液化地基上建筑物不均勻震陷機(jī)理初步

液化地基上建筑物不均勻震陷機(jī)理初步研究*摘要：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了液化土–結(jié)相互作用的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)中建筑物模型和地基土均勻布置，輸入水平正弦波加速度時(shí)程，得到了建筑物對(duì)稱基底動(dòng)應(yīng)力、孔隙水壓力及震陷時(shí)程。結(jié)果表明：⑴模型對(duì)稱基底的豎向動(dòng)應(yīng)力、孔隙水壓力、震陷反應(yīng)時(shí)程都是呈反對(duì)稱形式分布的；⑵基底動(dòng)應(yīng)力受輸入波波形控制，基底豎向動(dòng)應(yīng)力對(duì)孔壓增長(zhǎng)起決定作用，而孔壓的發(fā)展水平的差異決定了震陷的差異，會(huì)導(dǎo)致建筑物朝孔壓領(lǐng)先的方向傾斜；⑶輸入波-基底豎向動(dòng)應(yīng)力-基底孔壓-結(jié)構(gòu)震陷之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，震陷形式產(chǎn)生的機(jī)理是，輸入加速度波形兩側(cè)基底動(dòng)應(yīng)力形式兩側(cè)基底孔壓累計(jì)形式震陷的形式。關(guān)鍵詞：液化地基，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，不均勻震陷，機(jī)理引言液化震陷是指飽和的砂土在地震液化后形成的地層及其上建筑物的附加沉陷。地震荷載作用下飽和砂土地基上建筑物的震陷是常見的地震破壞現(xiàn)象之一，震陷是涉及地震作用下土體變形的典型震害，而且震陷大多數(shù)是不均勻的，這種不均勻震陷同靜力情形下的不均勻沉降對(duì)建筑物有著相同的危害，加之不均勻震陷通常是在短時(shí)間以較大幅度發(fā)生的，所以它的危害性可能更大一些，在新瀉地震當(dāng)中，有2400多幢建筑物由于發(fā)生液化不均勻震陷而遭受巨大損失，因此，震陷導(dǎo)致的嚴(yán)重災(zāi)害日益受到人們的重視，建筑物震陷的研究已成為當(dāng)今巖土工程抗震問題中引人注目的前沿課題。以往研究的重點(diǎn)主要放在液化的影響因素、產(chǎn)生機(jī)理和條件以及液化可能性方面，對(duì)液化引起的建筑物震陷研究相對(duì)較少。目前，對(duì)于軟土地區(qū)的建筑物震陷及不均勻震陷有一些研究，但針對(duì)液化不均勻震陷機(jī)理的研究尚少。一般而言，液化土層的橫向分布不均勻或建筑物荷重分配不均衡可能導(dǎo)致不均勻震陷發(fā)生，但僅據(jù)此難以解釋均勻場(chǎng)地上荷重均衡的建筑物仍大量發(fā)生不均勻震陷的現(xiàn)象。我們認(rèn)為，在地震波以水平剪切形式輸入的條件下，建筑物對(duì)稱基底的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)孔隙水壓力和建筑物沉降之間存在某種內(nèi)在的聯(lián)系，找出他們之間的聯(lián)系，對(duì)于弄清楚飽和砂土地基上建筑物不均勻沉降的機(jī)理是至關(guān)重要的，也是本文所要討論的重點(diǎn)。本文利用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，考察在荷載分配均衡、地基土層橫向均勻、正弦波輸入情況下地基土壓力、孔隙水壓力以及建筑物傾倒方向之間的關(guān)系，探討地基土液化的機(jī)理。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1試驗(yàn)設(shè)備與激震要求小臺(tái)平面尺寸為90cm×70cm，載重量200kg，電磁激振，單向輸出，最大輸出加速度1g，最大位移±5cm，頻率范圍0～10Hz。波形為正弦波。在小臺(tái)試驗(yàn)中，預(yù)設(shè)的和實(shí)際記錄到的臺(tái)面加速度之間會(huì)有一些差異，所以在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)以實(shí)際記錄到的臺(tái)面加速度為準(zhǔn)。小臺(tái)試驗(yàn)以正弦波做輸入波。選擇不大于0.5g的正弦波做試驗(yàn)用波，激振頻率為5Hz，直到完全液化時(shí)停止。