基于剪切波速的地震液化判别(ShearWaveVelocity)

1 引言
现代地震液化分析正使用各种各样的液化本构模型进行数值模拟,从估计液化条件的总应力分析(UBCTOT)到简单的有效应力剪切体积耦合方法(Finn),再到更综合的本构模型(UBCSAND)【液化分析数值模型(Numerical Models for Liquefaction Analysis)液化分析数值模型的选择(UBC3D-PLM)】,包括一些相对新型的模型如NorSand和P2PSand等。不过在实践中,岩土工程师们仍然偏爱使用传统的经验方法进行液化评价,既简单又快速,能够满足大多数工程项目的要求。
液化评价的经验评价方法有三种:(1) 标准贯入试验SPT; (2) 静力触探试验CPT; (3) 剪切波速试验VST。第一种经验方法基于标准贯入试验SPT击数计算土的循环应力和循环阻力,通常称之为”简化程序(simplified procedure)”,这种方法最初由 Seed 和Idriss(1971)【Idriss I.M. : 2019年太沙基讲座 (TL55): 岩土地震工程】提出,后来进行了不断改进;第二种经验方法基于静力触探试验CPT,Robertson and Campanella(1985年)开始在UBC进行CPT的液化评价研究,后来经过Robertson在Alberta大学的发展以及其它研究者的对CPT的不断改进,CPT现在已经成为一种主要的液化评价技术。第三种经验方法基于剪切波速VST,这种液化判别方法在1996年~1998年开始发展,由Andrus and Stokoe提出[(2000) Liquefaction Resistance Of Soils From Shear-Wave Velocity]。 基于VST的液化评价主要用来计算液化后的侧向位移和沉降。
液化评价的主要结果包括:
(1) 防止土液化的安全系数(Safety Factor Against Soil Liquefaction);
(2) 土液化的概率(Probability of Soil Liquefaction);
(3) 液化后的再固结沉降(Re-consolidation Settlement)
(4) 液化后的侧向扩展移动(Lateral Spreading Movement)

2 已知条件
下面使用剪切波速(Shear Wave Velocity)对一个场地进行液化评价。已知条件为:
(1) 最大地震加速度(Max. Earthquake Accelation): a_max=0.3g
(2) 地震震级: Mw=6.3
(3) 地下水位: 2m
(4) 14m之内的剪切波速和土层属性如下所示,前两层的FC=17.3%,D50=2mm; 后三层的FC=15%, D50=3mm。

原始的剪切波速Vs需要进行归一化处理,类似于SPT的处理方法,如下图所示。

3 评价指标
(1) 应力折减系数Rd
应力折减系数(stress reduction factor)Rd用来决定土层中不同深度的最大剪应力,在计算循环应力比CSR(cyclic stress ratio)时需要用到它,地表的Rd=1,随着深度的增加,Rd逐渐减小。有5种关系式计算Rd, 本项目使用Idriss (1999)建议的方法。需要的输入参数为:地层深度z和震级Mw。
  • NCEER (1997)
  • Idriss (1999)
  • Kayen (1992)
  • Cetin et al. (2004)
  • Liao and Whitman (1986)

(2) CRR和CSR

CSR为循环应力比(cyclic stress ratio),需要的输入参数为最大地震加速度a_max,总应力和有效应力通过深度和土层密度计算。CRR为循环阻力比(cyclic resistance ratio),需要计算CRR_7.5和MSF,CRR_7.5根据Vs1计算,MSF(Magnitude Scaling Factor)通过震级Mw计算。

(3) 安全系数FS

安全系数FS=(CRR/CSR)*K_alfa*K_sigma,下图所示的安全系数图显示出2.5m以下的地层安全系数均大于1。

(4) 液化概率PL

液化概率的计算公式如下图所示,使用的输入参数为Vs1, FC和CSR。计算结果显示在地表最大的液化概率大约为70%左右。

(5) 最大剪应变

最大剪应变的输入参数为:Vs1。 

(6) 侧向位移LD

侧向位移首先计算侧向位移指数LDI,通过对最大剪应变积分而得,然后根据地形条件计算出侧向位移。

(7) 再固结沉降

液化后的土会发生再固结沉降。对于平坦的地面条件,可以根据超孔隙水压力消散时引起的体积再固结应变来计算。根据以往地震的现场经验,体积应变的大小取决于抗震能力和设计地震时的CSR。Ishihara 和 Yoshimine (1992)的研究显示体积再固结应变的范围从非常松散的砂的 4.5%到非常致密的砂的 1%。再固结应变是根据循环加载期间形成的最大剪切应变计算的,沉降计算如下图所示。结果显示地表的沉降量为12cm左右。


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