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土动力学与岩土地震工程


土动力学与岩土地震工程
刘汉龙
(河海大学岩土工程研究所,南京210098)

摘要综述了目前国内外土动力学与岩土地震工程方面的研究进展,包括土体动力特性与本构关 系、土体抗震反应分析、土体动力测试、土体液化、土体地震永久变形以及专题土动力学研究等内
容.对各种方法的优缺点进行了比较和评述。最后阐述了今后有待进一步研究的方向。

关键词土动力学;岩土地震工程;动本构关系;戋乏匕;永久变形;抗震分析;动力测试
1前言
1961年我国岩土学科创始人黄文熙先生率先发表有关饱和砂土地基及土坡液化稳定分析成 果…,标志着土动力学这门学科在我国的兴起。土动力学是研究地震、波浪及机器基础振动等各 种动荷载作用下土体的动变形、动强度和稳定性的一门学科。岩土地震工程则是由土动力学、地 震工程学、结构动力学等学科交叉综合形成的新学科。1964年日本新泻地震、1971年美国圣费 尔南多地震和1976年我国唐山地震等许多实践课题促进了这门学科的发展,1995年日本神户大 地震等使土动力学的研究达到了一个新的高潮。近年来,在世界范围内相继发生了许多强烈地 震.如2002年3月台湾7.1级地震、2003年2月新疆伽师6.8级大地震、2003年5月土耳其发 生的6.4级大地震等给人民生命和物质财产造成极大损失,抗震减灾已成为全世界的共同关心的 问题。国际土动力学与岩土地震工程界目前正在开展一项重要工作,即由国际标准化组织 (ISO)发起编写的国际岩土工程抗震标准(Seismic
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Geotechnical Works),代码为

1S023469,并于2002年9月在英国召开了第一次专家组会议。来自美国、日本、英国、中国等 11个国家的14名专家出席了会议。2002年12月、2003年6月分别在比利时和意大利召开了研 讨会议,目前该标准的修订稿已经完成,并送国际标准化组织总部审批,这将成为岩土工程抗震

设计的一个重要指南。本次会议收入本专题的论文共30篇,内容涉及到土体动力特性、动力分
析、振动液化、动力基础和地震波理论等,基本上反映了当前我国土动力学与岩土地震工程研究 的现状和特点。本文拟结合其内容,对目前国内外土动力学与岩土地震工程方面的研究进展作简 要的回顾和述评。

2土体动力特性与动本构关系
饱和砂土的实际动本构关系的发展表现在本构理论、数值计算和测试技术三个方面,它们是
相辅相成的。饱和砂土动本构关系是极其复杂的,它在不同的荷载条件、土性条件及排水条件下 会表现出极不相同的动本构特性。建立一个能够适用予各种不同条件的动本构模型的普遍形式是 不切实际的,应该根据土体的不同要求和具体条件,有选择地舍弃部分次要因素,保留所有主要 因素,建立一个能够反映实际情况的动本构模型。目前具体建立的动本构模型已多达数十个,大 致可分为两大类,即粘弹性理论和弹塑性理论。
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刘汉龙.等.土动力学与岩土地震工程

2.1粘弹性理论
自1968年Seed提出用等价线性方法近似考虑土的非线性以来,粘弹性理论已有了较大的发 展。在土体的动力反应分析中,常用的粘弹性理论有等效线性模型和曼辛型非线性模型两类。~ 般的粘弹性模型不能计算永久变形,为此,Martin等人根据等应变反复单剪试验结果,提出了 循环荷载作用下永久体积应变的增量公式”]。其后,日本学者八木、大冈和石桥等分别由等应力 动单剪试验及扭剪仪各自提出了计算永久体积应变增量的经验公式。沈珠江等对等价粘弹性模型 进行了较全面的研究”1,Prevost”3对双曲线模型进行了改进;Pyke及王志良等分别对曼辛规则

进行了修正,以使其能够描述不规则循环荷载作用下土的动本构关系”“』。伊万用一系列具有不
同屈服水平的理想弹塑性元件来描述土的动本构关系”1,是一个能获得各种曼辛型关系的通用物 理模型。郑大同在伊万模型基础上.提出了一个新物理模型,该模型的骨架曲线可为加工硬化 状,也可为加工软化状,骨架曲线与滞回曲线的两个分支既可相同,也可不同,而曼辛模型只是 其中的一种特殊情况…o。 粘弹性理论是目前生产应用中的主流,尽管其还存在多方面的不足,如不能考虑应变软化, 不能考虑应力路径的影响,不能考虑土的各向异性以及大应变时误差大,等等。但它毕竟是试验

结果的归纳,形式上也比较直观简单,经过适当的处理和改进后结合动力有限元程序,同样可以
计算出循环荷载作用下土工构造物的孔隙水压力和永久变形的平均发展过程。

2.2弹塑性理论
自20世纪70年代以来,对饱和砂土弹塑性动本构模型展开了较为广泛的研究,所采用的途 径一般有:(1)仍采用单调加载条件下所建立的模型,但仅选用较为复杂的硬化规律,如采用将

