王翔

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

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地基土在地震作用下的液化機(jī)理淺析

王翔

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

摘 要根據(jù)砂土強(qiáng)度的三種分量說理論來(lái)探討地基土在地震荷載作用下的液化機(jī)理，并對(duì)影響液化的若干因素進(jìn)行分析，進(jìn)而闡明了目前多種處理地基土液化方法的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞液化；有效應(yīng)力；孔隙水壓；密度；粒徑；地震烈度；固結(jié)應(yīng)力；應(yīng)力歷史

世界上地震頻發(fā)，給人類造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，因而地震及其破壞問題的研究一直是各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。地震對(duì)建構(gòu)筑物的破壞主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是上部結(jié)構(gòu)的破壞；二是地基土強(qiáng)度遭受破壞，承載能力急劇減小，進(jìn)而使得整個(gè)建構(gòu)筑物遭受破壞，如地基土在地震作用下產(chǎn)生的液化。本文探討的內(nèi)容就是地基土在地震荷載作用下的液化機(jī)理。

1 液化的概念

目前國(guó)內(nèi)外巖土界對(duì)于“液化”的定義基本是一致的。如1978年美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)巖土工程分會(huì)土動(dòng)力學(xué)委員會(huì)對(duì)“液化”一詞的定義就是“任何物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的行為或過程”；汪聞韶先生給無(wú)黏性土液化的定義是“物質(zhì)從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)的物理和力學(xué)性質(zhì)的演化過程”。液化主要在飽和無(wú)黏性土或稍具黏性的土中發(fā)生。在不排水條件下，在重復(fù)或單方向的荷載作用下，其超孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力減小，抗剪強(qiáng)度降低直至消失，由固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)。由于剛度消失，液化后的物體中不能存在偏應(yīng)力張量[1]?！耙夯钡母拍羁捎锰郴行?yīng)力原理（1）和莫爾—庫(kù)倫強(qiáng)度理論（2）來(lái)說明：

飽和無(wú)黏性地基土（c = 0）在地震振動(dòng)作用下，土體中顆粒重新排列和重新定向而趨于密實(shí)，土體變密實(shí)勢(shì)必排除孔隙水，而在急劇的周期性動(dòng)荷載作用下，如果土體的透水性不良而排水不暢的話，則前一周期的排水還未完成，后一周期又要排水，應(yīng)排走的水來(lái)不及排出，而水又是不可壓縮的，于是就產(chǎn)生了超孔隙水壓力。當(dāng)孔隙水壓力u接近土的總應(yīng)力σ時(shí)，有效應(yīng)力σ'接近零，土的抗剪強(qiáng)度也就消失了，這時(shí)液化就發(fā)生了。

從上述液化的概念可以知道，要使地基土產(chǎn)生液化，必須要滿足以下幾個(gè)條件：

（1）地基土必須是飽和的。

（2）地基土必須是無(wú)黏性的砂土、粉土或者稍具黏性的有較低黏粒含量的粉土。

（3）地基土滿足一定的荷載及邊界條件，使得孔隙水壓力急劇上升，有效應(yīng)力降低直至消失。

2 液化的機(jī)理及影響因素

1964年羅通過能量平衡方程發(fā)現(xiàn)，砂土的抗剪強(qiáng)度由三部分組成：一是粒間純滑動(dòng)摩擦提供的剪阻力；二是顆粒重新排列和重新定向所需的剪阻力；三是克服咬合作用所需的剪阻力各個(gè)分量隨試樣的干密度ρd的變化而變化，如圖1所示。

由圖1可見，對(duì)于松砂，強(qiáng)度主要來(lái)源于摩擦阻力和顆粒重新排列、定向效應(yīng)。對(duì)于緊砂，強(qiáng)度主要來(lái)源于摩擦阻力和剪脹效應(yīng)，這是由于峰值強(qiáng)度可在顆粒發(fā)生顯著位移之前到達(dá)，因此重排效應(yīng)不大。另外，羅又把剪脹分量細(xì)分為兩部分：①試樣剪脹時(shí)摩擦所吸收的能量φr- φf；②體積改變時(shí)做功所消耗的能量φd- φr。無(wú)論松砂還是緊砂，滑動(dòng)摩擦阻力可以視為常數(shù)[2]。顯然，砂土的密度越大，剪脹分量占整個(gè)強(qiáng)度的比重也越大?；谌至繌?qiáng)度理論，對(duì)于飽和緊砂在地震荷載作用下土體吸收的能量中有相當(dāng)大一部分消耗于強(qiáng)度分量中的剪脹分量，減少了土中水所吸收的能量，這樣產(chǎn)生的超孔隙水壓力就小，土的有效應(yīng)力就不太可能降低至零，液化可能性就大大降低了；但是對(duì)于松砂，在地震荷載作用下，土中顆粒重新排列、定向，這部分強(qiáng)度所消耗的能量較少，土中水所吸收的能量就大大增加，這樣產(chǎn)生的超孔隙水壓力就很大，土的有效應(yīng)力很快消失，這樣就產(chǎn)生了液化。

