地震液化研究发展方向浅谈

地震液化研究发展方向浅谈 摘要地震诱发的场地液化对建筑（结构）物有很大的破坏作用， 一直是地震工程界的一个重要的研究课题，目前的研究成果大多局限于液 化的产生机理、影响因素、判别方法等方面。液化严重程度的评价、桩的 破坏机理还未充分的认识，具有一定的局限，在实验和数值模拟部分也难 以克服人工边界、模型相似性等问题。因此，本文主要列出此类研究的3 点发展方向。 关键词地震液化判别方法破坏机理 中图分类号P315文献标识码A文章编号 我国地震活动频繁，在近几次的大地震中，许多现代化建筑和桥梁遭 到了严重的破坏，造成了巨大地损失。经过近几十年的抗震经验已经证明， 地震使结构破坏和倒塌的原因可大致划分为两类一是由于地震使地基 基础失效所至；二是由上部结构本身的振动造成。据统计，地震震害大多 数是由于地基砂性土液化或粘性土弱化，引起地基液化，地震液化引起土 体变形和侧向流动，导致桥梁、建筑物等生命线工程破坏。 随着我国工程建设的高速发展，由于桩基础具有承载能力大、沉降小、 稳定性好等优点，使桩基础成为适应各种地质条件应用最广泛的一种深基 础形式，特别在软弱地基上使用的比较多。桩基础一般被认为是作为预防 地基失效的重要抗震措施。然而近些年强烈地震震害经验表明砂土液化 及相应产生的土体流动和大变形往往加重了基础及桥梁的破坏，并且变得 很难修复。桩是深入土层的柱型构件，桩基础的震害既与地基地震反应有 关，也与本身的结构响应有关，桩基抗震问题因而变得十分复杂。 地基液化的研究现状 地震导致的场地液化及其对桩基的影响是目前工程抗震学的一个研 究热点。20世纪80年代以前，主要的研究方向集中在液化的产生机理， 液化产生的影响因素，场地液化的判别方法等方面，尤其是液化的判断方 法。随着人们对强震的研究和科学技术的进展，人们逐渐认识到液化问 题研究的核心不是强度，而是变形；于是研究重心逐渐转向液化引起变形 的评价。液化变形对于场地中的桩基有很大的影响。 砂土液化是桥梁等结构严重破坏甚至倒塌的重要影响因素，据震后调 查，在我国历次强烈地震大都伴有砂土液化现象发生，由于当时认识尚不 充分，加之我国规范基础抗震设计部分尚不完善，桥梁结构在地震中因场 地液化而破坏已成为工程界急需解决的问题。但是由于国内在桥梁桩基础 抗震试验研究方面投入不足，科研进展与国外差距较大，这在很大程度上 己制约了我国桥梁抗震设计水平的提高。 目前对于地震液化问题的研究，一方面是研究地震液化的产生机理， 另一方面则是研究液化产生的可能性与后果（失稳或变形）以及相应的处 理措施，因此，合理全面地判定液化以及研究其产生的震害机理、进而采 取什么措施加以处理对于液化区内的交通、建筑等结构的保护具有重要意 义。 地基液化相关研究进展 液化判别方法和液化程度评价 目前国内外的规范针对砂土液化判别的方法，主要是基于室内试验和 现场测试结果建立的经验方法，都具有一定的适用范围和局限性。我国的 建筑抗震设计规范就采用现场测试结果判别方法。第一类方法由Seed 和Idriss等所提出的地震剪应力方法，此方法通过比较此类场地地震所 产生的预期动剪应力与通过三轴或扭剪试验所获得的抗液化强度，来评判 场土的液化。这类方法存在现场取样困难和取样中存在应力释放以及试验 中应力状态不能够代表现场实际应力条件等缺陷。第二类方法是基于以往 地震震害调查资料，建立了液化产生的临界条件与场地标贯击数之间的经 验关系，根据场地的标准贯入击数来评判场地的液化。