基于重塑飽和砂土模型的現場液化試驗方法

基于重塑飽和砂土模型的現場液化試驗方法

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 濟南250021)

摘要：基于現場開展土體液化問題研究勢必成為今后土動力學中的一個重要發展方向。目前人工激振下的現場液化試驗方法還不夠成熟，尚需進一步探索和發展。本文從試驗設備組成、場地地震動激勵、試坑布置、飽和砂土模型制備、數據測量與采集等5個方面論述該方法中的主要技術問題。研究表明：動力加載系統激勵產生的地震動在0～7 m/s2；系統工作頻率13～15 Hz，飽和砂土模型與基礎邊緣的距離在0.5～2.5 m范圍內，更適合進行液化試驗；應用水沉法現場制備飽和砂土模型， 要重點注意試坑防水和尺寸定位的問題；數據測量與采集中要充分考慮對現場液化問題認識不夠這一因素的影響，需對數據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。

關鍵詞：砂土液化； 人工激振； 現場試驗； 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務費專項(2013B03)；山東省地震局重點科研

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文獻標志碼：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害的主要原因之一，歷來受到巖土工程界與學術界的關注，并進行了廣泛探討。對于液化問題，國內外已有大量有益的研究成果，豐富了對土動力學的認識。但由于其復雜性，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問題之一。

震害調查和室內試驗是目前人們認識和研究液化問題的重要手段。震害調查往往受限于大震發生的頻率，而且不是每次破壞性強震中都有突出的液化問題。比如國內液化資料庫，自1976年唐山7.8級地震發生至今，除去2008年汶川8.0級地震中出現了大量的液化實例[1]，在近40年的時間內鮮有補充更新。室內試驗也不可能同時、全面地對土體所處的天然應力、應變狀態、初始結構、水文地質及地形等條件進行模擬。而在真實地震中這些因素顯然會影響砂土液化的發生、發展過程，液化現象也會表現出復雜的變異。室內試驗難以復現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。而實際工程應用中，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，更傾向于在現場條件下直接開展試驗，了解真實液化的發生發展過程和土體響應規律，使現有認識更能客觀描述其物理本質和發生過程，進一步探討和研究土體的液化機理、改進現有液化判別方法、提出經濟合理的工程抗液化措施等。因此，基于現場開展土體液化問題研究，勢必成為今后土動力學中的一個重要發展方向。

通過現場監測實地研究地震中液化問題的方法在上世紀70年代得到了發展，至今未曾中斷。由于地震短臨預報技術尚不成熟，加之在某一地區發生破壞性強震的罕遇性，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生的地震動來替代天然地震動，在可液化天然土層或在現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90年代得到了發展。這通常稱之為人工激振下的現場液化試驗方法。目前此方面取得的研究成果不多，國內尚處于起步階段。而且已開展的現場液化試驗往往因人工震源、試驗場地條件等因素的不同，導致試驗技術差異較大。在國際范圍內尚沒有一種相對成熟、普遍適用的現場液化試驗方法。總之人工激振下的現場液化試驗方法還處在探索和發展階段。

作者所在課題組自行發展的人工激振下的現場液化試驗方法已經在文獻[3]中得到了初步實現，通過模型箱的方式成功進行了液化試驗，取得了良好效果。在此基礎上又進一步發展了基于重塑飽和砂土模型的現場液化試驗方法，即在場地內直接開挖試坑，通過體積為1 m3的重塑飽和砂土模型，以人工激振方式進行現場液化試驗。此試驗條件下，砂土模型可看作1-g條件下的足尺模型，應力邊界條件更接近天然地層的真實邊界，土體遭受的應力波類型包含P波、S波和面波。而且根據不同的研究目的，可以改變砂土模型的物理性質、上覆壓力、上覆非液化土層厚度，布設足尺結構模型等，改善以往室內常規試驗和振動臺液化試驗不能或難以實現的模擬條件，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場液化試驗方法。對于一般性的土工試驗技術與方法，在相關教程、文獻和技術規范[4]中有較系統、詳細的論述，現在國內發展迅速且相對成熟的振動臺液化試驗技術也可為本試驗方法提供較多借鑒，因此從略。本文內容圍繞試驗設備組成、場地震動激勵、試坑布置、飽和砂土模型制備、數據測試與采集、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場液化試驗提供技術參考，也為進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基礎。