等向硬化规律和运动硬化规律相结合的所谓非等向硬化规律或者允许边界面产生扩张或收缩运
动”3,这类模型与饱和砂土实际性状之间有较大差距。为克服帽子类模型具有两个不同的屈服或 破坏面使两个屈服面存在的奇异点给数值计算带来的不便,Desai于1984年提出了单~屈服面的

Iksai模型,后来又发展成为可以考虑非等向硬化、非关联流动甚至可以考虑损伤的系列模
型“…。Desai系列模型是一个相当普遍化的岩土弹塑性本构模型,它可以包容许多等向硬化与非 等向硬化模型,使彼此无关的许多模型有机地联系起来,但模型中的各个参数需要经过大量的工 程应用才能正确的确定下来,故目前应用很不广泛。(2)以其他形式的塑性理论为基础所建立的

动本构模型,如采用塑性模量场理论、边界面理论、多机理概念的塑性理论等。基于这几种理论
的塑性模型代表了目前循环荷载作用下土的本构理论研究的现状和水平。本文在文献[1“总结的 基础上,结合新近的研究成果作一阐述。 塑性硬化模量场理论是1967年由Mroz首先提出的。基于这种理论建立的塑性土模型,常称 之为多面模型或多屈服面模型。目前已有的多面模型是由Provest以及Mroz、Norris与Zienk. iewicz分别提出的“2。“。他们所提模型的主要差别在于边界面与套叠面的形状及其移动规则以 及硬化模量场的研究方法不同。 为了避免在有限元计算时对应力空间中所有屈服面进行跟踪,一些学者提出了两面模型,即 只采用初始加载面和边界面,在这两个面之间的套叠屈服面场用解析内捕函数来代替,加载面上 的塑性模量取决于加载面上的应力点与边界面上相应共轭点之间的距离。两面理论首先由 Dafalias和Krieg分别独立提出,后来Mroz和Zienkiewiez,Dafalias,Aboim和Roth以及Pande和 Pietruszczuk等人将该理论用于描述土在往返荷载作用下的本构特性,建立了各具特色的塑性模
,性。这类模型的基本特点是,在应力空间中有一个边界面限定了应力点和屈服面移动的几何边
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界.该边界多采用椭圆形。边界面内有一个通常与边界面几何相似的屈服面,该屈服面可遵循一
定的规则移动。加载过程中的应力点总是位于屈服面之上或屈服面内侧。边界面上的塑性模量与

外法线方向均由塑性增量理论的规则确定。屈服面上应力点处的塑性模量则由该点在边界上共轭 点的硬化模量及此时屈服面相对于边界面的位置用一些较简单的插值公式来确定。各种两面模型 的主要区别在于边界面与屈服面的形状及移动规律以及硬化模量的插值规则不同““。 近代试验土力学深刻揭示了土在非比例加载下的重要变形特性,也暴露了经典弹塑性理论在 描述中性变载、旋转剪切应力路径下土体变形时的无能为力。为此,Dafalias提出了边界面低塑 性理论,即应力增量与应变增量的非线性理论。考虑到引入增量非线性将增加数值积分的困难, Dafafias将这种非线性限定在流动法则与应力增量方向的相关性上。1989年,王志良在加里福尼 亚大学发展了这一理论,建议了一个描述砂土旋转剪切特性的边界面低塑性模型““。此外,Hi— mi及I:hsai也提出了考虑土循环荷载作用下主应力轴偏转影响的两面模型。 除了上述基于各向异性运动硬化塑性理论的模型外,多机构概念的塑性模型也得到很大的发

展。多机构概念是由Matsuoka和Aubry提出来的。基于多机构概念的塑性模型中,Paste(”3等
人的模型很有特色。他们认为材料的变形是由M多个在相应应力状态条件下的独立机构所产生 的变形叠加的结果,并提出了广义塑性理论体系。Iai“”等将土体复杂的机理分为解体积机理和 一系列简单的剪切机理,建立了一种考虑动主应力轴方向偏转的影响和液化时剪切大变形的多重 剪切机构模型,并开发了一个用于地震作用下构造物及地基液化稳定和永久变形的大型有限元分

析软件。从实例分析的结果来看,该模型对饱和砂土循环加载动力特性的模拟效果非常满 意㈣2…。
20世纪80年代以来,国内在动力弹塑性模型方面也取得了很大的进展。沈珠江在借用理性 力学及内时理论中的减退记忆原理和老化原理的同时,提出了塑性应变的惯性原理、协同作用原 理及驱动应力等新概念,在此基础上建议了一个反映砂土在循环荷载作用下的广义弹魍性模型。 谢定义及其课题组经过多年的努力,建立了饱和砂土的瞬态动力学理论体系““…,该理论体系

的一个重要特点是将循环荷载下饱和砂土的应力、应变、强度及破坏视为一有机联系的发展过 程,并针对这一过程的不同点提出反向剪缩、空间特性域、时域特性段及瞬态模量场具有理论和
实际意义的新概念,开辟了对动强度变形瞬态变化过程进行定量分析的新途径。王建华等基于硬 化模量场概念,对饱和软粘土的动力特性进行了弹塑性分析”…。徐干成等对饱和砂土的循环动