这类方法在各国抗 震规范中得到广泛推荐，但是由于样本容量及其精度，会影响此类方法的 精度，因此，此种方法往往存在误判。后来业界在考虑到地震液化触发条 件与振动孔隙水压力的发生与发展过程密切相关，同时液化时孔隙水压力 将达到某种特定的状态。以奇点理论与拓扑学为数学基础的突变理论已广 泛应用于土木工程实践。 土体的液化破坏不是瞬间完成的，相反往往是渐进发生的。当土体内 部局部区域发生液化时，这个区域的土体的抗剪强度迅速降低，随后邻近 区域土体的应力状态在后续地震作用下要进行重分布，使未发生液化的区 域的土体的孔压继续上升，进而相继发生液化，使液化区域逐渐扩大，最 终导致建筑物破坏。对于液化后的概念，张建民等根据初始液化作为划分 标准，把液化分成“液化前”和“液化后”两个阶段。 各国规范对液化程度定性评价做了一定的研究，但是在对液化程度的 定量评价上研究相对滞后。 液化地基中桩基础的破坏机理 对于液化地基中桩的破坏机理，之前所有的研究结论都为结构的振 动惯性力或者液化土的侧向扩展导致的桩身强度破坏。毫无疑问，桩身是 地震液化时桩基础破坏的重要原因之一，但是如果仅仅从强度破坏的角度 来解释桩的地震液化破坏机理并不全面。对于承受较重竖向荷载的细长 桩，不宜将强度条件作为液化时唯一的破坏标准，还应该考虑桩的“屈曲” 这种破坏模式。 对于计算长度大、重结构的承重桩基础，上述现象就更加明显了。因 此，在场地液化的情况下，对地基中承重结构的桩进行抗震分析，尤其是 对承受较大竖向荷载的细长桩，忽略桩的屈曲可能性是不合理的。因此， 除了进行强度、刚度校核以外，还必须考虑屈曲稳定性的问题。即评价地 震液化时桩的抗震性能，应该通过“强度破坏”和“屈曲失稳”两方面来 评价。 3 试验与数值模拟 近几十年来，通过通过室内试验，得到了许多有效的研究结论。室内 试验研究是研究地震液化的主要乎段，它可以对地震液化的产生机理、影 响因素进行研究，并为数值计算提供试验依据。室内实验研究可分为两类 一类是大尺寸模型试验，如离心机模型试验、振动台试验等；另一类是小 尺寸的单元体试验，如三轴试验、单剪试验、扭剪试验等。 用于地震液化分析的数值方法主要是动力反应分析方法。根据所采用 的本构模型，动力反应分析可分为等效线性分析和非线性分析。 3.结论与展望 1 目前液化判断的方法由于各种原因容易形成误判，因此在液化 判断方面应该加大力度研究，并且在液化程度定量评价上加大研究力度， 用以指导工程实践。 2 评价液化时桩的抗震性能，应该通过“强度破坏”和“屈曲失 稳”两方面来全面评价。对于液化后地基的流动作用对桩基产生的影响要 加以研究。 3 室内振动台试验、离心模型试验、小尺寸单元试验适合于液化 变形的机理研究，但仍然存在两个问题一是试验室内引入了实际并不存 在的人工边界，边界效应难以模拟真实情况；二是室内试验模型的相似比 不能很好的得到满足不一定符合实际情况。如何根据震害调查对试验条件 进行修改，如何将原位测试成果与室内试验成果结合以尽量符合实际情 况，是研究的难点之一。 参考文献 ［1］陈文化，孙巨平，徐兵.沙土地震液化的研究现状及发展趋势［J］. 世界地震工程，1999； ［2］郑新亮，液化场地桥梁桩基础地震反应性能研究［D］.大连海事大 学，2008. 02； ［3］黄雨，舒翔，叶为民等，桩基抗震研究现状综述［J1.X业建筑， 2002, 32 7； ［4］范立础编著，桥梁抗震［M］.海，同济大学出版社，1997； ［5］黄雨，郝亮，液化地基中桩的破坏机理研