水闸砂土地基地震荷载作用下液化特征研究

亚生江·阿布德热合曼

(乌苏市兴源水务有限公司，新疆 乌苏 833000)

地震，因为其预测难度大，发生时导致的破坏范围广、破坏程度高，一直是困扰着人们正常生活的主要自然灾害之一[1]。从20世纪的唐山大地震到21世纪的汶川大地震，每次大地震的发生都牵动着全国人民的心。我国地势存在明显的东低西高，山区占地面积达到70%左右，绝大部分地震震源中心都处于山区位置，然而地震由于其影响范围大，地震发生时，周边一定范围内城市都会有不同程度的感受，因此针对地震的研究不仅仅是在山区地段有意义，在平原地段地震研究也显得相当重要[2]。

水闸作为水工建筑物中典型的挡水、放水建筑物，在水库中起着枢纽性作用，水闸由地下基础部门、主要挡水部分和连接与提升部分组成。在平原地带，水闸地基大多是由层状分布的砂土组成，其中上部为较细的砂，随着深度增加，砂的粗细程度也逐渐增加，形成了颗粒级配良好、稳定性较高的砂土地基[3- 4]。在以往的研究中，往往认为砂土是较稳定的地基，地震作用下砂土不会出现明显的破坏，但根据对地震破坏地区的实际查勘，发现大量砂土地基在地震的作用下出现了液化现象，砂土的液化逐渐进入研究人员的视野[5- 13]。由于现场地震监测砂土液化难度大，在研究过程中通常选取颗粒级配良好的砂土或单一性较高但密实度较好的砂土进行地震作用下的液化研究，为实际工程选取砂土作为地基的勘察设计提供一定的参考，本文针对以砂土作为地基的平原地区水利工程建设，利用室内地震模拟手段，对砂土地基在不同频率动荷载作用下进行震动液化研究，为以砂土作为地基的类似水利工程提供参考。

1 试验原理

地震对砂土的破坏主要是持续动荷载作用下砂土的液化，现阶段针对砂土液化的研究，主要是利用三轴试验仪的三向加载能力，通过加载不同的围压和震动频率来达到试验的目的，然而该方法由于其荷载的综合性并不能确定影响砂土液化的振动幅值、加速度等因素。目前在工程勘察设计中，一般对工程的抗震设防烈度选取6～9级，其中以8级最为普遍，并且在抗震设防烈度为8级时，通常选定的峰值加速度为0.2g，针对这一实际情况，在室内进行地震荷载模拟，以保证最大加速度为0.2g，获得与实际地震效果相似的荷载效果。

外力加载过程中，加速度的大小、频率和幅值的大小直接存在一定的函数关系：

α=4π2f2A

(1)

式中，α—地震最大加速度；f—震动频率，s；A—震动幅值，mm。

为获得3个不同的动荷载频率作用下砂土地基的液化特征，选定频率值分别为2、5、8Hz，则其对应的幅值关系见表1，试验砂土地基模型制作选自新疆乌苏市大湾输水干渠上游水闸地基土，土体级配良好。

表1 不同加载频率下的震动幅值

2 试验结果分析

2.1 砂土液化现象

不同频率动荷载作用后，砂土地基均出现了一定程度的液化现象，但是液化过程也存在差异性，总体表现为：2～8Hz的动荷载作用下，砂土基地均表现为一定程度的地基下沉现象，且出现明显的冒水、软化和产生泡沫等现象。不同频率动荷载作用下砂土液化的差异性主要表现为，随着动荷载频率的逐渐增大，试验结束后模型箱内砂土地基沉降量逐渐减小，且模型箱内砂土地基液化过程呈现逐渐减弱的趋势。

虽然不同频率动荷载作用下模型箱内砂土液化过程大体呈现出一致性，但是其液化时所表现出的冒水、软化、冒出泡沫也存在一定的差异性，具体表现为：当动荷载为频率为2Hz时，动荷载加载初期砂土地基即开始出现冒水现象，且模型箱内砂土地基沿着振动方向出现较大幅度的摆动，地基表面呈现“波浪”形，加载5～8s秒内，模型箱内砂土地基逐渐由加载前的稳定状态变为可流动状态；加载8～10s内，模型箱内砂土地基逐渐开始出现大量的泡沫和污水，且砂土地基表面也开始逐渐下沉，当砂土地基表面下沉量达到3cm左右时，模型箱内砂土地基基本完全液化。当动荷载加载频率为5Hz时，动荷载加载初期模型箱内砂土地基未出现2Hz初期所表现出的“波浪”状态，加载时间至10～12s时，砂土地基开始沿加载方向出现泡沫，此过程中泡沫主要集中在模型箱两侧，直至整个加载过程结束，模型箱内未出现明显浑浊现象，加载结束之后模型箱内砂土地基表层沉降约为1.5cm。当动荷载加载频率为8Hz时，加载至12s左右，模型箱内砂土开始出现冒水现象，随着荷载的持续增加，至加载后期，模型箱内砂土开始出现冒泡现象，泡沫主要集中在模型箱两侧，至加载过程结束，模型箱内砂土地基表面沉降量约为0.8cm。图1—3分别为不同加载频率作用下砂土地基动荷载加载前后示意图。

图1 2Hz动荷载加载前后示意图

图2 5Hz动荷载加载前后示意图

图3 8Hz动荷载加载前后示意图

通过上述不同频率动荷载作用下模型箱内砂土地基所表现出的液化现象可以得出：在地震烈度相同时，不同的地震频率对砂土地基的液化程度存在一定的差异性，且差异程度可以从砂土地基液化过程和液化后地基表面的沉降大小体现出来。具体表现为：低频高幅动荷载对砂土地基的液化影响程度大于高频低幅动荷载对砂土地基的液化影响程度，砂土地基液化伴随着一定程度的地基下陷现象，且地基沉降量与加载频率之间呈反相关关系。