1試驗設備組成

試驗設備主要由動力加載系統、數據測量與采集系統和試驗輔助系統等三大系統組成。簡述如下：(1)動力加載系統由激振器、剛性塊體基礎、變頻控制器、電動機及配套設備組成；(2)數據測量與采集系統由傳感器、信號調理器、數據采集儀(系統)、電源及相關配套設備組成，目前該系統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)試驗輔助系統是指為保障現場液化試驗的順利實施，獨立于上述兩個系統的其他硬件部分，根據現場環境和試驗需求確定。

參考文獻試驗設備的技術要求、技術參數和工作性能等具體內容可[3]。

2場地地震動激勵

場地地震動由動力加載系統激勵產生。進行液化試驗時，將激振裝置的輸出荷載方向設置為水平向，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(以下簡稱基礎)傳遞，并激勵周圍一定范圍內的土體震動。理論推斷，地震動大小與工作頻率正相關；激勵地震動的應力波類型包含P波、S波和面波，隨著與基礎兩側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計現場液化試驗，進行了場地地震動測試。

傳感器布置方案如下：在基礎中軸線延伸方向，距離基礎邊緣4.0 m范圍內，間隔0.5 m布設單向加速度傳感器。傳感器埋設在地表下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，設定工作頻率在3、5、8、10、11、12、13、14，15、17和20 Hz下進行場地震動測試，各頻率工況下激振持時約10 s，數據采樣頻率為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) 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時基礎邊緣處(0 m測點)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、不同測點的地表加速度規律類似，限于篇幅不再列舉。根據99個加速度時程，計算得到不同工作頻率不同測點的土體地表加速度幅值，并繪于圖2中。可得到以下認識：(1)動力加載系統安全工作頻率范圍(3～22 Hz)內，激勵產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。產生這種現象的原因至少與地震動頻率較高有關；(3)不同工作頻率下土體地表加速度衰減趨勢基本一致；(4)距離基礎邊緣4.0 m外的最大土體加速度幅值已經衰減到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，激勵產生的周圍土體地震動水平較低，不適合進行液化試驗。

選取頻率范圍為12～20 Hz的加速度幅值作進一步分析，并把不同測點的數據(精確到小數點后2位)列于表1中。為便于觀察地震動衰減規律，假定1.0 m測點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)

結合表1和圖3分析，還可以得到以下認識：(1)地表加速度的衰減與瑞利面波的衰減關系基本吻合，符合現有理論認識，也說明試驗數據可靠；(2)13～20 Hz，0.5～3.0 m范圍內，相同測點的土體地表加速度幅值隨著頻率的增大也相應增大，表明該頻率和區域范圍內激勵產生的地震動狀況相對穩定，土體也未發生顯著性震動破壞，更適合進行液化試驗；(3)20 Hz工況下，基礎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生破壞導致測量數據失真，因此工作頻率不宜超過20 Hz。

根據場地地震動測試結果可知：在現有試驗設備和試驗場地條件下進行基于重塑飽和砂土模型的現場液化試驗，設備工作頻率應選定在13～15 Hz，砂土模型與基礎邊緣的距離在0.5～2.5 m之間，有望取得預期試驗效果。

3試坑布置

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

圖4　試坑與基礎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，以免試坑產生較大變形；(4)試坑周圍要有相對穩定的基準點，以便在試驗中進行尺寸定位；(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生較大變形而影響后期試驗。

