[发明专利]用来补救可液化的土壤的液化作用的装置和方法

说明书

本发明的背景

一般说来，本发明涉及使土壤稳定，更具体地说，涉及补救可液化的土壤的液化作用，使因地震所造成的液化作用对所支承的结构或工程的破坏达到最小。

地壳中的突然断裂会造成地震。在世界的某些部分，地壳的一段与相邻的一段之间会出现连续的运动，造成在两段边界处应变的积累。当由这些应变发展的应力达到材料的强度时，在两部分地壳之间会出现滑移，且释放出巨大的能量。这种能量由地震的中心点或原点以弹性应力波的形式向外传播，可以携带着破坏性的能量传播几百英里。

这些应力波的破坏性最大的效应之一来自它们对饱和的松散细砂或粉砂的沉积物的作用，造成被称为液化作用的现象。当液化作用出现时，土壤团体完全失去了剪切强度，并且运动暂时象液体。剪切强度的这种暂时的失去对以这些沉积物为基础的地上工程或结构可能有灾难性的作用。大的滑坡、桥梁支撑的横向移动、建筑物的沉陷或倾斜以及岸边结构的损坏都已经在近年来观察到，并已经进行了越来越多的努力，目的在于开发防止或减少这类破坏的方法。

对地壳的上部或其内的任何冲击或震动都会使应力波通过土壤传播。多种不同类型的波中的任何一种或所有的种类是可能的，这些波中的在实际上出现的那些取决于震动或冲击的位置、类型和构形。地震学家区分出两类这样的地震波；通过物体的内部传播的体波和沿着表面传播的表面波。

体波通过介质的内部传播，并从一个扰动源在所有的方向上向外辐射。在一次地震中，初始的滑移在一个相对有限的区域内在地表面以下的岩床中出现，波前基本上是球形的。随着波的传播离波源越来越远，波前的曲率变得越来越小，在离波源非常远的距离，波前将与平面波无法区分。

两种类型的体波为被称为P波的压缩波或纵波和被称为S波的剪切波或横波。

表面波出现在弹性介质的表面上，或出现在有不同性质的两种弹性介质的交界面上。与这种类型的波相关的颗粒的运动被限制在靠近表面或交界面的一个相对较薄的区域内。表面波以一个圆形波前由波源向外传播。同样，随着波前的传播离波源越来越远，波前的曲率变得越来越小。

最有意义的表面波为Rayleigh波和Love波。被称为耦合波和水力波的另两种波随着它们由波源传播快速地衰减掉。

所传输的总能量几乎完全由Rayleigh波、S波和P波表示，Rayleigh波携带最大的能量，S波携带中等的能量，P波携带的能量最少。P波的速度几乎为Rayleigh波和S波的速度的两倍，而S波的速度只比Rayleigh波的速度稍微快一点。

在离开扰动源的某个距离处，在地面上的一个颗粒在P波到达时首先经受到振荡形式的移动，接着是一个相对安静的时期，跟着在S波和Rayleigh波到达时经受另一次振荡。这些事件被称为小震，和在Rayleigh波到达时的主震。

随着离波源的距离的增加，两次到达之间的时间间隔变大和振荡的振幅变小。另外，小震比主震衰减得更快。因此，很明显，Rayleigh波是沿着弹性的半空间的表面最主要的扰动，在离波源较远的距离，Rayleigh波可能是唯一可以明显感觉到的波。

由于均匀的弹性介质与实际的地面之间的不同，实际的地面运动实际上是非常复杂的。当弹性波碰到不同的弹性介质之间的交界面时，至少一部分能量由该交界面以反射波的形式反射回去。当存在多个交界面时，波的图形可能变得非常复杂。

还有，可以通过岩床本身传播相当大的能量，似乎在许多情况下，在地震的过程中，在该区域内作用到土壤上的主要作用力是由来自下面的岩石构造的剪切运动的向上的传播造成的那些作用力。虽然实际的波形可能非常复杂，但是由剪切波分量施加到土壤上所造成的重复和反向剪切变形是在饱和的细砂或粉砂沉积物中产生液化作用的主要原因。

当松散的砂经受反复的反向剪切应变时，随着每次反向，砂的体积将减小，尽管随着每个循环体积减小的量变得较小。如果砂是饱和的，并且，不容许由砂中排水，应理解，因为砂的体积正在减小，水的压力必然提高。随着水的压力变得较高，在砂中晶粒与晶粒之间的接触压力必然变得越来越小。当晶粒与晶粒之间的接触压力变为零时，整个砂团体将失去所有的剪切强度，并象一种液体一样作用。这种现象被称为液化作用，作为地震、爆破或其它冲击的结果这可能出现在松散的、饱和的砂沉积物中。

影响液化作用出现的因素为土的类型、土壤的密实程度、土壤的渗透率、应变反向的强度以及应变反向的次数。