应力一应变特性进行了弹塑性模拟”】。陈生水等基于标准砂和粉煤灰两种典型无粘性土的试验
研究,建议了一个描述无粘性土复杂应力路径下应力一应变特性的弹塑性模型,强调塑性应变的

大小和方向不仅与当前的应力状态有关,而且还决定于当前应力增量的方向…J。丰土根等将边
界面概念与多重剪切机构概念相结合,建立了多重剪切机构边界面模型”“。

3土工抗震反应分析
土工抗震分析方法经历了从拟静力法发展到土体仿真地震反应分析;从总应力法发展到把动 力反应分析与土的液化和软化等结合起来的不排水有效应力分析方法,以及考虑地震过程中土体 内孔隙水压力扩散和消散的排水有效应力分析方法;从线性分析发展到非线性分析以及弹塑性分 析;从确定性分析发展到考虑随机地震的非确定性分析;从只能分析地基的一维问题发展到能够 分析土石坝、尾矿坝的二维和三维问题。分析手段主要有剪切粱法、集中质量法、差分法、边界 元法和有限单元法等。
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刘汉龙.等土动力学与岩土地震工程

3.1总应力动力分析法
总应力法直接依据土料室内试验所取得的割线剪切模量与等效阻尼比随应变幅值非线性变化 曲线,通过多次迭代获取一个与某种应变水平相协调的等效线性体系,从而求得近似的非线性解 答。土体动力分析的总应力法主要以Seed法为代表。Seed和Idriss的简化法是一维总应力法, 它定义地震时砂土的平均动剪应力强度小于引起液化所需的动剪应力强度时砂土液化”“。在 Seed法中很多影响砂土液化的因素得到了考虑,是目前国内外广泛采用的方法,但由于假定土 单元在K。固结状态、土单元水平面上的初始剪应力为零及地震时土单元只受水平剪应力的作用 等,而导致试样的破坏面与土单元的破坏面不一致。此外,在动力分析中,动剪切强度和动内摩
擦角是用动三轴试验按~定的破坏标准决定的.有着颇大的任意性.且该参数只与坝体或地基的 静应力有关,投有与动应力联系起来。Seed等又提出一个二维总应力分析法。张克绪提出用八 面体动剪切强度验算液化范围,克服了Seed法中两者应力条件不~致的缺点。他指出,如果将 土单元最大往返剪切作用面上实际承受的应力条件,与液化所要求的该面上的应力条件相比较来 判别土单元液化可能更合适,并给出了液化判别式”…。日本岩琦敏男在Seed和Idriss简化法基 础上采用了液化安全系数Ff的概念”…。

Mejia和Seed在1981年把总应力法推广到三维空间问题,提出了动力分析的三维总应力法. 计算采用频率域的方法进行,他们考虑了土的动力非线性,分析比较了坝址峡谷的几何形状及单 元划分对动力反应的影响。此外,还讨论了二维和三维分析的适用范围”01。Mejia和Seed法合 理地考虑了实际应力条件以及土的非线性等多种因素的影响,使得计算更合理。

3.2有效应力动力分析法
有效应力原理的本质意义在于它揭示了土的强度和变形特性主要受有效应力的支配,因此其

应用的关键问题是如何正确测算不同条件下土中孔隙水压力的产生、增长、扩散和消散规律。
振动荷载作用下土体中孔隙水压力消长规律的研究自黄文熙…和汪闻韶b“作出开拓性的工
作之后,至今已取得大量的科研成果,特别是近十几年来,有关土振动孔隙水压力的产生与发展

以及土的液化势,国内外学者更是进行了大量有益的研究工作,从只考虑动孔隙水压力增长的单 一计算模型发展到能够考虑动孔隙水压力的产生、增长、扩散和消散的综合计算模型。20世纪

60年代Seed和Lee发表了应用振动三轴试验成果定量分析饱和砂土地震液化的论著,并根据振
动三轴试验研究的成果建立了振动孔隙水压力与振动周数比之间的孔压模式。后来,各国学者在
不同试验基础上,提出了很多考虑初始剪应力和孔压的产生、消散或扩散作用的应力模式[32,33]。

该类模型一个明显的缺陷是无法解释偏差应力发生卸荷时引起iL压增长的重要现象,即不能反映
土的反向剪缩特性。

孔压的应变模式是将孔压与排水时的体应变联系起来建立孔压增长的基本方程,以汪闻韶
法”“和Martin法…1为代表。何广讷等基于能量分析建立了体变与孔压的关系,鉴于砂土的非线

性振动反应和多因素影响,而采用内时理论将本构关系表达为单一的内缓变量的函数‘35]。L。将
孔压表示为大主应变£-的单调函数,Dobry等则得出饱和砂土的孔隙水压力的增长与循环剪应变

有很好的相关性。Finn和赵冬等分别利用内时理论建立了饱和砂土在循环荷载作用下的}L隙水
压力计算模型。

孔压的能量模式是将孔压与振动过程中消耗的能量联系起来。Youd于1970年首次提出了砂 土能量栅的概念…1,认为砂土颗粒的相互嵌锁与摩擦而形成能量栅,任何土粒间的滑移和重新 排列都必需有足够的能量来破坏、克服这种能量栅方能进行。1979年Nemat—Nasser与Shokooh