4飽和砂土模型制備

室內試驗的飽和砂土模型往往采用水沉法制備，其操作方法、優勢及特點已有較多文獻論述，試驗技術相對成熟。對現場液化試驗而言，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制作飽和砂土模型有所差別。Chang[5]曾利用水沉法在現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。可見水沉法也適用于該試驗中的飽和砂土模型制作。

要制備符合現場試驗特定要求的砂土模型，要重點注意以下兩個問題：(1)試坑防水：坑底宜先鋪設厚度約1 cm的細砂墊層找平，然后在試坑內鋪設一層較薄、柔韌性好、強度高的完整防水材料，防水材料應盡可能緊貼坑壁。試坑是否防水是制備飽和砂土模型成敗的關鍵，必須足夠重視。(2)尺寸定位：防水材料固定后，應沿坑壁自上而下均勻標記尺寸，坑壁兩側可放置刻度尺。由于制備土體模型過程中，坑內刻度位置會發生小幅度變化，且砂土在水面以下，因此需利用坑外固定基準點，必要時可用釣魚線或細鐵絲等進一步精確定位。這樣，可以按照試驗設計規定尺寸(深度)布設傳感器，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，宜在自然狀態下固結24小時以上。固結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。水位應略高于砂土表面，以便檢查土體固結過程中試坑是否發生漏水。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行。

5數據測量與采集

獲取高質量的試驗數據，一方面取決于數據量測與采集系統硬件本身，另一方面取決于采集數據應遵循的一般原則。有關硬件選取及數據測量采集原則等具體內容可參考文獻[6]。

現場的試驗條件遠不如室內理想，受場地及外界因素影響大，相互協調復雜，試驗控制條件難以把握，不確定性因素多，這會給數據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，特別是液化發生、發展的動態響應過程，加之現場液化試驗技術尚不成熟。因此難以利用已有的認識對數據的合理性和數據質量進行判斷和求證。鑒于此，在數據測量與采集過程中還要注意：(1)關鍵測點傳感器的布置宜有“備份”，以便試驗數據的校核和分析對比。(2)某一工況試驗結束，應在現場對數據進行初步處理，做到數據結果及時反饋試驗狀況。

總之，要充分考慮對現場液化問題認識不夠這一因素的影響，從而對數據測量與采集提出附加要求，以確認試驗數據真實、可靠地反映物理實際發生過程。

6試驗實例淺析

基于文中所述的現場液化試驗方法，進行了一次砂土液化試驗。試驗中，飽和砂土表面出現冒水現象，并伴隨地表沉降。埋設在土體內的孔壓傳感器和加速度傳感器均采集到了較高質量的數據。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。可知，加載期間，砂土內孔壓明顯增高，地表加速度隨著土體液化的發展出現了大幅度的衰減。試驗現象和數據均符合現有對砂土液化的認識，表明此次試驗取得了成功，現有發展的現場液化試驗方法可行。有關此次試驗的詳細數據結果，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結論與認識

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

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

(2) 人工激振下的現場液化試驗方法，還不夠成熟，尚需進一步探索和發展。

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

(4) 采用水沉法現場制備飽和砂土模型，重點注意試坑防水和尺寸定位的問題。

(5) 數據測量與采集中，要充分考慮對現場液化問題認識不夠這一因素的影響，需對數據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(References)

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YUNA Xiao-ming，CAO Zhen-zhong，SUN Rui，et al.Preliminary Research on Liquefaction Characteristics of Wenchuan 8.0 Earthquake[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28 (6)：1288-1296 .(in Chinese)

[2]Holzer T L，Hanks T C，Youd T L.Dynamics of Liquefaction During the 1987 Superstition Hills，California，Earthquake[J].Science，1989，244(4900)：56-59.

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National Standard of the People’s Republic of China.GB/ T50123-1999 Standard for Soil Test Method[S].BeiJing：China Planning Press，1999.(in Chinese)

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