為得到規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，本文進(jìn)行了5次小臺(tái)試驗(yàn)，表1給出了這5次試驗(yàn)所選用地震波的方向、幅值、采樣頻率等信息。1.2地基與建筑物模型表1試驗(yàn)工況序號(hào)名稱輸入（g）波形反饋（g）采樣率（Hz）方向1SINA0.3正弦0.337200南北2SINB0.4正弦0.411200南北3SINC0.5正弦0.495200南北4SIND0.3正弦0.354200南北5SINE0.3正弦0.322200南北試驗(yàn)采用砂箱盛砂模擬地基，小臺(tái)試驗(yàn)砂箱尺寸為51×34×32cm。試驗(yàn)中為了獲得最大的“平面尺寸比”，以減少砂箱邊界反射的影響，使砂箱長(zhǎng)邊與激振方向平行。地基土為灰白色粉細(xì)砂，其最大、最小干密度分別為1.78g/cm3和1.54g/cm3,其篩分曲線見圖1。砂樣經(jīng)篩選、晾干后，用水沉法進(jìn)行地基成型，由于水沉法成型的限制，不可能制成相對(duì)密度很高或很低的地基模型，所以在試驗(yàn)中將相對(duì)密度控制在50%左右，這樣成型比較容易而且也有一定代表性。為保證地基土的橫向均勻性，小臺(tái)試驗(yàn)一次成型厚度小于5cm，最終厚度25cm。當(dāng)填到預(yù)定高度后將土表面拂平并預(yù)置24小時(shí)使砂土盡量飽和，放入地基時(shí)模型的底部還要埋入砂中3cm以模擬地基，到指定位置時(shí)布設(shè)相應(yīng)的傳感器，放入地基后還要固結(jié)24個(gè)小時(shí)，以使其盡量固結(jié)穩(wěn)定。建筑物模型以兩塊幾乎等同的槽鋼對(duì)焊在一起來模擬建筑物，其尺寸為201540cm，重量18kg，埋入土中3cm以模擬基礎(chǔ)。所以選用這樣的地基與建筑物模型主要目的在于排除模型自身荷重分配不均衡及土層橫向分布不均勻?qū)Σ痪鶆蛘鹣莸挠绊?，更便于認(rèn)識(shí)在等幅荷載作用下對(duì)不均勻震陷的影響。圖1地基土級(jí)配曲線1.3傳感器選型和布置試驗(yàn)中用到的傳感器種類及其各種參數(shù)如表2。表2傳感器種類及指標(biāo)種類編號(hào)量程靈敏度V位置方向加速度SA1±1g7.194m//s2/v臺(tái)面水平土壓力SS1－33.88kPPa/v南側(cè)基底豎向SS2－34.27kPPa/v北側(cè)基底豎向孔壓SP150kPa16.055kkPa/vv南側(cè)基底－SP250kPa16.496kkPa/vv北側(cè)基底－SP350kPa16.300kkPa/vv土層中部－位移SD1±10cm0.486vv/cm南側(cè)頂點(diǎn)豎向SD2±10cm0.5v//cm北側(cè)頂點(diǎn)豎向表中列出了各個(gè)傳感器的編號(hào)、量程、靈敏度、位置及布設(shè)方向。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2(a)所示，主要傳感器的布設(shè)位置和布設(shè)方式如圖2(b)所示。1.3.1加速度傳感器的布置試驗(yàn)中只在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面布設(shè)了水平加速度傳感器，布設(shè)方向與激震方向一致。臺(tái)面加速度傳感器用來確定最終輸入波形，輸入加速度與反饋加速度由于各種誤差往往存在一定的差別，在試驗(yàn)中以最終獲得的臺(tái)面加速度記錄為準(zhǔn)。1.3.2孔壓傳感器布置試驗(yàn)?zāi)康脑谟诹私庖?guī)則波與建筑物不均勻震陷之間的關(guān)系，探索規(guī)則波情況下土的液化機(jī)理，而基底孔壓及土壓力是分析這兩者間關(guān)系的橋梁。本次試驗(yàn)中將兩個(gè)孔壓計(jì)對(duì)稱地布置在建筑物模型基底兩側(cè)，來獲得對(duì)稱基底孔壓的關(guān)系。孔壓計(jì)在布設(shè)之前先飽水24小時(shí)左右，使其完全排掉內(nèi)部空氣，減少測(cè)量誤差。由于孔壓計(jì)的探頭專門為測(cè)量液體壓力而設(shè)計(jì)，導(dǎo)液孔比較大，為防止粉細(xì)砂進(jìn)入引起堵塞，試驗(yàn)中在導(dǎo)液孔內(nèi)部襯以海綿，這樣既能保證孔壓的傳遞又能有效防止砂粒的進(jìn)入。1.3.3土壓力計(jì)的布置將一對(duì)土壓力傳感器粘貼于建筑物模型對(duì)稱基底。