中国土术:r-程2学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集

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发表了从能量角度研究的振动下均匀松砂的震密和孔隙水压力增长的机理及其相应的理论。1981
年Davis与Berrill基于Nasser等人提出的理论,从热力学的观点建立了场地土孔隙水压力的增长

与土体耗损能量之间的关系,并以此统计分析了大量的场地地震液化历史资料,提出了相应的判 别场地地震液化的统计判别式。1982年他们在原有的研究基础上.假定孔压增量直接与场地地 震耗损能量成正比,导出判别场地地震液化的统计判别式。曹亚林和何广讷等也在该方面取得了 大量的研究成果,建立了孔隙水压力增长的能量模式”“。用该模式计算的结果与Seed法和Finn 法计算结果比较,得到了良好的一致性。 此外谢定义等还提出了孔压的瞬态模式”…。总的来说,总应力法因在整个分析过程中不考 虑上升的孔压对土的弹性的影响,而无法描述液化的全过程。有效应力法弥补了它的缺陷。计算 结果表明,用总应力法计算将导致砂土很快液化,用有效应力法预测会液化者用总应力法预测也 会液化,反之则不一定,这表明用总应力分析法计算的结果偏于安全。

3.3弹塑性动力分析法
地震动反应是藕合于地震的每一瞬间,如果土体的动应力一应变关系采用弹塑性模型,利用

将位移和渗流相耦合的动力Biot固结方程,可以直接求解出任一时刻土体内各点的地震反应。
这在计算机技术高速发展的当今时代已成为可能。 1989年,王志良将自己基于Dafalias低塑性边界面理论而建立的弹塑性模型结合进有限元程 序,对一个一维问题进行了地震反应分析。研究表明,采用经典弹塑性理论与采用低塑性边界面

理论,数值分析结果存在明显的区别,简单的塑性理论不足以反映土体在复杂何载下的反应““。
日本港湾所Iai等人将多重剪切机构塑性模型结合进动力有限元程序,计算了日本神户、钏路冲 等大地震中遭受破坏的港工结构物,并与震后实测结果相比较。得出了非常满意的结果“90j。 Yiagos基于对运动方程的Galerkin数值列式建立了土坝动力弹塑性分析方法,其中采用有效应力

多屈服面函数随动硬化弹塑性本构关系模拟土骨架的非线性滞回特性及剪应力所产生的各向异性
效应和剪胀对于有效应力比的依赖性,同时考虑了水的存在和液化。20世纪90年代初,美国国 家自然科学基金会投资巨额,集中了美国、加拿大、欧洲和日本等一批著名的岩土工程专家,开 展了“液化分析方法的离心实验验证vELAcS”课题研究,从离心模裂试验和数值模拟两方面 对土体动本构模型进行了研究,建立了一系列动力弹塑性分析方法,取得了显著的成果…J。国 内这方面的工作尚处于初始阶段,主要原因是对动力弹塑性模型及其在动力弹塑性数值分析中的
应用投入不足。

需要指出的是,目前很多方法已被编成相应的计算程序。如美国加州伯克里地震中心的 SHAKE(对地基,频域法)、MASH(对地基,时域法)、QUAD一4(土坝,二维总应力法.时

域法)、FLUSH(对土坝,二维问题,频域法)、河海大学WWCC(土坝、总应力,时域法)、
加州大学戴维斯分校DYSAC2(二维弹塑性,土工结构)、香港科大GSUMDES(一维弹靼性, 地基)、日本港湾所FLIP(二维,弹塑性,土工结构)、南京水科院EFESD(二维,有效应力,

土坝)、英国SWANS大学SWANDYNE(二维弹塑性,土工结构)加拿大uBC大学TARA3
(二维有效应力,土坝)、美国LS—DYNA(二、三维非线性,多种结构)等。

4土工动力测试
4.1室内测试技术
土工动力测试包括室内测试技术和原位测试技术两部分。土体的室内动力试验是目前国内外
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刘汉龙,等

土动力学与岩土地震工程

广为采用的重要手段之一,主要有动三轴试验、振动扭剪和振动单剪试验、共振柱试验、振动台 试验和离心模型试验等五种类型。

常规的动三轴、振动扭剪等仪器发展的一个重要方面是计算机技术在试验中的应用,利用计 算机进行自动控制、数据采集和数据处理等,目前已取得很大的发展。共振柱试验是根据共振原 理在一个圆柱试样上进行振动,改变振动频率,使其产生共振,并借以测定试样的动剪模量及阻 尼比等参数的试验。关于振动三轴和周期扭剪藕合的新型多功能三轴仪,近年来分别在河海大学 和大连理工大学研制成功m’4“,该仪器的特点是能够模拟复杂应力条件下的土体动力特性,特 别是模拟地震作用下动主应力轴偏转的影响。郭莹等42‘4“对福建标准砂在复杂应力条件下的动
力变形特性和孔压增长特性做了试验研究。 振动台试验是20世纪70年代发展起来的专用于土的液化性状研究的室内大型动力试验。它

