饱和剪胀性砂土液化后流滑现象与机理(1)

水剪切条件时饱和砂土会出现具有流动特征的大变形；当满足强制吸水剪切条件时会发生具有非稳定特征的流滑现象。
关键词：剪胀性砂土，液化后流滑，排水条件，剪切吸水现象
中图分类号ｌ ＴＵ ４４３
文献标识码；Ａ
Ｐｏｓｔ—ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｆｌｏｗ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｄｉｌａｔｉｖｅ ｓａｎｄｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
展，Ｓｈｏｗａ桥在震后约１ ｍｉｎ发生了桥面垮塌；１９７５ 年我国海城地震主震过后约数十分钟，石门岭土坝 上游坡体发生了滑坡【４】。这些震害实例都有一个共 同特点，即饱和土体的流滑破坏均发生在地震结束 后的某一时段。震动引起的超孔隙水压力的消散和 扩散成为需要考虑的因素，同时孔隙水转移导致一 定范围内的饱和土体产生吸水膨胀可能是发生延迟 破坏的原因。２００８年发生在我国的汶川特大地震的 主震震动时间较长，在震动过程中饱和士体的超孔 隙水压力的消散和转移也成为不能忽视的因素。然 而，已有研究在评估地震液化的可能性和动力响应
收稿口期：２００９—０３．２０ 基金项目：９７３项日课题（Ｎｏ．２００７ｃＢ７１４１０８）：国家自然科学基金（Ｎｏ．５０６７９０３４）。 第。作者简介：张建民，男，１９６０年生，教授，博导，主要从事岩上工程的教学科研工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎ西ｍ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅＡｕ．ｃａ
万方数据
２７１２
岩土力 学
至剪切吸水条件。通过对饱和砂土液化后常剪切吸水率试验结果的分析指出，剪切吸水条件可能导致剪胀性砂土的抗剪能力
显著降低、甚至发牛流滑现象。基于可逆性与不可逆性剪切体应变的概念以及３种体应变分量变化的特性规律，推导出剪切
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吸水条件下的体变约束条件。不同排水条件下的体变约束条件决定了剪胀性砂土应力．应变响应的不同变化，当满足自由吸
１引 言
已有的震害调查分析表明，地基或者土工构筑 物发生的流滑破坏有时并不是发生在地震过程中， 而是发生在地震结束后的某一时段。例如，Ｓｅｅｄ掣ｌＪ 指出，１９７１年美国圣菲尔南多（Ｓａｎ Ｆｅｍａｎｄｏ）地 震中，下圣菲尔南多土坝的上游坝坡的流滑破坏大 约发生在震动停Ｉ卜后约３０ Ｓ；Ｉｓｈｉｈａｒａ等ｔ２ｌ报道了日 本的一座尾矿坝在震后将近２４ ｈ才发生了坝坡流滑 破坏的实例；Ｈａｍａｄａｌ３１指出，在１９６４年日本新泻 地震中，由于地基土体的侧向流动在震动后持续发
排水条件对土体单元的应力．应变响应有直接 影响，不同排水条件下的材料试验为评价实际边值 问题中土体的应力．应变响应提供了基础。
对应于实际边值问题中土体的排水条件，材料 试验可以通过控制应变或孔压条件来实现不同的排 水条件，比如完全不排水条件（体变增量为０，即 ｄ毛＝０），完全排水条件（孔隙水压力增量为０， 即ｄｕ＝０），部分排水条件（体变和孔隙水压力增量 均不为０，即ｄ￡≠０，ｄｕ≠０）等。室内材料试验 结果１８Ｊ表明，剪胀性饱和砂土液化后的剪切过程中 总表现为剪切吸水，根据排水条件的不同，通常可 以分为不排水剪切、部分吸水剪切、自由吸水剪切和 强制吸水剪切４种情况。如图ｌ（ｃ）给出了剪胀性 饱和砂土液化后加载试验中可以实现的不同排水条 件。
摘要ｔ基于完全不排水试验的已有研究结果表明，只有在饱和松砂中才可能发生流滑现象，较密实的饱和剪胀性砂土在初
始液化后的不排水循环或单调剪切作用条件下，则会旱现出所谓往返活动性或抗剪强度恢复现象。然而，实际土丁抗震边值
问题中的饱和砂土在许多情况下并不能够被视为处于完全不排水条件，可能由于土性和变形等因素的不同而处于剪切排水甚
（ａ）成层地基中的孔隙水转移
一震
ｆ
㈣饱和砂性土坡中的孔隙水转移
自由吸水剪切
１Ｕ
超静扎地比△“／∥０
辇瑷滋≤ ａ－ｍａｘ ：：：一部分吸水剪切前抑ｄ赤ａＩ扣 ｝强制吸水剪切｛ 骜ｊ臻碜黟形 ｌ、．，，，，，÷，、 ，≤基≤囊囊霉蘩一ｌ 占 Ｌ硼麟诋暑
剪切吸水开始时物态 ‘
（ｃ）剪切吸水试验中的排水条件
图２为常剪切吸水率试验控制路径。试验分为 ２个阶段，第ｌ阶段进行不排水循环剪切试验直至 初始液化状态出现；第２阶段在第１阶段结束后立 即进行，对试样进行不同相对剪切吸水率的单调剪 切。第２阶段试验分为两类试验，Ａ类试验：控制 某一个口值并在整个阶段２中保持常数，施加单调 扭剪作用，直至产生大的剪切变形；Ｂ类试验：首 先在不排水条件下（口＿ｏ）施加单调扭剪作用使试