圖1 強(qiáng)度分量隨ρd的變化Fig.1 The change of strength components along with dry density ρd

影響地基土液化的因素主要有相對(duì)密實(shí)度，粒徑以及黏粒含量，地震烈度，固結(jié)應(yīng)力以及應(yīng)力歷史等，下面就這些影響因素逐一介紹。

2.1 土的相對(duì)密實(shí)度的影響

地基土在地震荷載作用下趨于密實(shí)，才有可能發(fā)生液化，這就說明土體在地震荷載作用下液化時(shí)發(fā)生了剪縮現(xiàn)象。在低壓情況下，松散的土在剪切荷載作用下會(huì)發(fā)生剪縮，而密實(shí)的土在剪切荷載作用下發(fā)生剪脹，因此液化一般發(fā)生在較為松散的土中。在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，根據(jù)土層的地質(zhì)年代來(lái)判別液化的可能性，如果是全新世的無(wú)黏性土沉積層，對(duì)液化是很敏感的，因?yàn)檫@些土層一般密實(shí)度不大，而更新世沉積層發(fā)生液化的情況就很罕見，前更新世沉積層發(fā)生液化更是罕見，這些土層在很長(zhǎng)的沉積過程中固結(jié)已經(jīng)完成，有些甚至是超固結(jié)，這些土的密度一般都比較大。同樣，在我國(guó)的《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中，不同地震烈度時(shí)飽和砂土的相對(duì)密實(shí)度Dr小于表1的數(shù)值時(shí)[3]，有發(fā)生液化的可能。

表1 飽和砂土可能發(fā)生液化的相對(duì)密實(shí)度Tab. 1 The relative density of saturated sand soil happened liquefaction easily

2.2 土的粒徑以及黏粒含量的影響

地基土在發(fā)生地震振動(dòng)時(shí)，礫砂等粗粒土因?yàn)橥杆源螅紫端畨毫δ苎杆傧?，液化不容易產(chǎn)生，而黏性土，由于細(xì)顆粒有黏著力，在振動(dòng)時(shí)克服黏著力要消耗一定的能量，因此液化也不容易產(chǎn)生。只有中等粒組的砂土和粉土最容易液化。這已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖2，圖中繪出顆粒均勻和級(jí)配良好的土易發(fā)生液化的級(jí)配曲線[2]。

圖2 易發(fā)生液化砂土的級(jí)配曲線Fig.2 The grading curve of sand soil happened liquefaction easily

由圖2可見，土層顆粒平均粒徑一般在0.005～5 mm有液化可能，在0.05～1 mm范圍內(nèi)極易液化。同時(shí)這些范圍邊界的級(jí)配曲線形狀都是相似的，所以不能僅以級(jí)配特征確定是否易于液化。

2.3 地震烈度的影響

地震是引發(fā)地基土發(fā)生液化的誘因，地震烈度越大，發(fā)生液化的可能性也越大。這是因?yàn)榈卣鹆叶仍酱?，反映的是振?dòng)加速度越大，振動(dòng)幅值也越大，超孔隙水壓力就能在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)極限值?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》反映了設(shè)計(jì)基本地震加速度對(duì)液化的影響[4]，如表2所示。

表2 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值Tab. 2 The reference value of standard penetration test for liquefaction evaluation

在表2中地震加速度g越大，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值No也越大，計(jì)算的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr也越大，液化的可能性也越大。

2.4 固結(jié)應(yīng)力的影響

無(wú)黏性土抗剪強(qiáng)度取決于有效應(yīng)力的大小，若提高固結(jié)應(yīng)力，隨著固結(jié)度的不斷提高，土的有效應(yīng)力也不斷增加，土要達(dá)到液化所需的超孔隙水壓力的界限值也越大，因而抵抗液化的能力也越強(qiáng)。要增加固結(jié)應(yīng)力，可以有兩個(gè)途徑：一是增加上覆蓋非液化土層的厚度；二是增加地下水位的埋深。這在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中也有所體現(xiàn)。要長(zhǎng)期地改變地下水位的埋深是不可控的，一般能做的就是增加上覆蓋非液化土層的厚度。福建省建筑科學(xué)研究院的楊建學(xué)[5]對(duì)福州某小區(qū)場(chǎng)地回填和挖方對(duì)砂土液化做了定量分析，認(rèn)為回填和挖方對(duì)砂土的液化指數(shù)有很大的影響，并建議在砂土液化判別時(shí)應(yīng)取地面整平時(shí)的標(biāo)高作為判別依據(jù)?；谕瑯拥臋C(jī)理，在交通和水利建設(shè)中也有采用增加液化土層固結(jié)應(yīng)力的辦法來(lái)減弱或者削減液化土發(fā)生液化的可能性。我國(guó)官?gòu)d水庫(kù)壩基9.2 m范圍內(nèi)厚0.45～5.64 m的細(xì)砂和中砂層（細(xì)砂的d50= 0.192 mm，Cu = 2.56，Dr= 0.65，中砂的d50= 0.315 mm，Cu = 2.58，Dr= 0.53）屬于可液化土層，曾采用了在壩下游加蓋重和蓋重末端截?cái)嗫梢夯翆拥募庸烫幚泶胧?；在交通建設(shè)中路基采用反壓護(hù)道的辦法增加液化土層的初始圍壓[6]。

