第一章绪论
1.1研究背景和意义
地震是威胁人类和社会可持续发展的最严重的自然灾害之一,给人类带来了巨大的经济财产损失及人员伤亡。我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处，是世界上地震灾害最严重的国家之一，每年都会发生数次震级>5.0地震,地震灾害形势严峻,任重道远（王维铭，2013)。大量震害调查表明，许多灾害现象与岩土工程问题密切相关（如1976年中国唐山地震、1985年墨西哥地震1995年日本阪神地震、1999年中国台湾集集地震），其中尤为突出的是土的液化问题，它可以使场地丧失承载力并引起震后大变形，导致地基、河堤护岸等土工建筑物失稳和破坏（周燕国，2007)(图1.1): 1964年日本新湾地震造成大量的包括喷砂冒水、边坡流滑、不均句沉陷等灾难性破坏，液化损失超过10亿美元；1976年唐山地震造成大面积的地基液化灾害，使密云水库等多处堤现表面保护层产生流滑灾害；1999年9月台湾集集地震同样引起了地基液化及侧向大变形的发生（最大处达5m)，产生大范围的房屋倒塌和地面开裂；2003年2月24日新疆巴楚地震使大面积砂土发生液化，造成农田毁坏、建筑物破坏和河流沟渠塌岸等一系列液化灾害，成为唐山及海城地震后近30年来我国发生的规模最大的砂土液化灾害；2008年坟川地震的近场强震动也使得沿主断裂长200公里、宽100公里的地域范围内发生了大量液化震害。根据近几十年来全球近50次破坏性地震统计，发现地震灾害损失的15?30%是由场地液化造成的（Bird & Bommer, 2004)。
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1.2时间效应研究现状
恒定应力水平下，土体在自然沉积过程中或扰动过后，工程力学特性随时间变化的现象统称为“时间效应”（Bowman & Soga，2005)。过去50多年，许多学者在现场测试中发现土体的力学特性随时间发生改变，最新室内试验也表明土体静力触探端阻如、小应变剪切模量G陳、泊松比等都会随时间发生改变。Schmertmann(1991)通过三轴IDS试验系统研究时间效应改善土体工程特性的原因，指出时间效应下，土颗粒的重新分布是土体强度及刚度获得发展的主要原因。Baxter & Mitchell (2004)开展一系列室内试验研究了时间效应对砂土工程特性的影响，发现时间效应下砂土贯入阻力并没有显著变化，这与绝大多数现场测试结果不同。Wang & Tsui (2009)通过共振柱试验研究了时间效应对砂土动力特性影响，发现时间效应会显著增加砂土剪切刚度而降低其泊松比，同时试验表明低应力水平下松砂时间效应比密砂更为显著，而高应力水平下则相反。1.2.2时间效应对砂土抗液化强度影响Youd & Perkins (1978)通过震后现场观测评估不同沉积年代土体液化可能性，发现沉积年代小于500年的土体十分容易液化，沉积年代小于1w年的全新世土体其抗液化能力有所增长，而沉积年代更久的更新世土体在相同地震作用下很难液化。此后，众多学者纷纷研究时间效应对砂土抗液化能力影响。Seed (1979)开展一系列室内试验，研究不同固结时间砂土的抗液化强度。结果表明，固结10天及100天砂土的强度较固结1天砂土分别高12%和25%。通过对古老土层进行无扰动试验发现其强度比重塑样高50%-100%。Troncoso et al. (1988)对现场取回的未扰动试样进行循环三轴试验。结果表明，沉积5年及30年土层的抗液化强度分别比沉积1年土体高40%和80%，而重塑土的抗液化强度仅为沉积1年土体的60%。Arango & Migues (1996)对现场取回的沉积年代为1百万年的未扰动试样进行了 18组应力控制式循环三轴试验，试验表明所有试样的循环抗液化强度在0.8-1.4之间。而根据Seedetal. (1985)提出的液化判别方法则得到0.5的抗液化强度。因此，该场地的抗液化强度是相同标贯键击数下全新世砂土的1.6-2.7倍。
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第二章地震液化时间效应的原位观测
2.1引言
2010年9月至2011年12月，新西兰发生了四次大规模地震（2010年9月4日=7.1 Darfield 地震，2011 年 2 月 22 日 = 6.2 Christchurch 地震以及 6 月 13 日及 12 月23日两次双震）。这些地震对Christchurch区域造成了极为严重的液化灾害，使地表发生大面积开裂和侧移，并引起房屋破坏。其中尤以2011年2月22日Christchurch地震液化灾害最为严重，该地震是自地震液化调查以来液化影响最为严重的一次地震，其造成的液化现象显著，全球罕见。Christchurch位于新西兰南岛东岸，是一个地震多发城市。该国地震台网建设十分完备，拥有100多地震仪和180多个强震台站，实时记录地震动情况，为观测震后时间效应发展规律提供了难得的机会。本章针对2010-2011新西兰基督城地震，结合强震台站记录，通过HVSR方法分析获得场地波速的时间变化规律，同时对Kay an et al. (2 013)全球震害实例数据库进一步分析，从而实现地震液化时间效应原位观测。
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2.2新西兰地震简介
