第29卷 第1期2007年3月西 北 地 震 学 报NOR T HWESTERN SEISMOLO GICAL J OU RNALVol.29 No.1March,2007综述特殊土动力学的发展战略与展望①王兰民1,2,孙军杰1,2(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000;2.中国地震局黄土地震工程开放实验室,甘肃兰州 730000)摘 要:在我国广泛分布的特殊土(包括黄土、冻土、新近堆积土和膨胀土等)具有独特、复杂的动力学性质和较高的致灾性,与之相关的动力学问题已成为工程界关注的焦点。
本文在回顾特殊土动力学发展历史、近年来国内外主要研究进展及其发展趋势的基础上,战略,提出了今后应重点发展的研究方向与课题。
关键词:特殊土;动荷载;工程地质病害;研究进展;发展战略中图分类号:TU435 文献标识码:A 文章编号:1000-0844(2007)01-0088-06Development Strategy and Prospects for Study of Special Soil DynamicsWAN G Lan2min1,2,SUN J un2jie1,2(1.L anz hou I nstit ute of Seismology,C EA,L anz hou 730000,Chi na;2.Open L aboratory of L oess Eart hquake Engineering,C EA,L anz hou 730000,China)Abstract:The special soils,which includes loess,f rozen soil,soft soil,and swelling soil,dis2 t ribut widely in China,and are easy to cause disasters.For t heir particular microstruct ure,dur2 ing dynamic loading t he responses of special soils are unique and complicate.In recent yeas t he dynamic p roblems of special soils have been t he focal point s in t he field of special soils engineer2 ing.In t his paper,t he history and recent advance of special soil dynamics are reviewed.On t his basis t he f ut ure develop ment st rategy of t he field is discussed,some st udy p roblems are p ut for2 ward.K ey w ords:Special soil;Dynamic load;E ngineering geology disasters;R esearch advance;Develop2 ment strategy0 引言2004年8月国家自然科学基金委员会决定启动学科发展战略研究和“十一五”优先资助领域的论证研讨工作。
根据这一工作的基本要求与任务,国家自然科学基金委材料与工程科学部组织了“建筑、环境与土木工程”学科发展战略研讨的系列活动,并最终编写完成了该学科的未来发展战略报告。
在报告中,岩土工程分组专家分别对“十一五”期间岩土工程学科的学科体系、研究范围和任务、国外研究进展和发展趋势、国内研究现状与差距、今后发展目标、重点研究领域,交叉领域和学科增长点等战略发展问题进行了深入的探讨。
笔者在主持岩土工程学科中特殊土工程主题报告编写的基础上,将与特殊土动力学有关的内容在本文中拓展论述,旨在通过梳理特殊土动力学的发展历史与研究现状,结合当前我国经济建设的需求,对已引起众多专家学者广①收稿日期:2006205212中国地震局兰州地震研究所论著编号:LC20070013作者简介:王兰民(1960-),男(汉族),陕西浦城人,研究员,主要从事土动力学及民房抗震等方面的研究工作.泛关注但仍需进一步大力开展研究工作的特殊土动力学领域的发展战略做一展望,并指出了该研究领域未来应重点发展的方向和课题。
1 特殊土动力学的发展历史特殊土动力学以黄土、冻土、新近沉积软土和膨胀土为研究对象,重点研究这些典型特殊土在地震动、振动荷载、波浪等动载荷作用下的变形性、结构性、稳定性与致灾危害性。
上述4类典型特殊土体在我国具有较为广泛的分布,与其有关的工程问题十分突出,是岩土工程界广泛关注的研究热点。
对这些特殊土工程关键科学问题的研究既丰富了岩土工程学的学科内容,又促进了岩土工程学科的发展,特别是对黄土和冻土动力学的研究,目前已经成为我国在国际岩土工程研究领域显示先进或领先水平的特色研究方向。
黄土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪沉积物,因其独特的微结构表现出极强的动力易损性,由其引发的相关工程地质病害曾经造成过无计其数的工程事故和上百万人的死亡。
20世纪70年代后期以来,地震作用下黄土动力特性及其灾害的研究成为黄土工程研究的一个热点方向,国内外研究工作在20世纪80年代以后取得了重要进展,主要是在中国、美国、前苏联和日本展开的。
