地基土在地震作用下的液化機理淺析

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)砂土強度的三種分量說理論來探討地基土在地震荷載作用下的液化機理，并對影響液化的若干因素進行分析，進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產(chǎn)損失，因而地震及其破壞問題的研究一直是各國科學(xué)家研究的熱點。地震對建構(gòu)筑物的破壞主要表現(xiàn)在兩個方面：一是上部結(jié)構(gòu)的破壞；二是地基土強度遭受破壞，承載能力急劇減小，進而使得整個建構(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理。

1 液化的概念

目前國內(nèi)外巖土界對于“液化”的定義基本是一致的。如1978年美國土木工程師協(xié)會巖土工程分會土動力學(xué)委員會對“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]。“液化”的概念可用太沙基有效應(yīng)力原理（1）和莫爾—庫倫強度理論（2）來說明：

飽和無黏性地基土（c = 0）在地震振動作用下，土體中顆粒重新排列和重新定向而趨于密實，土體變密實勢必排除孔隙水，而在急劇的周期性動荷載作用下，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，有效應(yīng)力σ'接近零，土的抗剪強度也就消失了，這時液化就發(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條件：

（1）地基土必須是飽和的。

（2）地基土必須是無黏性的砂土、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)，砂土的抗剪強度由三部分組成：一是粒間純滑動摩擦提供的剪阻力；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，對于松砂，強度主要來源于摩擦阻力和顆粒重新排列、定向效應(yīng)。對于緊砂，強度主要來源于摩擦阻力和剪脹效應(yīng)，這是由于峰值強度可在顆粒發(fā)生顯著位移之前到達，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試樣剪脹時摩擦所吸收的能量φr- φf；②體積改變時做功所消耗的能量φd- φr。無論松砂還是緊砂，滑動摩擦阻力可以視為常數(shù)[2]。顯然，砂土的密度越大，剪脹分量占整個強度的比重也越大?；谌至繌姸壤碚?，對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密實度，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 土的相對密實度的影響

地基土在地震荷載作用下趨于密實，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發(fā)生剪縮，而密實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)計規(guī)范》中，根據(jù)土層的地質(zhì)年代來判別液化的可能性，如果是全新世的無黏性土沉積層，對液化是很敏感的，因為這些土層一般密實度不大，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，在我國的《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中，不同地震烈度時飽和砂土的相對密實度Dr小于表1的數(shù)值時[3]，有發(fā)生液化的可能。

表1 飽和砂土可能發(fā)生液化的相對密實度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)生地震振動時，礫砂等粗粒土因為透水性大，孔隙水壓力能迅速消散，液化不容易產(chǎn)生，而黏性土，由于細(xì)顆粒有黏著力，在振動時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)由實驗驗證，如圖2，圖中繪出顆粒均勻和級配良好的土易發(fā)生液化的級配曲線[2]。

圖2 易發(fā)生液化砂土的級配曲線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。同時這些范圍邊界的級配曲線形狀都是相似的，所以不能僅以級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。這是因為地震烈度越大，反映的是振動加速度越大，振動幅值也越大，超孔隙水壓力就能在更短的時間內(nèi)達到一個極限值?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》反映了設(shè)計基本地震加速度對液化的影響[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

無黏性土抗剪強度取決于有效應(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。要增加固結(jié)應(yīng)力，可以有兩個途徑：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)計規(guī)范》中也有所體現(xiàn)。要長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]對福州某小區(qū)場地回填和挖方對砂土液化做了定量分析，認(rèn)為回填和挖方對砂土的液化指數(shù)有很大的影響，并建議在砂土液化判別時應(yīng)取地面整平時的標(biāo)高作為判別依據(jù)?；谕瑯拥臋C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)力的辦法來減弱或者削減液化土發(fā)生液化的可能性。我國官廳水庫壩基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斷可液化土層的加固處理措施；在交通建設(shè)中路基采用反壓護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起來。它無疑會影響今后的變形。經(jīng)過一個加荷卸荷循環(huán)后，再加荷時變形就減小了。

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

從圖3中可以看出，A、B兩點有著相同的應(yīng)力σ1-σ3，然而A點處于初始加荷曲線上，B點處于再加荷曲線上，兩點對應(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，則對應(yīng)A狀態(tài)的土體應(yīng)變增量大，而對應(yīng)的B狀態(tài)應(yīng)變增量小[2]。因A、B兩點有著不同的應(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)土抗液化能力強就是這個道理。

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，可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況來處理這些液化土層：

（1）若液化土層埋深較淺并且厚度較薄時，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、振動加密、強夯等）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，液化土層的水可以通過碎石樁及時排出，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)生液化的機理，同時就影響液化的幾個因素展開討論，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，進而在地基基礎(chǔ)設(shè)計過程中避開可能的液化土層或者對液化土層進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

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

[2]錢家歡，殷宗澤. 土工原理與計算[M]. 北京： 中國水利水電出版社，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：TU 475

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）02-0059-000

收稿日期：2015-11-03

作者簡介：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