2010年9月4日，震级Mw7.l的地震袭击了新西兰南岛Canterbury区域，震中位于距Christchurch中心商业区西部40km的Darfield，震源深度约10km。2011年2月22日，时隔6个月后，一场震级6.2的地震再次袭击了该区域，其震中位于Christchurch市东南仅6km的Lyttelton市，震源深度为5km。尽管此次地震震级较小，但由于震源深度浅，距离Christchurch近的原因，其对管道网络、交通设施、住宅及多层建筑造成了毁灭性的的破坏（Orenseetal.2011)。2011年6月13日，Sumner区域1小时内先后发生了震级Mv 5.3及Mv 6.0的两次地震，在基督城南部及东部区域产生了较大的地表加速度（GeoNet 2011b; McVerry etal. 2011; Webb et al. 2011)并造成大面积砂 土液化(Orenseetal. 2011)。2011 年 12 月 23 日，Christchurch 区域再次发生 了震级 Mv 5.9 A 5.8 的双震，其震中距离市中心约15km。图2.1所示为四次主震的震中位置及其余震分布。新西兰位于澳大利亚板块与太平洋板块交汇处，地震活动十分频繁，面临严暖的地震灾害威胁（陈龙伟等，2013)。其构造活动主要包括三部分（DeMetset al. 1994; Sutherlandet al. 2006)： (1)其此岛沿 Hikurangi 海沟的斜俯冲带(Oblique subduction zone) ； (2)其南岛西南部沿Puysegur海沟的斜俯冲带;(3)其中央轴向构造带内的倾斜右旋滑移断层(Axialtectonic belt oblique slip faults)。图2.2为新西兰主要地质构造断层分布不意图。
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第三章时间效应对砂土抗液化强度剪切波速表征..........28
3.1引言.........28
3.2试验方案.........28
3.3试验结果.........33
3.4时间效应对砂土抗液化强度剪切波速表征关系影响.........42
3.5本章小结.........47
第四章地震历史下时间效应离心模型试验研究.........48
4.1引言.........48
4.2设备介绍.........49
4.2.1ZJU-400 土工离心机.........49
4.2.2ZJU液压侗服振动台.........51
4.3振动台模型试验设计.........53
4.4试验结果与分析.........59
4.5本章小结.........75
第五章基于原位测试指标的砂土时间效应定量表征研究.........77
5.1 引言 .........77
5.2基于原位测试的砂土时间效应表征指标.........78
5.3室内及现场数据校验.........80
5.4本章小结.........83
第五章基于原位测试指标的砂土时间效应定量表征研究
5.1引言
由上文可知（第三章），短时间内时间效应主要通过土颗粒的平移或旋转该变土体结构性，基于剪切波速的砂土抗液化强度表征关系能反映时间效应对土体强度及刚度的不同步影响，可靠表征具有不同时间效应砂土的抗液化强度。然而，由于时间效应涉及时间跨度大，当时间效应更久甚至胶结作用成为时间效应的主要机制时，其对砂土抗液化强度表征关系又有何影响，如何评价此类时间效应下的砂土抗液化强度。已有学者基于室内试验及现场测试，根据场地实际沉积年代，建议了砂土抗液化强度的时间效应修正方法（如图 1.1) (Seed 1979; Troncoso et al. 1988; Arango & Migues,1996;Arangoetal. 2000)。然而，由于实际场地沉积历史复杂久远，且通常经历了多次地震等剧烈扰动事件，单純采用地球化学方法确定的土层年代无法直接对应土体物理力学特性的实际变化。Andrus et al. (2009)根据新近沉积砂土归一化贯入阻力与剪切波速间的关系，提出了表征土体时间效应的参数ME ra (剪切波速测量值与估计值之比）(如图5.1 )。可以发现，在千年以内工程时间尺度内（红色区域所示），该方法计算M值与时间并无明显线性关系，这主要因为该时间范围内所用数据大多为液化场地数据，受地震历史扰动影响，其计算结果不能与实际沉积年代对应。
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结论
受时间效应影响，现场测试指标会随时间不断发展。现有基于Seed简化方法（Seed& Idriss, 1971)建立的土体抗液化强度(CM)与原位测试指标（如标贯SPT、静力触探CPT或剪切波速的经验相关关系并未考虑这种时间效应影响，对砂土场地液化判别可靠评价提出了挑战。本文针对砂土抗液化强度剪切波速指标表征关系，开展单元体及模型尺度试验，对工程时间尺度内物理机制为主的时间效应进行研究，得到如下结论：
(1)通过对基督城强震台站记录分析，发现场地刚度受强震扰动影响，在震动期间急剧下降，随后逐渐恢复。受这种场地测试指标随时间变化影响，对全球地震液化数据库进行调研分析，指出场地指标测试时间显著影响现有液化判别关系，测试时间越久（场地指标越接近震前原状值），液化分界线越能反映土体真实抗液化性能。
(2)以物理机制为主的时间效应主要受土类、应力水平及密实度影响。随着细粒的加入，单位体积土骨架的颗粒接触数目增加，时间效应增强；应力水平对时间效应影响并不会以固定趋势发展，而会在某一合适的应力水平下达到最佳，以本文试验为例，在50kPa有效应力下，时间效应影响最为显著；当砂土试样处于50kPar有效应力下，松砂时间效应比密砂更为明显。
(3)工程时间尺度内的时间效应对砂土强度和刚度均有影响，但两者随时间发展并不同步，相同时间下强度增长幅度比刚度要大，基于剪切波速指标的砂土抗液化强度表征关系能表征时间效应对强度和刚度的不同步影响，可靠评价具有不同时间效应砂土的抗液化强度，是时间效应初期砂土抗液化强度剪切波速表征的本征关系。
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参考文献（略）