水閘砂土地基地震荷載作用下液化特征研究

亞生江·阿布德熱合曼

(烏蘇市興源水務有限公司，新疆 烏蘇 833000)

地震，因為其預測難度大，發(fā)生時導致的破壞范圍廣、破壞程度高，一直是困擾著人們正常生活的主要自然災害之一[1]。從20世紀的唐山大地震到21世紀的汶川大地震，每次大地震的發(fā)生都牽動著全國人民的心。我國地勢存在明顯的東低西高，山區(qū)占地面積達到70%左右，絕大部分地震震源中心都處于山區(qū)位置，然而地震由于其影響范圍大，地震發(fā)生時，周邊一定范圍內(nèi)城市都會有不同程度的感受，因此針對地震的研究不僅僅是在山區(qū)地段有意義，在平原地段地震研究也顯得相當重要[2]。

水閘作為水工建筑物中典型的擋水、放水建筑物，在水庫中起著樞紐性作用，水閘由地下基礎部門、主要擋水部分和連接與提升部分組成。在平原地帶，水閘地基大多是由層狀分布的砂土組成，其中上部為較細的砂，隨著深度增加，砂的粗細程度也逐漸增加，形成了顆粒級配良好、穩(wěn)定性較高的砂土地基[3- 4]。在以往的研究中，往往認為砂土是較穩(wěn)定的地基，地震作用下砂土不會出現(xiàn)明顯的破壞，但根據(jù)對地震破壞地區(qū)的實際查勘，發(fā)現(xiàn)大量砂土地基在地震的作用下出現(xiàn)了液化現(xiàn)象，砂土的液化逐漸進入研究人員的視野[5- 13]。由于現(xiàn)場地震監(jiān)測砂土液化難度大，在研究過程中通常選取顆粒級配良好的砂土或單一性較高但密實度較好的砂土進行地震作用下的液化研究，為實際工程選取砂土作為地基的勘察設計提供一定的參考，本文針對以砂土作為地基的平原地區(qū)水利工程建設，利用室內(nèi)地震模擬手段，對砂土地基在不同頻率動荷載作用下進行震動液化研究，為以砂土作為地基的類似水利工程提供參考。

1 試驗原理

地震對砂土的破壞主要是持續(xù)動荷載作用下砂土的液化，現(xiàn)階段針對砂土液化的研究，主要是利用三軸試驗儀的三向加載能力，通過加載不同的圍壓和震動頻率來達到試驗的目的，然而該方法由于其荷載的綜合性并不能確定影響砂土液化的振動幅值、加速度等因素。目前在工程勘察設計中，一般對工程的抗震設防烈度選取6～9級，其中以8級最為普遍，并且在抗震設防烈度為8級時，通常選定的峰值加速度為0.2g，針對這一實際情況，在室內(nèi)進行地震荷載模擬，以保證最大加速度為0.2g，獲得與實際地震效果相似的荷載效果。

外力加載過程中，加速度的大小、頻率和幅值的大小直接存在一定的函數(shù)關(guān)系：

α=4π2f2A

(1)

式中，α—地震最大加速度；f—震動頻率，s；A—震動幅值，mm。

為獲得3個不同的動荷載頻率作用下砂土地基的液化特征，選定頻率值分別為2、5、8Hz，則其對應的幅值關(guān)系見表1，試驗砂土地基模型制作選自新疆烏蘇市大灣輸水干渠上游水閘地基土，土體級配良好。

表1 不同加載頻率下的震動幅值

2 試驗結(jié)果分析

2.1 砂土液化現(xiàn)象

不同頻率動荷載作用后，砂土地基均出現(xiàn)了一定程度的液化現(xiàn)象，但是液化過程也存在差異性，總體表現(xiàn)為：2～8Hz的動荷載作用下，砂土基地均表現(xiàn)為一定程度的地基下沉現(xiàn)象，且出現(xiàn)明顯的冒水、軟化和產(chǎn)生泡沫等現(xiàn)象。不同頻率動荷載作用下砂土液化的差異性主要表現(xiàn)為，隨著動荷載頻率的逐漸增大，試驗結(jié)束后模型箱內(nèi)砂土地基沉降量逐漸減小，且模型箱內(nèi)砂土地基液化過程呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢。