2.2 沉降关系分析

由上文试验过程可以明显得出不同频率动荷载作用下砂土地基液化后地基表面会出现一定程度沉降，具体沉降关系表现为：动荷载频率越大，地基表面沉降越小，加载过程中产生的泡沫量也越少，液化冒水越清澈。荷载结束加载后，用工具将模型箱内表面渗出水分全部吸走，分别选取模型箱不同位置测定模型箱内部砂土下陷深度，最后对测定值取平均值，以此作为砂土液化后地基的最终沉降量，具体见表3，如图4所示。

表3 动荷载作用后砂土地基表面沉降值

图4 不同频率动荷载作用下砂土地基沉降值

根据上文中不同频率动荷载作用下砂土液化后沉降关系有：动荷载加载频率越大，砂土地基最终沉降量越小，当动荷载频率由2Hz增加至8Hz时，砂土地基表面沉降量由3.0cm下降至0.7cm，综合不同频率作用下砂土液化沉降特征，可以得到不同频率动荷载作用后，砂土沉降深度频率之间的关系为：y=-1.656lnx+4.1523，其相关系数R2=0.9999，表明该拟定结果具有一定的参考性，可以为砂土地基工程地震后表面沉降量分析预测提供一定的参考。

2.3 砂土液化机理分析

利用模型箱内砂土地基内部提前设置的孔隙压力测量计对加载过程中模型箱内砂土地基水压进行全过程监测，水压测量计分别埋在砂土地基内部10、20、30cm处，加载前测定的孔隙有效应力大小值分别为0.4、0.8、1.2kPa。从应力角度进行分析，当砂土液化时，即砂土内部的超孔隙水压力值已经完全克服了砂土颗粒之间的约束作用，使得砂土呈现液化特征，此时砂土地基内超孔隙水压力与砂土之间的有效应力的比值为1.0。但是实际研究表面，当砂土出现液化时，其内部超孔隙水压力与有效应力值的比值并不等于1.0，而是在0.8左右。这一现象说明，当砂土内部超孔隙水压力小于砂土内部有效应力时，砂土即会出现液化。利用孔隙压力测量计测得不同频率作用下砂土液化过程中孔隙水压力变化值和超孔隙水压比值关系，如图5所示。

由图5可以得出：在不同频率地震荷载作用下，超孔隙水压在砂土地基中表现为先增大，后逐渐稳定的趋势，出现这一现象是因为砂土地基在动荷载作用下产生的应力孔压、结构孔压和传递孔压之间复杂的关系及土地在动荷载作用下自身物理量所产生的变化，由于整个动荷载加载过程中始终保持与实际工程地震加速度的同一水平值，这一设定保证了砂土地基输入的总能量相同，因此，可以从能力守恒的角度对土体孔隙水压进行解释。当动荷载频率较小时地基底层孔隙水压明显小于上部孔隙水压值，这是由于在动荷载加载过程中砂土地基底部为不透水层，底部产生的水只能向上流动，导致上部孔隙水压发生明显的变化，随着动荷载的持续加载，砂土逐渐液化，内部孔隙水压值也逐渐趋于稳定。对比不同频率动荷载作用下砂土液化特征，可以得出：当频率较低(2Hz)时，加载一定时间后，模型砂土地基内部低、中、上3层孔压比逐渐趋于稳定值，均在1.0左右，说明在此频率动荷载作用下砂土地基内部完全液化，这一结果与试验结束后砂土地基出现明显的“波形”变形特征相对应。当动荷载加载频率为5Hz时，可以看出底部和上部孔压比均在1.3左右，而中部孔压比小于1.0，且在此频率下砂土地基加载结束后表面未出现波形大变形，砂土地基表面存在大量冒水、流污现象，这一定程度上说明砂土地基液化程度较高，仅中间部分未出现全部液化，说明砂土地基临界液化频率在5Hz左右，这一结果与文献[5- 6]一致。当动荷载频率为10Hz时，砂土地基低、中、上3层孔压比出现了明显的大小关系，表明砂土地基内部液化程度在深度上有明显的差异性，且此时砂土地基未出现波形大变形和流污现象，仅仅存在部分冒水现象，此时砂土地基仅有上层地基面发生了液化，中部和下部并未出现液化。导致这一现象主要原因为：当加载频率较大时，对应的加载幅度较小，此条件下的振动作用不能使得土体发生结构性破坏，底层或者中层的水不能自由排出，不会出现液化现象。

图5 不同频率动荷载作用下砂土地基孔隙水压值及超孔隙水压比值

3 结论

本文在对新疆乌苏市大湾输水干渠中水闸砂土地基进行室内试验研究的基础上，分析了砂土地基地震荷载作用下的液化特征，得到了如下结论。

(1)地震荷载作用下砂土地基会出现液化现象，动荷载频率越小，荷载幅值越大，砂土地基液化越严重，试验后砂土地基表面下降越明显；动荷载加载频率越小，荷载加载过程中伴随砂土地基液化而出现的冒水、软化和冒泡沫等现象越明显；动荷载频率5Hz为砂土地基液化临界频率。

(2)本文从试验角度研究了地震荷载作用下砂土地基的液化特征，为同类工程研究提供一定的参考，但动荷载仅考虑了地震荷载加速度恒定，未考虑地震荷载的复杂性，试验结果存在一定缺陷，后续应继续研究。