感器的布置宜有“備份”，以便試驗數(shù)據(jù)的校核和分析對比。(2)某一工況試驗結(jié)束，應(yīng)在現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，做到數(shù)據(jù)結(jié)果及時反饋試驗狀況。

總之，要充分考慮對現(xiàn)場液化問題認(rèn)識不夠這一因素的影響，從而對數(shù)據(jù)測量與采集提出附加要求，以確認(rèn)試驗數(shù)據(jù)真實、可靠地反映物理實際發(fā)生過程。

6試驗實例淺析

基于文中所述的現(xiàn)場液化試驗方法，進(jìn)行了一次砂土液化試驗。試驗中，飽和砂土表面出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，并伴隨地表沉降。埋設(shè)在土體內(nèi)的孔壓傳感器和加速度傳感器均采集到了較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。該次試驗土體地表加速度時程和土體中部的孔壓時程(以累積孔壓表示)如圖5所示?？芍?，加載期間，砂土內(nèi)孔壓明顯增高，地表加速度隨著土體液化的發(fā)展出現(xiàn)了大幅度的衰減。試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)均符合現(xiàn)有對砂土液化的認(rèn)識，表明此次試驗取得了成功，現(xiàn)有發(fā)展的現(xiàn)場液化試驗方法可行。有關(guān)此次試驗的詳細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)果，將另作分析討論。

圖5　地表加速度時程與孔壓時程 Fig.5　 Soil surface acceleration time history and pore water pressure time history

7結(jié)論與認(rèn)識

隨著砂土液化問題的研究深入和發(fā)展需求，人工激振下的現(xiàn)場液化試驗方法得到了一定發(fā)展，但總體上取得的研究成果不多，國內(nèi)尚處在起步階段。本文介紹了作者所在課題組自行發(fā)展的基于重塑飽和砂土模型的現(xiàn)場液化試驗方法，論述了該方法中涉及的主要技術(shù)問題。主要結(jié)論與認(rèn)識如下：

(1) 基于現(xiàn)場開展土體液化問題研究，勢必成為今后土動力學(xué)中的一個重要發(fā)展方向。

(2) 人工激振下的現(xiàn)場液化試驗方法，還不夠成熟，尚需進(jìn)一步探索和發(fā)展。

(3) 動力加載系統(tǒng)激勵產(chǎn)生的地震動在0～7 m/s2，系統(tǒng)工作頻率13～15 Hz，飽和砂土模型與基礎(chǔ)邊緣的距離在0.5～2.5 m范圍內(nèi)，更適合進(jìn)行液化試驗。

(4) 采用水沉法現(xiàn)場制備飽和砂土模型，重點(diǎn)注意試坑防水和尺寸定位的問題。

(5) 數(shù)據(jù)測量與采集中，要充分考慮對現(xiàn)場液化問題認(rèn)識不夠這一因素的影響，需對數(shù)據(jù)測量與采集提出附加要求。

(6) 試驗實例初步表明，基于重塑飽和砂土模型的現(xiàn)場液化試驗方法可行，適合以此開展具體液化問題的研究。

參考文獻(xiàn)(References)

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