希望獲取基礎(chǔ)與地基土之間的接觸動(dòng)壓力，觀察對(duì)稱基底動(dòng)壓力之間的關(guān)系，并與布置在同側(cè)的孔壓、震陷相比較，以了解土－結(jié)接觸壓力、地基土中孔隙水壓力及建筑物震陷三者間的聯(lián)系。1.3.4位移計(jì)的布置為測(cè)量建筑物頂點(diǎn)的位移，將位移計(jì)布設(shè)在臺(tái)面上，與對(duì)稱地布設(shè)在建筑物頂點(diǎn)上的懸臂梁相連，位移計(jì)只測(cè)量豎向的相對(duì)于臺(tái)面的位移時(shí)程（即絕對(duì)震陷）。動(dòng)態(tài)掌握隨地基中孔壓的發(fā)生、發(fā)展直至液化時(shí)，震陷是如何發(fā)展變化的。特別關(guān)注的是震陷與基底壓力以及孔壓之間有怎樣的關(guān)系，從而為揭示不均勻震陷的發(fā)生機(jī)理提供佐證。圖2(a)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖圖2(b)傳感器布置示意圖2試驗(yàn)結(jié)果分析需要指出的是，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，理論上的想法是要排除各種非均衡因素對(duì)震陷的影響，地基土體是同質(zhì)且均勻的，建筑物是形式簡(jiǎn)單均衡的，那么在理想情況下，輸入幅值相同的正弦波荷載下，結(jié)構(gòu)的震陷應(yīng)是均勻的。但事實(shí)上，本文SINA、SINB、SINC、、SINE五個(gè)工況下的試驗(yàn)中，只有SINE試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)震陷是均勻的，本文以SIND試驗(yàn)為例對(duì)各種反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析，初步揭示產(chǎn)生不均勻震陷的機(jī)理。2.1對(duì)稱基底動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)圖3顯示了在SIND正弦波輸入下模型對(duì)稱基底的動(dòng)應(yīng)力局部放大反應(yīng)時(shí)程。從圖中可以看到模型對(duì)稱基底動(dòng)應(yīng)力時(shí)程的共同規(guī)律是：對(duì)稱基底的豎向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程是呈反對(duì)稱形式分布的，即當(dāng)建筑物一側(cè)基底出現(xiàn)動(dòng)壓應(yīng)力時(shí)，另一側(cè)的基底則出現(xiàn)幾乎等值反向的動(dòng)拉應(yīng)力，當(dāng)砂層進(jìn)入到液化狀態(tài)以后此現(xiàn)象仍然存在。需注意到，基底動(dòng)應(yīng)力在震動(dòng)一段時(shí)間后，出現(xiàn)了負(fù)向動(dòng)應(yīng)力為零的現(xiàn)象，這是由于此時(shí)孔隙水壓力已經(jīng)有很大升高，土體出現(xiàn)顯著永久變形，建筑物出現(xiàn)顯著震陷，土體和建筑物間出現(xiàn)脫節(jié)造成的。2.2對(duì)稱基底孔隙水壓力比較圖4顯示了SIND輸入下模型對(duì)稱基底的孔隙水壓力局部放大反應(yīng)時(shí)程。通過觀察可知模型對(duì)稱基底孔隙水壓力時(shí)程的共同規(guī)律是：對(duì)稱基底的孔隙水壓力時(shí)程中動(dòng)往返孔壓部分是呈反對(duì)稱形式分布的，即當(dāng)建筑物一側(cè)基底出現(xiàn)孔隙水壓力上升時(shí)，相應(yīng)的另一側(cè)基底的孔隙水壓力則會(huì)有所下降，當(dāng)砂層進(jìn)入到液化狀態(tài)以后此現(xiàn)象仍然存在。但孔壓的總體趨勢(shì)一直處于升高狀態(tài)，尤其在初始液化階段，在極短的時(shí)間內(nèi)孔隙水壓力迅速上升，之后會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)孔壓，最終并有較大的累積孔壓出現(xiàn)。圖3對(duì)稱基底動(dòng)應(yīng)力比較圖4對(duì)稱基底孔隙水壓力比較2.3對(duì)稱頂點(diǎn)震陷反應(yīng)圖5顯示了模型SIND輸入下對(duì)稱頂點(diǎn)震陷的局部放大反應(yīng)時(shí)程。