含粘粒砂土地震液化灾变定量评价的多尺度试验研究

饱和砂性土地震液化灾变及其判别是岩土地震工程领域的重要研究课题。迄今已有的砂土液化判别研究主要集中在洁净砂上，很少涉及含粘粒砂土。近年来全球地震中出现了大量含粘粒砂土液化震害实例。含粘粒砂土地震液化是一个涵盖了从土颗粒微观结构损伤、单元体动力特性弱化到场地液化破坏的多尺度灾变问题，粘粒种类、含量和塑性对砂土结构性及不排水动力特性影响机理是研究含粘粒砂土地震液化灾变的关键科学问题。本项目拟通过土颗粒微观结构观测、动三轴单元体试验、土工离心机振动台模型试验和地震液化现场调查相结合的多尺度试验研究，利用剪切波速表征含粘粒砂土结构性，揭示含粘粒砂土结构性对抗液化强度和剪切波速的影响规律，建立抗液化强度与剪切波速间的相关关系。据此发展含粘粒砂土地震液化判别剪切波速法，完善现有的考虑细粒影响的砂土液化判别方法以指导实际场地液化评价，从而为我国地下基础设施防震减灾及工程抗震设计提供科学依据。

本课题以含粘粒砂土为研究对象，通过土颗粒微细观结构观测、动三轴单元体试验、土工离心机振动台模型试验和地震液化现场调查测试相结合的多尺度试验研究，以剪切波速为土体结构性的表征参数，揭示粘粒含量对含粘粒砂土结构及动强度和剪切波速的影响，从而发展含粘粒砂土液化判别的剪切波速方法。发展了含粘粒砂土制样控制方法，以福建石英砂和萧山粘土为土样材料配置不同粘粒含量的含粘粒砂土，开展了测量剪切波速的固结试验和渗透试验，研究粘粒含量对含粘粒砂土孔隙比、压缩性及渗透性等物理力学参数的影响规律，揭示不同固结应力状态下含粘粒砂土剪切波速变化规律。在此基础上，利用光学显微镜技术观测不同粘粒含量含粘粒砂土微细观特征，发现随着粘粒含量的不断增加，含粘粒砂土结构发生了从“类砂土”到“类粘土”的演变，其粘粒临界含量约为20-25%。据此改进了含粘粒砂土微观结构演化的概念模型，用于解释粘粒含量对砂土结构性及剪切波速等宏观参数的影响机理。开展测量剪切波速的动三轴液化试验，研究重塑含粘粒砂土动应力应变关系及超静孔隙水压力变化模式，揭示粘粒含量对砂土抗液化强度和剪切波速的影响规律。研究发现，当粘粒含量低于临界含量时，与相同骨架相对密度的洁净砂相比，含粘粒砂土表现出更大的剪缩势、更易液化，且该规律可用结构性概念模型很好的加以解释。建立了含粘粒砂土抗液化强度（CRR）与剪切波速(Vs1)之间的相关关系，发现该相关性曲线随粘粒含量增加而上升。研发了超重力环境下的弯曲元波速测试技术，开展了4个测量剪切波速的离心机振动台液化模型试验。通过洁净砂与含粘粒砂土对比试验，揭示了含粘粒砂土场地在地震荷载下的动力响应及超静孔压变化规律。建立了基于离心机振动台试验的模型场地液化数据处理方法，获得了34组液化实例数据（CSR,Vs1），验证了基于单元体试验获得的CRR-Vs1相关关系的正确性。对1999年我国台湾地区集集地震、1999年土耳其Kocaeli地震开展地震液化实例研究，建立含粘粒砂土场地液化数据库（包含地震剪应力比CSR、剪切波速Vs1和粘粒含量CC），从场地尺度验证了基于单元体试验获得的CRR-Vs1相关关系可靠性。最后基于Seed 简化方法框架，提出含粘粒砂土场地液化判别的剪切波速方法。本项目研究成果共发表论文11篇，授权或申请专利5项，并获得多项省部级奖励。