雖然不同頻率動荷載作用下模型箱內(nèi)砂土液化過程大體呈現(xiàn)出一致性，但是其液化時所表現(xiàn)出的冒水、軟化、冒出泡沫也存在一定的差異性，具體表現(xiàn)為：當動荷載為頻率為2Hz時，動荷載加載初期砂土地基即開始出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，且模型箱內(nèi)砂土地基沿著振動方向出現(xiàn)較大幅度的擺動，地基表面呈現(xiàn)“波浪”形，加載5～8s秒內(nèi)，模型箱內(nèi)砂土地基逐漸由加載前的穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榭闪鲃訝顟B(tài)；加載8～10s內(nèi)，模型箱內(nèi)砂土地基逐漸開始出現(xiàn)大量的泡沫和污水，且砂土地基表面也開始逐漸下沉，當砂土地基表面下沉量達到3cm左右時，模型箱內(nèi)砂土地基基本完全液化。當動荷載加載頻率為5Hz時，動荷載加載初期模型箱內(nèi)砂土地基未出現(xiàn)2Hz初期所表現(xiàn)出的“波浪”狀態(tài)，加載時間至10～12s時，砂土地基開始沿加載方向出現(xiàn)泡沫，此過程中泡沫主要集中在模型箱兩側(cè)，直至整個加載過程結(jié)束，模型箱內(nèi)未出現(xiàn)明顯渾濁現(xiàn)象，加載結(jié)束之后模型箱內(nèi)砂土地基表層沉降約為1.5cm。當動荷載加載頻率為8Hz時，加載至12s左右，模型箱內(nèi)砂土開始出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，隨著荷載的持續(xù)增加，至加載后期，模型箱內(nèi)砂土開始出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象，泡沫主要集中在模型箱兩側(cè)，至加載過程結(jié)束，模型箱內(nèi)砂土地基表面沉降量約為0.8cm。圖1—3分別為不同加載頻率作用下砂土地基動荷載加載前后示意圖。

圖1 2Hz動荷載加載前后示意圖

圖2 5Hz動荷載加載前后示意圖

圖3 8Hz動荷載加載前后示意圖

通過上述不同頻率動荷載作用下模型箱內(nèi)砂土地基所表現(xiàn)出的液化現(xiàn)象可以得出：在地震烈度相同時，不同的地震頻率對砂土地基的液化程度存在一定的差異性，且差異程度可以從砂土地基液化過程和液化后地基表面的沉降大小體現(xiàn)出來。具體表現(xiàn)為：低頻高幅動荷載對砂土地基的液化影響程度大于高頻低幅動荷載對砂土地基的液化影響程度，砂土地基液化伴隨著一定程度的地基下陷現(xiàn)象，且地基沉降量與加載頻率之間呈反相關(guān)關(guān)系。

2.2 沉降關(guān)系分析

由上文試驗過程可以明顯得出不同頻率動荷載作用下砂土地基液化后地基表面會出現(xiàn)一定程度沉降，具體沉降關(guān)系表現(xiàn)為：動荷載頻率越大，地基表面沉降越小，加載過程中產(chǎn)生的泡沫量也越少，液化冒水越清澈。荷載結(jié)束加載后，用工具將模型箱內(nèi)表面滲出水分全部吸走，分別選取模型箱不同位置測定模型箱內(nèi)部砂土下陷深度，最后對測定值取平均值，以此作為砂土液化后地基的最終沉降量，具體見表3，如圖4所示。

表3 動荷載作用后砂土地基表面沉降值

圖4 不同頻率動荷載作用下砂土地基沉降值

根據(jù)上文中不同頻率動荷載作用下砂土液化后沉降關(guān)系有：動荷載加載頻率越大，砂土地基最終沉降量越小，當動荷載頻率由2Hz增加至8Hz時，砂土地基表面沉降量由3.0cm下降至0.7cm，綜合不同頻率作用下砂土液化沉降特征，可以得到不同頻率動荷載作用后，砂土沉降深度頻率之間的關(guān)系為：y=-1.656lnx+4.1523，其相關(guān)系數(shù)R2=0.9999，表明該擬定結(jié)果具有一定的參考性，可以為砂土地基工程地震后表面沉降量分析預測提供一定的參考。