通過觀察可知模型結(jié)構(gòu)對(duì)稱頂點(diǎn)震陷時(shí)程的規(guī)律是：對(duì)稱頂點(diǎn)的震陷動(dòng)位移時(shí)程同土動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)孔隙水壓力時(shí)程一樣是呈反對(duì)稱形式分布的，即當(dāng)建筑物一側(cè)頂點(diǎn)出現(xiàn)瞬時(shí)震陷時(shí)，另一側(cè)頂點(diǎn)的瞬時(shí)震陷則會(huì)有所恢復(fù)，當(dāng)砂層進(jìn)入到液化狀態(tài)以后此現(xiàn)象仍然存在。我們看到，同對(duì)稱基底動(dòng)應(yīng)力和孔隙水壓力相似，震陷時(shí)程的反對(duì)稱關(guān)系給了我們很大的啟示，他們之間將存在某種內(nèi)在聯(lián)系，最終導(dǎo)致了建筑物的不均勻沉降，這些將在以后分析。圖5對(duì)稱頂點(diǎn)震陷比較3試驗(yàn)綜合分析3.1輸入加速度與基底動(dòng)應(yīng)力關(guān)系圖6給出了SIND輸入下波形同基底動(dòng)應(yīng)力間的局部放大反應(yīng)時(shí)程。通過輸入加速度與基底動(dòng)應(yīng)力輸出的波形對(duì)比看出：一側(cè)基底的動(dòng)應(yīng)力波形同輸入加速度相近，且基本保持同時(shí)刻，而基底另一側(cè)動(dòng)應(yīng)力波形同輸入反對(duì)稱，說明基底動(dòng)應(yīng)力受輸入控制，這同理論上的想象是一致的。但是，在振動(dòng)中后期，基底動(dòng)應(yīng)力的正向部分（壓應(yīng)力）出現(xiàn)減小然后恢復(fù)的現(xiàn)象，而負(fù)向部分（拉應(yīng)力）逐漸減小并消失，這說明振動(dòng)中土體出現(xiàn)了強(qiáng)非線性和永久變形反應(yīng)，結(jié)構(gòu)和土體間也出現(xiàn)了局部脫離。3.2基底動(dòng)壓力與孔隙水壓力之間的關(guān)系圖7顯示了SIND輸入下基底動(dòng)應(yīng)力和孔隙水壓力的局部放大反應(yīng)時(shí)程。我們將動(dòng)應(yīng)力同孔壓的增長(zhǎng)的若干正向峰峰關(guān)系用虛線連接，可以更好的觀察兩者間的因果關(guān)系。從圖中可見，當(dāng)土體處于壓半周時(shí)，孔壓出現(xiàn)了一定幅度的增長(zhǎng)，而土體處于拉（減）應(yīng)力半周時(shí)孔壓則會(huì)有所下降。且并不是所有的壓應(yīng)力脈沖都對(duì)累積孔壓有貢獻(xiàn)，只是在初始液化時(shí)刻的幾個(gè)壓應(yīng)力脈沖才對(duì)累積孔壓起作用，當(dāng)砂土達(dá)到液化以后，其后續(xù)的動(dòng)應(yīng)力對(duì)累積孔壓的增長(zhǎng)幾乎不起作用。從理論上講，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力較大時(shí)，土體處于瞬時(shí)壓密狀態(tài)，由于時(shí)間較短孔隙水還來不及排出，必然引起孔隙壓力的瞬時(shí)升高，而拉應(yīng)力作用則反之。本文試驗(yàn)同目前理論上的認(rèn)識(shí)相一致。3.3基底動(dòng)應(yīng)力和震陷之間的關(guān)系圖8顯示了SIND輸入下基底動(dòng)應(yīng)力和同側(cè)結(jié)構(gòu)震陷時(shí)程的對(duì)比（局部）。我們將動(dòng)應(yīng)力同震陷的若干正向峰峰增長(zhǎng)用虛線連接，可以更好的觀察兩者間的因果關(guān)系。從圖中可以看出基底動(dòng)應(yīng)力和震陷間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。在總的震陷中，包括了兩個(gè)部分，一是往返震陷，二是永久震陷，永久震陷對(duì)結(jié)構(gòu)和土體的震陷起控制作用。注意對(duì)稱基底的豎向壓應(yīng)力的作用，通過觀察可知，動(dòng)壓應(yīng)力使震陷增加，而動(dòng)拉應(yīng)力則使震陷略有恢復(fù)。所有這些都說明動(dòng)應(yīng)力使土產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)變（即彈性的波動(dòng)應(yīng)變和塑性的殘余應(yīng)變），它們隨動(dòng)應(yīng)力的大小和變化而有不同程度的波動(dòng)和累積，最終使震陷也出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)和累積。