2.5 應(yīng)力歷史的影響

由于土體在受力過程中必然發(fā)生塑性變形，而塑性變形不可恢復(fù)，歷史上發(fā)生的變形將保存和累計(jì)起來(lái)。它無(wú)疑會(huì)影響今后的變形。經(jīng)過一個(gè)加荷卸荷循環(huán)后，再加荷時(shí)變形就減小了。

圖3 應(yīng)力歷史對(duì)變形的影響Fig.3 The influence of stress history to deformation

從圖3中可以看出，A、B兩點(diǎn)有著相同的應(yīng)力σ1-σ3，然而A點(diǎn)處于初始加荷曲線上，B點(diǎn)處于再加荷曲線上，兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的εa，它們所處應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線的斜率也不同。如果施加同樣的荷載增量，則對(duì)應(yīng)A狀態(tài)的土體應(yīng)變?cè)隽看?，而?duì)應(yīng)的B狀態(tài)應(yīng)變?cè)隽啃2]。因A、B兩點(diǎn)有著不同的應(yīng)力歷史，加荷后就有不同的變形。這就解釋了為什么超固結(jié)土比正常固結(jié)土變形小的原因了。而土體變形能力也就反映了抗液化能力的大小，變形能力小的地基土抗液化能力就大，對(duì)液化就不敏感。超固結(jié)土比固結(jié)土或欠固結(jié)土抗液化能力強(qiáng)就是這個(gè)道理。

3 消除地基土液化的措施

若依據(jù)相關(guān)規(guī)范判別地基土中某土層為液化土層時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)處理這些液化土層：

（1）若液化土層埋深較淺并且厚度較薄時(shí)，可以采用換土或采用深基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面應(yīng)埋入液化深度以下的穩(wěn)定土層。

（2）可以采用樁基，樁端伸入液化深度以下的穩(wěn)定土層。

（3）采用加密法（如振沖、振動(dòng)加密、強(qiáng)夯等）加固，處理深度到液化深度的下界。經(jīng)過加密法加固的土層，密度有很大提高，同時(shí)由于復(fù)雜的應(yīng)力歷史及塑性變形的累積，土的變形能力大大降低，土的抗液化能力大幅提高；若采用振沖或擠密碎石樁加固，除了可以加密土層以外，還可以改善土層的排水條件，在地震發(fā)生時(shí)，液化土層的水可以通過碎石樁及時(shí)排出，超孔隙水壓力就不容易累積形成，這樣土層的抗液化能力就大為提高。

（4）增加上覆非液化土層的厚度，就是通過提高土層的固結(jié)應(yīng)力的辦法，降低土層發(fā)生液化的可能性。

4 結(jié)論

本文從能量的角度以砂土強(qiáng)度三分量理論為依據(jù)說明了地基土在地震荷載作用下發(fā)生液化的機(jī)理，同時(shí)就影響液化的幾個(gè)因素展開討論，并據(jù)此釋明了目前幾種處理液化方法的理論依據(jù)。這種方法可以幫助我們較好地從本質(zhì)上理解“液化”這種不利的地質(zhì)現(xiàn)象，進(jìn)而在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中避開可能的液化土層或者對(duì)液化土層進(jìn)行處理從而消除和減輕液化影響，保證結(jié)構(gòu)的安全。

參考文獻(xiàn)

[1]汪聞韶. 土的液化機(jī)理[J].水利學(xué)報(bào) ，1981（5）：22-33.

[2]錢家歡，殷宗澤. 土工原理與計(jì)算[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社，1996.

[3]GB 50287—99 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[4]GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]楊建學(xué). 飽和砂土液化判別的工程應(yīng)用分析[J]. 巖土工程界，11（2）：27-29.

[6]郭桃明，李德武，董博. 砂土液化現(xiàn)象研究現(xiàn)狀及存在的問題[J]. 四川建筑，27（5）：78-80.

中圖分類號(hào)：TU 475

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-817X（2016）02-0059-000

收稿日期：2015-11-03

作者簡(jiǎn)介：王翔（1981—），男，工程師，主要從事石化和醫(yī)藥工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Analysis of Liquefaction Mechanism of Ground Soil under Earthquake Condition

Wang Xiang
（SINOPEC Shanghai Engineering Co. Ltd, Shanghai 200120）

Abstract:Liquefaction mechanism of ground soils during earthquakes was discussed in this paper according to the theory in which shear strength in sand are divided into three components. At the same time, several factors influencing liquefaction were analyzed. Then, the theory on which ground treatment methods are based was expounded.

Keywords:liquefaction; effective stress; pore water pressure; density; grain size; earthquake intensity; consolidation stress; stress history