黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

论文摘要

黄土地区抗震设防标准长期偏低,尽管在实际工程中对于湿陷、液化等问题进行相应设计处理,但往往忽略了黄土在低含水率条件下发生的震陷,加之地震来临时,滑坡、液化、地震动放大效应等产生破坏现象对其覆盖严重,在现场调查中难以区分和提取震陷数据,使得现有震陷研究多基于室内三轴试验,缺乏大型物理模拟,进而阻碍着实际工程中对震陷型场地地基的有效处理与评价研究。因此,亟需针对震陷型场地地基及相应的改良复合地基进行科学实验,系统评价相应的改良效果,为不同等级黄土场地地基的抗震陷问题提供合理方法。针对以上研究不足,本文主要采用振动台试验的方法,辅以现场调查、室内试验和数值模拟进行验证,对西北地区典型低含水率黄土的震陷问题进行了研究,并分析了几类常用的地基处理方法对震陷灾害的有效性。本文的主要结论如下:（1）对研究区域原状土样进行室内震陷试验。结果表明:土样在含水率偏低,其他物理力学参数与所在区域平均水平相近的情况下具有很高的震陷性,Ⅶ度地震即能对场地造成严重破坏。分别选取3类（共5种）抗震陷处理方法:物理改良（强夯）、化学改性（分别添加水泥和粉煤灰）以及物理化学复合改良（强夯-水泥复合、强夯-粉煤灰复合）,以室内试验为手段开展试样残余变形分析,通过震陷系数预测20m厚场地的震陷量:当加载地震荷载烈度相当于Ⅶ时,除了添加粉煤灰的方法外,其他四种方法产生的震陷量均在4.00cm以下,可认为消除了震陷;当加载烈度相当于Ⅷ度时,化学改性中的水泥法以及两种复合改良方法—强夯-粉煤灰法、强夯-水泥土法仍将产生的震陷量限制在7.00 cm以下,而物理改良--强夯法抗震陷效果开始显现出其不足;当罕遇地震发生,强夯-水泥土法下震陷量仍小于7.00cm,换言之,该方法在强震下也可完全消除震陷性。（2）从微结构角度解释该场地土样的震陷机理,从微观层面揭示施加的5种物理、化学以及复合地基改良方法对于震陷性的作用机制与改良效果。结果表明:强夯作用对抗震陷性能的提升是从两个方面进行的,一方面压实作用使得大的疏松集粒破裂,中小粒径的颗粒增多,颗粒级配更好,另一方面大中孔隙尤其是架空孔隙得到完全消除;化学改良方法虽然对土样微小孔隙数量上有较大提升,但土体总孔隙面积变化不大,其残余应变的减小主要源自于化学作用产生的物质颗粒间的胶结作用和对集粒本身的粘结（3）采用野外挖取大型原状黄土试块代替分层填夯的室内制作方法;设计并制作覆盖XYZ三面的土体应力施加装置,还原真实场地的土层应力。开展大型原状黄土试块以及相应抗震陷改良方法下的振动台试验共4组。采用大型物理模拟再现了强震作用下原状黄土试块的震陷灾变过程,揭示了强震荷载作用下震陷性原状黄土的动力特性,给出其应力-应变关系,据此计算并预测了原始场地震陷量,证实用振动台进行原状黄土震陷试验的可行性,其结果矫正了室内试验结果偏大的现象,且震陷量随不同波形的输入变化很大。同时,比较了原状模型与3类震陷消除措施改良后模型的加速度、沉降、侧向变形等数据,进一步评价这些改良方法的震陷防治效果。（4）利用MIDAS GTS NX软件进行了数值仿真计算,结果表明:在为期10h的固结后,原状与两类改良模型的竖向应力云图和位移云图均呈层状分布,最大竖向应力位于模型底部,沉降量则由两端向中部越来越大,原状模型的沉降量最大,改良模型均很小或可忽略不计。动力计算结果表明:模型沉降量趋势与室内外试验均一致,即随高程的升高而逐渐增加且最大沉降量位于模型顶部,且出现了不均匀沉降现象,沉降量在顶部表现为由四周向中部逐渐增大。当烈度为Ⅶ度时,模型最大竖向沉降量分别为原状模型25.18cm、粉煤灰模型9.94cm、水泥模型不足1cm。该结果比室内试验偏小许多,这也进一步证实了振动台试验对室内偏保守的震陷量估测结果有矫正作用。对各模型沿Z方向加速度变化趋势进行分析,PGA放大系数分别为:原状模型2.30,粉煤灰模型1.50,水泥模型为1.00左右。且无论原状还是改良模型对地震动均具有放大效应,数值模拟结果显示水泥对地基放大效应的改善最为显著。长期以来震陷研究以室内试验为主,而原状黄土大试样振动台试验的完成较之以往方法为震陷灾害研究的手段提供了新思路,继而为新型的抗震陷改良方法在大型物理模拟方面的验证提供了可能。本文对同一场地同时采用了室内试验、模型试验以及数值分析等方法进行评价,取得的成果对于震陷理论建立以及抗震陷处理效果评价方面有所裨益,研究成果达到了震灾防御和减少地震损失的目的,可为西北黄土地区的震陷防治提供参考和依据。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 黄土震陷

1.2.2 震陷性黄土改良方法

1.2.3 振动台试验在黄土动力特性研究中的应用

1.3 本文的主要研究内容、方法及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究思路

第二章场地现场调查及抗震陷处理措施分析

2.1 典型历史地震震陷场地实例

2.1.1 疙瘩沟

2.1.2 渭南鼓楼遗址

2.1.3 党家岔震陷型滑坡

2.2 研究区域自然地理及地质特征

2.2.1 地理位置

2.2.2 地层岩性

2.2.3 土体动、静力学性质

2.3 处理措施概述

2.3.1 强夯法

2.3.2 水泥土法

2.3.3 粉煤灰法

2.3.4 物理-化学复合处理方法

2.4 小结

第三章原状及改良黄土试样震陷试验

3.1 原状及改良黄土残余变形特性

3.1.1 动三轴震陷试验方案

3.1.2 震陷试验结果分析

3.1.3 震陷性预测与改良效果评价实例

3.2 电镜扫描试验

3.2.1 微结构试验方案

3.2.2 震陷试验前试样显微结构分析

3.2.3 震陷试验后试样显微结构分析

3.3 小结

第四章原状及改良黄土地基震陷振动台试验

4.1 试验设备

4.1.1 振动台

4.1.2 模型箱设计

4.2 试验材料与模型制备

4.2.1 模型相似关系确定

4.2.2 原状模型土制备

4.2.3 改良地基模型土制备

4.2.4 传感器布置

4.2.5 地震波特性

4.3 小结

第五章振动台模型试验结果综合分析

5.1 模型变形破坏特征分析

5.1.1 原状模型

5.1.2 化学改性模型

5.1.3 物理-化学复合加固模型

5.2 加速度响应特征

5.3 沉降量综合分析（包括沉降量与埋深、水平位置关系分析）

5.3.1 震陷变形发展规律

5.3.2 侧向变形发展规律

5.3.3 原状黄土模型震陷变形预测

5.4 小结

第六章原状及改良地基震陷的数值模拟

6.1 动力计算基本原理

6.2 黄土场地地基模型建立

6.3 初始应力计算

6.4 动力计算结果分析

6.5 小结

第七章结论和展望

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介

在读期间参加的科研项目

在读期间取得的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 许书雅

导师: 王平

关键词: 黄土,地基,震陷,振动台,抗震陷处理

来源: 中国地震局兰州地震研究所

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国地震局兰州地震研究所

分类号: TU435

总页数: 113

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