可制备模拟现场K。状态饱和砂土的大型均匀试样,可以测量出液化时砂土中实际孔隙水压力的 分布和地震残余位移,而且在振动时能用肉眼观察试样。目前国内外常用的主要是单向和双向振 动的振动台。日本港湾所近年研制的大型水下三向振动台使振动台技术发展达到了一个高峰。 离心模型试验是一种研究土体动力特性的重要方法,它是将原型土体的尺寸按一定的几何比 例缩小为模型后,对其按要求的相似条件选定材料,施加静动荷载,测定出应力和应变,最后再
反算到模型。其中的关键是如何合理地确定相似准则。目前美国、英国和日本等国家已能够在离

心机上模拟单向地震运动,并取得一系列科研成果。关于模拟双向振动的离心机最近已在香港科 技大学研制成功,并已投人使用。本次会议论文中,吴宏伟等介绍了双向振动离心模型试验中模
型的制作技术和试验方法…o。

4.2原位测试技术
土体的原位测试技术包含两类:一类是用物探中的地震法原理,观察弹性波在土层中传播的

速度,计算土的动力变形特性参数,包括折射法、反射法、表面波速法和钻孔波速法等。以往对
表面波的研究停留在弹性单一介质情况,夏唐代“51等对成层饱和土中的瑞利波特性进行了研究。
王建华等对有限宽度弹性均匀介质中瑞利面波特性进行了研究”“;另一类是动力荷载试验.如

动力旁压试验等,用于测试较大应变时的变形特性参数。
折射法在地面试验,具有操作简便速度快的优点,但其缺点亦明显,如不可测定低速夹层的

波速,所测数据仅反映交界面附近土的波速,此外测线距离大,不宜在狭小的场地内进行。反射 法则对测试仪器的要求较高,资料分析比较复杂,在工程中应用得不够广泛。表面波频谱分析法 能够得出地层s波波速与深度的近似关系曲线,尽管测试深度受振源能量大小的限制,但对成层 地基勘测仍是一种有效的方法。陈云敏等”“根据瞬态冲击法对一卫生填埋场进行了波速测试, 验证了剪切波速随深度和填埋时间增加而增加的结论。王建华等向本次会议提交的论文对土层剪 切波速的原位与室内进行了试验对比研究H”,得出了~些有益结论。 用动力方法检测桩的承载力,国外都是用大应变方法,用得多的是波动方程和静动法。而国 内则开发了一种新的小应变动测桩承载力的方法,目前己得到广泛的应用且已有国家规程 (JGD/T93—95)。小应变动测法要比国外的大应变动测法成本低、效率高、覆盖面大,不仅可以
用于打人桩,而且适用于灌注桩。

用于地基承载力的动力测试方法主要有两种:一种是动荷载试验法,类似予动测桩的共振 法,它是在研究各类土的动、静模量比的基础上提出来的,然后根据规范规定的容许沉降定出各 类地基的容许承载力;另一种是类似于动测桩的动参数法,求出地基的抗压刚度系数后,按照国
家的动力基础规范反求地基承载力。

中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集

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5土体振动液化
自1964年日本新泻地震和美国阿拉斯加大地震以来,液化问题逐渐得到了重视和研究。地 震液化的破坏机理主要有两种:一种是由于饱和无粘土强度降低而引起的完全流动破坏,主要表 现形式有喷水冒砂、地下结构物上浮、地基失效、侧向扩展和流滑等;另一种机理称为循环活动
性,即在初始液化后之后只产生有限的应变。

5.1确定性分析
规范法、经验法或统计法。以地震现场的液化调查资料为基础,给出了判别实际液化与不液 化的条件与界限,并且还可以判别液化程度。其优点是宣观、简单。一些影响饱和砂土液化的重 要因素可以自动予以考虑,较容易被工程师接受,在许多抗震设计规范中加以利用。缺点为(1) 地震场地的液化调查资料多是由自由场地取得的,因而原则上这类方法也仅适用于自由场地的液 化判别,当建筑物修建以后,由于土与结构物的相互影响,土中静应力与动应力条件发生显著变

化。(2)规范用液化指数来描述液化程度,它不是以具体物理指标定量表达的,难以在工程中应
用。(3)不是从物理本质和机理上对饱和砂土液化问题进行分析与探讨,难以加深对砂土液化现 象的认识与理解。 简化分析法。以试验和土体反应计算分析为基础,判别饱和砂土能否液化的方法。主要有两 种:(1)Seed(1971年)[27j简化方法;(2)Poulos(1985 q--)””等提出的基于稳态线的液化估计 方法。其优点是直观、简单。缺点是不能分析饱和砂土液化的整个发展过程和应力应变的变化过 程,只能给出最后的判别结果。 数值分析法。采用某本构关系,并使用某一确定的数值分析方法,例如有限元法、有限差分 法、子结构法、边界元法等。该方法可以考虑土与结构的动力相互作用,并能给出应力、应变、 孔压、渗流以及变形发展的全过程。该方法对本构模型参数的质量要求非常高。饱和砂土液化过 程中变形的物理机制非常复杂,尤其是在液化后的大变形阶段,目前仅采用某种简单的本构模型 难以全面反映这种复杂的变形过程,所得结果也难于准确反映实际情况。