国外研究主要涉及到黄土液化及其滑移[124]和黄土震陷。
国内对黄土动力特性的研究最早见著于钱家欢和姜朴的《振动作用下黄土的抗剪强度》一文。
而较为广泛的研究始于20世纪70年代末,主要涉及到黄土的动力特性、黄土地震灾害(滑坡、震陷、液化)和黄土地区地震动衰减规律、强震地面运动特征[5213]。
冻土是具有负温且含有冰的各类土(岩)的总称,冻土强度高于融土和冻土融化下沉的材料特性是对寒区工程有利与不利的两个方面。
冻土动力学主要探讨动荷载下冻土强度变化特征以及由此引起的地基土体承载力、稳定性等的变化。
世界上第一篇研究冻土力学性质的论文出自前苏联学者H.A. Tsytovich(1930)。
我国比较系统地进行冻土研究起始于20世纪70年代。
20世纪90年代初冻土工程国家重点实验室建立以来,我国在冻土动力学方面的研究日渐兴起。
2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震在冻土地区所造成的大规模震害现象以及冻土区一大批基础设施工程和重大工程的兴建,使得科研工作者对冻土动力学研究产生了极大兴趣,并促使冻土动力学和冻土地震工程的研究成为我国冻土工程学科一个新的分支学科增长点[18220]。
新近沉积软土一般是指第四纪全新世文化期以后堆积的软土,这些软土工程特性极差,具有高压缩、低强度、低渗透等特性,有些还具有很强的结构性,必须经过人工处理后才能得到高附加值的利用。
至今进行的新近堆积软土的研究,主要集中于静荷载下地基大幅度变形研究之上,相关动力学研究工作开展较少。
膨胀土是一种特殊粘土,此类粘土以明显“胀缩性”和因其自身结构特性而具有的裂隙性和超固结性为主要特征。
自20世纪60年代以来,膨胀土研究受到生产实践的广泛重视而迅速发展,从一个国家或地区的研究逐渐发展成为世界性的共同课题,先后在膨胀土的结构特征、力学特性、变形特点等方面取得了很有价值的研究成果。
与新近堆积软土动力学的研究情形相似,膨胀土动力学研究属于尚待相关专家学者开发的科研处女地。
总的来看,在特殊土动力学研究领域中黄土和冻土动力学的研究程度较高,其主要研究内涵业已开拓,已经取得了大量的初步研究成果。
新近堆积软土和膨胀土因其表现出的极差工程特性,可以想见在长期动载荷作用下必然容易诱发土体疲劳破坏的异常变形乃至产生工程病害,危机周围及其上部工程结构及人民生命财产安全。
考虑到这两类特殊土体可能作为我国很多经济发达区域在其今后快速发展过程中不可避免地会被大量使用的地基类型,未来时段内开展针对它们的相关动力学研究是必需的举措。
2 特殊土动力学的主要研究进展20世纪90年代以来,国内外在黄土、冻土、新近堆积软土和膨胀土等特殊土动力学领域的主要研究进展可概括如下。
2.1 黄土动力学近年来,黄土动力学已成为国际土动力学与岩土地震工程研究的一个特色方向,我国此方面的相关研究已处于世界领先地位。
黄土动力学的研究成果主要体现在与动荷载有关的黄土地基处理、结构性、斜坡与边坡稳定性和室内外试验技术等4个方面。
已有研究主要以我国中西部地区以及美国和俄罗斯晚更新世以来的黄土场地为研究对象,采用多学科、综合性的分析研究方法,对动荷载作用下黄土98第1期 王兰民等:特殊土动力学的发展战略与展望 的动力特性及其地震灾害预测预防与减轻技术进行了系统深入的研究,其主要进展包括:(1)建立了随机地震荷载下黄土的动本构模型,证实了曼辛不规则加卸荷准则对黄土的适用性,定量研究了不同地震荷载对黄土动力特性参数的影响,提供了黄土地区主要大、中城市各类土层的动力参数,提出了随机地震波荷载条件下黄土动力参数、震陷和液化的动三轴试验方法;(2)建立了中国西北黄土震陷系数的经验计算公式,提出了震陷量的预测计算方法,并通过工程实例试验与计算,揭示了黄土震陷的危害性和黄土体地震变形破坏机理;(3)通过多学科试验和现场爆破液化试验,证实了黄土液化的客观存在性和机理,建立了饱和黄土孔压和应变增长模型,提出了相应的判别指标、预测和预防技术;(4)研究了黄土地震滑坡的类型和机理。
提出了用随机搜索法确定黄土斜坡最危险滑裂面、用随机地震荷载下动强度参数求解地震安全系数的斜坡地震稳定性分析方法;(5)研究了黄土场地剪切波速和地脉动的区域和土层分布规律及其在场地地震动放大效应估计中的应用,建立了相应的计算公式,并对土体弹性波动理论中的一些问题进行了改进和完善;(6)建立了击实黄土动力特性的理论,初步为黄土地基抗震密实处理提供了干密度、波速、标贯和孔隙比等方面的标准;(7)建立了黄土地区的强震地面运动衰减规律,揭示了地貌类型(塬、梁、峁、阶地)和土层结构条件对地震动放大效应的影响规律;(8)提出了黄土地基抗震陷和液化的处理技术方法和标准;(9)提出了黄土地震滑坡、震陷、液化的三级区划指标与方法,开发了基于GIS的黄土地震灾害预测区划计算机系统,并对我国黄土高原地区进行了1:100万黄土地震滑坡、震陷、液化区划图的编制[529];(10)黄土显微结构的研究表明了黄土在其颗粒的排列与胶结以及孔隙类型、大小和形状等方面的特殊性,揭示了黄土的液化和震陷与其特殊结构之间的可能关联;(11)室外现场试验技术方面发展了人工爆破地震动现场试验和表面波动勘探试验等,室内试验技术主要发展了离心机试验、振动台试验、应力路径、应变或孔压控制的任意波动三轴试验、相位可控的双向振动三轴试验、三轴扭剪试验和能进行计算机图像处理的微结构扫描电镜试验等。