3.4基底孔隙水壓力與震陷之間的關(guān)系圖9顯示了SIND輸入下同側(cè)基底動(dòng)孔壓和震陷時(shí)程的對(duì)比（局部放大）。我們將孔壓增長(zhǎng)同震陷峰峰值用虛線連接，可以更好的觀察兩者間的因果關(guān)系。從中我們可以看出：動(dòng)孔壓增大，動(dòng)震陷增長(zhǎng)，動(dòng)孔壓降低，動(dòng)震陷略有恢復(fù)。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)永久（殘余）震陷一直在增大。累計(jì)孔壓的發(fā)展對(duì)殘余震陷的最后量值大小影響很大，累計(jì)孔壓達(dá)到一定程度（接近液化）時(shí)，結(jié)構(gòu)殘余震陷開始出現(xiàn)明顯增加。3.5不均勻震陷分析圖10給出了本次試驗(yàn)各種反應(yīng)的時(shí)程，從中我們可以清楚地看到，輸入波-基底豎向動(dòng)應(yīng)力-基底孔壓-結(jié)構(gòu)震陷之間有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中所見，正是由于輸入波伊始有一個(gè)明顯的脈沖作用，導(dǎo)致南側(cè)基底豎向動(dòng)應(yīng)力有一個(gè)明顯的脈沖，進(jìn)而導(dǎo)致南側(cè)基底孔壓有一個(gè)顯著的增長(zhǎng)，超過了北側(cè)基底孔壓，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)南側(cè)震陷顯著，結(jié)構(gòu)向南傾斜。圖6加速度與對(duì)稱基底動(dòng)應(yīng)力圖7基底動(dòng)應(yīng)力和孔壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖8基底動(dòng)應(yīng)力和震陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖9基底孔壓和震陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系（c）（a）（c）（a）（d）（b）（d）（b）圖10試驗(yàn)各種反應(yīng)時(shí)程4結(jié)論通過建筑物與可液化地基相互作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：1．對(duì)稱基底的豎向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程、孔隙水壓力時(shí)程中動(dòng)往返孔壓部分、震陷時(shí)程中動(dòng)往返變形部分是呈反對(duì)稱形式分布的，當(dāng)砂層進(jìn)入到液化狀態(tài)以后此現(xiàn)象仍然存在。2．建筑物基底豎向動(dòng)應(yīng)力受輸入控制，而基底孔壓受豎向往返動(dòng)應(yīng)力的控制。3．輸入波-基底豎向動(dòng)應(yīng)力-基底孔壓-結(jié)構(gòu)震陷之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，震陷形式產(chǎn)生的機(jī)理是，輸入加速度波形兩側(cè)基底動(dòng)應(yīng)力形式兩側(cè)基底孔壓累計(jì)形式震陷的形式。4．建筑物傾斜的方向與基底中孔壓上升較高者為同側(cè)，基底中孔壓上升快的一端是建筑物震陷發(fā)展較快的一端。也就是說，孔壓發(fā)展水平的差異決定了震陷的差異，建筑物會(huì)朝孔壓發(fā)展領(lǐng)先的方向傾斜。5．建筑物更易出現(xiàn)不均勻震陷，只要輸入加速度波形不規(guī)則或不對(duì)稱、或建筑物兩側(cè)基底豎向動(dòng)應(yīng)力不規(guī)則或不對(duì)稱，由此造成的建筑物兩側(cè)基底孔壓發(fā)展不均衡，就出現(xiàn)不均勻震陷。如果波形不規(guī)則和不對(duì)稱具有隨機(jī)性，則建筑物最終傾斜方向也會(huì)有很大的隨機(jī)性。參考文獻(xiàn)[1]孟上九,袁曉銘,孫銳.建筑物不均勻震陷機(jī)理的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究.巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(6):747～751.[2]孟