5.2概率分析法
概率分析的主要方法有:根据循环应力比确定液化概率;根据震级与地震动加速度预测液
化;液化的条件概率分析;基于累积损伤理论的液化概率分析。Seed等较早对水平土层地震液

化的简化方法进行了概率分析,他通过室内试验来确定砂土的抗液化强度,通过简化方法确定现
场土层的动荷载强度,在此基础上按照误差传递理论建立了相应的概率分析模型,求得相应的液 化失效概率。Atkinson等在1984年发展了一种概率方法,它将Comell的地震危险性分析概率方 法和Seed等的液化势评价的经验方法和现场测定的液化抗力结合起来。Christian和Swiger的方 法也是源于这一思想。Yegian和Vitelli将地震液化历史记录与室内液化试验结果相结合,通过

优化回归分析建立场地液化指数与地震震级和震中距的衰减关系,引入地震危险性分析模型.对
场地地震液化危险性进行评价。Donovan发展了一个基于累积损伤理论的液化危险性评价方法, 首先将随机振动理论和累积损伤理论引入饱和砂土随机反应和液化概率评价中,在土动力学中建 立了动力可靠度的雏形,并将这一方法应用到年、美国阿拉斯加输油管道砂土地基液化问题的研
究中o Annaki和Lee对应用累积损伤理论将非均匀循环动剪应力过程转化为均匀循环过程的方

法作了较系统的评述,确立了累积损伤理论在饱和砂土地震液化分析中所起的重要作用。吴再光
等。”1基于线性累积损伤和孔压随动荷载振次线性增长的假定,通过非线性土层随机反应分析及
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刘汉龙,等土动力学与岩土地震工程

砂土地震液化累积损伤分析,建议了评价砂土地震液化的概率方法。

此外,将现代数学理论和方法应用于土体振动液化分析还有最优化法‘圳、模糊数学法(叶
洁芳,1996)和人工神经网络法等。

6土体地震永久变形
以上讨论了液化问题分析进展,但从岩土结构物抗震安全性角度看,地基液化问题研究的核 心并不是强度问题,而是变形问题。过去历次大地震震害调查结果也证实这一点。事实上,液化 本身并不可怕,抗震设计需要考虑的是液化到底对岩土结构物产生了多大变形,是否在构筑物允
许的范围之内。从而象土力学其他问题一样,抗震设计也逐渐转化到以变形为标准来控制。关于 地震引起的永久变形可以根据液化程度的大小分为三类,即地震惯性力引起的变形,液化引起的 变形,液化后大变形。

6.1地震惯性力引起的地震永久变形
地震惯性力引起的地震永久变形计算包括确定性和随机性两个方面。所谓确定性地震永久变

形分析,就是对某一条或几条已知的地震波谱进行确定性数值积分,求得动应力和动位移,进而 求得地震永久变形的方法。它又包括滑动体变形和整体变形分析两部分。 滑动体变形计算分析方法。该方法是1965年Newmark基于极限平衡理论提出来的,其基本 出发点是:假设永久变形是由于滑动土体沿着最危险的滑动面在地震荷载作用下发生瞬态失稳时 的滑动位移所产生的。当土体内某一点加速度超过材料的屈服加速度时,沿破坏面就会发生滑
动,加速度减去屈服加速度积分两次就得到永久位移。在Newmark法的基础上,许多学者做了 改迸。如Markdisi和Seed”“陈生水和沈珠江”“等。

整体变形计算分析方法。整体变形方法的基本假定是将土体的变形作为连续介质处理,土的 本构关系采用通常的粘弹性模型,采用有限单元法进行计算,再结合实验研究而发展起来的一类 方法。从永久变形产生机理来看,这类方法包括以下两种:(1)软化模量法。这种方法认为永久 变形是由于地震应力作用下静剪切模量降低而引起的。采用两次有限元计算,地震永久变形等于 按降低的剪切模量所算得的静应变与地震前静应变之差。这种方法是由Lee提出来的,后来 Serif等…o又提出了初步近似估算法、线性修正模量法、非线性修正模量法。(2)等效结点力法。 这种方法认为地震力对变形的影响可用一组作用于单元结点上的静结点力(即等效结点力)代 替,按照试验确定的动应力与残余变形关系曲线,用有限元法在等效结点力作用下产生的附加变 形就是地震永久变形。代表方法有Taniguchi、Whitman提出的方法,张克绪、刘汉龙”“等效结
点力法等。

永久变形随机性分析也包括滑体变形分析和整体变形分析。(1)滑体变形随机性分析。1984
年,Lin首次提出了土石坝地震永久变形分析方法;1986年Lin进一步对他的方法用于理想滑块

永久变形计算的各个细节作了具体介绍;1991年,吴再光等”61参照Lin的研究,对土石坝地震 永久变形进行了更深入的分析。(2)整体变形随机性分析。目前有关该方面的研究较少,只有吴 再光等做了一些初步工作。他把液化分析的累积损伤模型引入土体随机地震作用下软化模量分析 中。刘汉龙基于等价结点力模型,考虑地震的随机性,建立了一种地基土石坝随机地震永久变形
分析方法‘5 7I。