2.3 砂土液化機理分析

利用模型箱內(nèi)砂土地基內(nèi)部提前設置的孔隙壓力測量計對加載過程中模型箱內(nèi)砂土地基水壓進行全過程監(jiān)測，水壓測量計分別埋在砂土地基內(nèi)部10、20、30cm處，加載前測定的孔隙有效應力大小值分別為0.4、0.8、1.2kPa。從應力角度進行分析，當砂土液化時，即砂土內(nèi)部的超孔隙水壓力值已經(jīng)完全克服了砂土顆粒之間的約束作用，使得砂土呈現(xiàn)液化特征，此時砂土地基內(nèi)超孔隙水壓力與砂土之間的有效應力的比值為1.0。但是實際研究表面，當砂土出現(xiàn)液化時，其內(nèi)部超孔隙水壓力與有效應力值的比值并不等于1.0，而是在0.8左右。這一現(xiàn)象說明，當砂土內(nèi)部超孔隙水壓力小于砂土內(nèi)部有效應力時，砂土即會出現(xiàn)液化。利用孔隙壓力測量計測得不同頻率作用下砂土液化過程中孔隙水壓力變化值和超孔隙水壓比值關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可以得出：在不同頻率地震荷載作用下，超孔隙水壓在砂土地基中表現(xiàn)為先增大，后逐漸穩(wěn)定的趨勢，出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為砂土地基在動荷載作用下產(chǎn)生的應力孔壓、結(jié)構(gòu)孔壓和傳遞孔壓之間復雜的關(guān)系及土地在動荷載作用下自身物理量所產(chǎn)生的變化，由于整個動荷載加載過程中始終保持與實際工程地震加速度的同一水平值，這一設定保證了砂土地基輸入的總能量相同，因此，可以從能力守恒的角度對土體孔隙水壓進行解釋。當動荷載頻率較小時地基底層孔隙水壓明顯小于上部孔隙水壓值，這是由于在動荷載加載過程中砂土地基底部為不透水層，底部產(chǎn)生的水只能向上流動，導致上部孔隙水壓發(fā)生明顯的變化，隨著動荷載的持續(xù)加載，砂土逐漸液化，內(nèi)部孔隙水壓值也逐漸趨于穩(wěn)定。對比不同頻率動荷載作用下砂土液化特征，可以得出：當頻率較低(2Hz)時，加載一定時間后，模型砂土地基內(nèi)部低、中、上3層孔壓比逐漸趨于穩(wěn)定值，均在1.0左右，說明在此頻率動荷載作用下砂土地基內(nèi)部完全液化，這一結(jié)果與試驗結(jié)束后砂土地基出現(xiàn)明顯的“波形”變形特征相對應。當動荷載加載頻率為5Hz時，可以看出底部和上部孔壓比均在1.3左右，而中部孔壓比小于1.0，且在此頻率下砂土地基加載結(jié)束后表面未出現(xiàn)波形大變形，砂土地基表面存在大量冒水、流污現(xiàn)象，這一定程度上說明砂土地基液化程度較高，僅中間部分未出現(xiàn)全部液化，說明砂土地基臨界液化頻率在5Hz左右，這一結(jié)果與文獻[5- 6]一致。當動荷載頻率為10Hz時，砂土地基低、中、上3層孔壓比出現(xiàn)了明顯的大小關(guān)系，表明砂土地基內(nèi)部液化程度在深度上有明顯的差異性，且此時砂土地基未出現(xiàn)波形大變形和流污現(xiàn)象，僅僅存在部分冒水現(xiàn)象，此時砂土地基僅有上層地基面發(fā)生了液化，中部和下部并未出現(xiàn)液化。導致這一現(xiàn)象主要原因為：當加載頻率較大時，對應的加載幅度較小，此條件下的振動作用不能使得土體發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，底層或者中層的水不能自由排出，不會出現(xiàn)液化現(xiàn)象。

圖5 不同頻率動荷載作用下砂土地基孔隙水壓值及超孔隙水壓比值

3 結(jié)論

本文在對新疆烏蘇市大灣輸水干渠中水閘砂土地基進行室內(nèi)試驗研究的基礎上，分析了砂土地基地震荷載作用下的液化特征，得到了如下結(jié)論。

(1)地震荷載作用下砂土地基會出現(xiàn)液化現(xiàn)象，動荷載頻率越小，荷載幅值越大，砂土地基液化越嚴重，試驗后砂土地基表面下降越明顯；動荷載加載頻率越小，荷載加載過程中伴隨砂土地基液化而出現(xiàn)的冒水、軟化和冒泡沫等現(xiàn)象越明顯；動荷載頻率5Hz為砂土地基液化臨界頻率。

(2)本文從試驗角度研究了地震荷載作用下砂土地基的液化特征，為同類工程研究提供一定的參考，但動荷載僅考慮了地震荷載加速度恒定，未考慮地震荷載的復雜性，試驗結(jié)果存在一定缺陷，后續(xù)應繼續(xù)研究。