6.2地震液化引起地震永久变形
目前分析液化引起的地震永久变形最合理、最常用的方法是非线性本构模型与有限单元方法
?63-

中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集

北京2003—10—25~28

的联合使用。这些方法一般来说包括有效应力非线性本构模型,Biot动力固结理论,有限元或有 限差分逐步迭代求解。如Zienkiwiez等啪1,I ai和Kameoka“”等。除了采用非线性的二维或三维 的弹塑性本构模型外,有些学者采用经验的应力一应变关系,注重于土体产生的永久变形,如 Stanmtopoulos等”91把土体的残余变形表达为加荷周数的函数。有些学者将Newmark法进行推

广,用于分析液化引起的位移。另外前面所提的软化模量法和等效结点法也可用于液化引起的永
久位移的分析。这种方法计算结果与现场调查比较符合,但该类方法忽视了地震荷载作用下土体 变形过程的定量描述,并对复杂研究对象采用了过分简化的假定。

6.3地震液化后引起地面大变形
目前液化后引起大变形的主要手段有:(1)现场灾害调查;(2)室内试验研究;(3)数值分
析方法。

软化模量法。Finn等…1应用这种方法对液化后大变形进行了分析。这种方法主要的问题是 当液化剪切模量变成非常小时,算出来的变形非常的大。

抗剪强度降低和应变再硬化模型。Byrne【6“通过有限差分程序FLAC计算了一液化土坡的最
后位置。假设一开始液化区的材料不受剪应力的作用,只受等向压力的作用。随着变形的发展,

液化后的土剪应力逐渐上升至残余强度。土坡的最后位置通过解运动方程得到。
最小势能模型。Towhata等…3提出了预测液化变形的最小势能模型,将液化后砂土视为流 体,考虑了液化后砂土的流动特性,非液化层视为受轴向压力的弹性柱体。其假设水平位移在垂 直断面为正弦曲线分布。通过计算液化层和上部非液化层的重力势能和应变势能的最小值,可以 求得土体侧向变形所可能发生的最大值,同时可求出因侧向变形而造成的竖向变形。Orense和 Towhata将这种方法推广至三维的情况,并用来分析1964年Niigata地震的液化后永久变形引起
的灾害。

粘滞性模型。Hamada等…o提出利用粘滞性模型计算士体液化后的变形和作用于埋置结构物 (如桩等)的力。所用的液化后土的牯滞系数可通过拉拽浸在已液化土中的球上的力来获得。 Yashima等…1在对某一堤坝的有限差分法分析中采用了粘滞性模型。已液化的土视为粘滞流体, 这种方法在相当大的变形的情况下仍然十分有效。 有效应力本构模型。目前为止已有许多用于计算液化引起侧向位移的有效应力模型,如Pas. tor等”“,Bardet等“J。一些模型在VELACS项目中得到了应用,特别是对第3号模型(即由 可液化的Nevada砂组成的斜坡)的分析。
Shamoto和张建民”7 o对地震液化后砂土大变形产生的实际现象,物理机制、本构模型以及预

测方法进行了一些探讨,提出了新的液化后砂土大变形的物理模型、本构关系和相应的参数确定
方法。Peris和Yoshida发展了一个新的一维的本构模型,可以描述饱和砂土液化后的应力一应变

关系。刘汉龙等通过砂土室内液化及液化后试验研究,建立了一个双曲线本构关系㈣]。

7土动力学专题问题
随着土动力学理论和实践研究的深入,结合具体的研究对象,叉发展了许多新的分支学科 如黄土动力学、海洋土动力学、随机土动力学、桩基动力学以及计算土动力学等等。

7.1黄土动力学‘69]
黄土是一种多孔隙弱胶结的第四纪沉积物,它广泛分布于亚洲、欧洲、北美和南美等地区。 以往历次地震震害表明,地震滑坡、液化和震陷是黄土地区三大典型岩土地震灾害。对黄土所具
?64?

型堡垄!箜:圭型盎兰皇鲞圭垫壁三堡
有的独特动力特性和很高的地震易损性灾害研究便形成了黄土动力学这一分支学科。黄土动力学

研究包括室内和现场试验、黄土震陷、黄土液化、黄土地震滑坡、黄土地基抗震处理和黄土地震
灾害区划和预防研究。

7.2海洋土动力学n0]
海洋土动力学是研究波浪荷载作用下海床和海洋地基的动力特性、动力响应、海床液化与动 力稳定性以及海洋地基设计方法的学科。其研究内容主要涉及到海洋土的工程特性和本构、海床 和海洋建筑物地基动力响应分析方法、海洋建筑物地基的现代设计理论等。

7.3随机土动力学[50]
地震时最大加速度、卓越周期和地震持续时间是地震三要素。对于某一场地在今后若干年内 地震三要素都是随机且属非确定性的。考虑地震动过程的随机性,经过场地地震危险性分析,从 统计概率的角度对土体的抗震性能进行评价则是随机土动力学研究的内容。随机地震反应分析首 先确定基岩运动平稳模型或非平稳模型,引用随机地震反应虚拟激励法在频域内求解动力平衡运 动方程。通过非线性迭代,求出反应量的各阶谱矩等统计量,并根据各变量的统计量计算动力响

应的统计特性如最大值、均值、均方差等进行岩土结构可靠度或风险性分析。

7.4桩基动力学n1]
研究桩基动力特性和工程应用的桩基动力学也是土动力学发展的一个分支。桩基动荷载作用

下的桩基是一个复杂的桩土共同作用系统,研究桩基的动力问题方法主要有解析法、离散模型 法、有限元法和边界元法。桩基动力学的工程应用主要有桩基动测、打桩测试、桩基础动力设
计、桩基的抗震分析以及打桩振动影响和隔振。

7.5计算土动力学[72]
计算土动力学是用数值方法分析岩土工程中的动应力、动变形、动强度、超静孔隙水压力、 液化和动力稳定性的学科。有关内容已在本文第3节中介绍。

8总结和展望
经过各国学者的艰苦努力,土动力学这门学科已取得了令人瞩目的成果。本文简要回顾了土 体动力特性、动力分析、动力测试、土体液化与研究变形等进展。由于岩土材料的力学特性特别 是动力循环特性非常复杂,弹塑性理论模拟是一个较好的方法。尽管其理论本身也有其不尽完善 之处,解决岩土动力边值问题还未达到成熟的程度,但正因为土体材料符合弹塑性性质,故其应 用具有非常广阔的前景。建议今后在如下几个方面加强研究。 (1)开展复杂应力路径下土体动态特性的试验研究。在此基础上建立能反应土体主要变形特 性的数值模型,并研究经济高效的数值分析方法,编制相应的有限元程序以尽快在实践课题中应 用。(2)地震时动主应力轴偏转是岩土地震工程中的一个热点课题,建立考虑动主应力轴偏转影 响的弹塑性模型,并在实际工程中进行应用,值得进一步研究。(3)开展地震液化和液化后强度 减低及剪切大变形等特性试验研究。(4)将动力渗流与动力反应相耦合是更为合理的有效应力动 力分析理论,结合弹塑性模型,针对不同的岩土工程边值问题,完善动力数值分析方法。(5)地 震波在土体中传播及其应用进一步研究。(6)地震时土与结构动力相互作用问题。(7)目前动力 分析仍以循环荷载为主,对不规则动荷载虽有了一定的探讨但仍较少,同时由于地震荷载的随机
65?

主里圭查三堡兰全苎垄星圭垄堂垦堂圭三堡堂查垒丝堡奎塞

些蔓型坠!生二笙二型

性及不确定性,概率方法和模糊数学理论在分析中的应用也是今后研究的一个方向。 随着科学技术和生产的高速发展,土动力学及岩土地震工程的研究也愈来愈深入,由于篇幅 限制,本文总结仅涉及其中部分内容,难免挂一漏万,敬请批评指正。 参考文献
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作者: 作者单位: 被引用次数: 刘汉龙 河海大学岩土工程研究所(南京) 9次

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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_4502248.aspx


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(2007)07111302 作者简介:栾茂田(1962 ),男,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土力学基本理论与数值分析、非线性土动力学与岩土地震工程、海 洋土力学等...
基于WFI动三轴试验仪的小型土箱振动台试验系统研制_王....pdf
com 通讯作者 : 陈国兴 ( 1963- ) , 男 , 教授 , 博士 , 主要从事土动力学岩土地震工程研究 . E-m ai: l gxc6307@ 126 . com 156 地 震 工 程...
土动力学的研究发展.doc
60 年代全球范围的地震,带 动了土动力学.特别是砂土液化的研究和发展;地基加固技术的发展离不开地质 地理环境和经济发展要求;近海油田的开发带动了近海岩土工程的...
有限覆盖无单元法在岩土类弱拉型材料摩擦接触问题中的....pdf
大连理工大学土木工程系和海岸与近海工程 国家重点 实验室教授 , 博士生导师 , 主要从 事岩土力学 基本理论 与数值分析 、 非线性土动力学 与岩土地震工程等...
岩土工程技术创新方法与实践_刘汉龙.pdf
岩土工程技术创新方法与实践_刘汉龙 - 第 35 卷 2013 年 第1期 .1 月 岩 土 工 程 学 报 Chinese Journal of Geotechnical En...
四向振动空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力....pdf
E-mail: zhouzhen.glong@163.com 通讯作者:陈国兴,男,1963 年生,博士,教授,博士生导师,主要从事土动力学与岩土地震工程研究。 E-mail: gxc6307@163.com 增刊...
岩土工程技术创新方法与实践(刘汉龙)_图文.pdf
岩土工程技术创新方法与实践(刘汉龙) - 第 35 卷 2013 年 第1期 .1 月 岩 土 工 程 学 报 Chinese Journal of Geotechnical E...
CSIEM-40-300大型振动离心机的设想与关键技术_论文.pdf
CSIEM-40-300大型振动离心机的设想与关键技术 - 动力离心模型试验为国际公认的土动力学和岩土地震工程研究最先进、最有效的物理模拟手段。目前美、日各拥有一台大型...
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