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｆｒｏｍ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｕｎｄｒａｉｎｅｄ ｔｅｓｔｓ ｔｈａｔ ｆｌｏｗ ｆａｉｌｕｒｅ ｉＳ ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ ｏｎｌｙ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｃｏｎｔｒａｃｔｉｖｅ ｓａｌｌｄｓ。 ｗｈｉｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｏｒ ｃｙｃｌｉｃ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｈａｐｐｅｎｅｄ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｄｉｌａｔｉｖｅ ｓａｎｄｓ ｄｕｒｉｎｇ锄ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｔ－ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｍｏｎｏｔｏｎｉｃ ｏｒ ｃｙｃｌｉｃ ｓｈｅａｒｉｎｇ．Ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎ ｓｈｅａｒｉｎｇ，ｓｕｃｈ ａｓ ｐａｒｔｉａｌ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ ｅｖｅｎ ｗａｔｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓａｎｄｓ ｕｎｄｅｒ ｐｒｅ—ａｎｄ ｐｏｓｔ－ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｌｏａｄｉｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｆｌｏｗ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃａｌｌ ｂｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｉｌａｔｉｖｅ ｓａｎｄｓ ｄｕｒｉｎｇ ａ ｐｏｓｔ－ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｓｈｅａｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｏｎｌｙ ｗｈｅｎ ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｔａｋｅｓ ｐｌａｃｅ．１１１ｅ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｆｌｏｗ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｏ ｄｅｐｅｎｄ ｍａｉｎｌｙ ｏｎ ａ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓａｎｄｓ．Ｓｕｃｈ ａ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｏ ｇｏｖｅｒｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｔ－ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ．ｓｔｒａｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆｄｉＩａｔｉｖｅ ｓａｎｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｌａｔｉｖｅ ｓａｎｄｓ；ｐｏｓｔ－ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｆｌｏｗ ｆａｉｌｕｒｅ；ｄｒａｉｎａｇｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ ｓｈｅａｒｉｎｇ
２０１０定
分析时多是基于不排水条件的试验结果１５＿７Ｊ。基于不 排水条件的假定，通常认为只有饱和松砂才会出现 液化后的流滑现象，剪胀性砂土在初始液化后（下 文简称为液化后）单调或循环剪切作用时则会呈现 强度恢复现象或循环活动性（ｃｙｃｌｉｃ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）。笔者 等的研究表明【８Ｊ，剪切作用过程中如果有足够的孔 隙水吸入而产生所谓的剪切吸水现象，剪胀性砂土 同样会因为吸水而出现失稳大变形的流滑现象。现 有的研究和评价方法没有考虑实际边值问题中土体 剪切吸水效应的影响，可能高估了剪胀性砂土的强 度而低估了其变形，使评价结果偏于危险。本文揭 示了初始液化后单调或循环剪切作用条件下剪胀性 砂土出现不同应力．应变响应和产生流滑现象时应 该满足的体应变约束条件及其物理本质。
图ｌ（ｂ）示出了饱和剪胀性砂土边坡内震动时 孔隙水转移的可能情况。震动可能使土坡产生不均 匀的变形甚至出现应变局部化的剪切带。由于剪切 变形引起剪胀趋势和超孔隙水压力的减小，位于应 变局部化区域的土体单元Ｄ与临近土体单元Ｃ会出 现一定的孔隙水压力梯度，土体单元Ｃ中的孔隙水 会向土体单元Ｄ转移。对于应变局部化区域的土体 单元Ｄ来说，则处于剪切吸水状态。
Ｆｉｇ．１
圈１实际土体中的捧水条件
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｒａｉｎａｇｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｓｏｉｌｓ
３液化后常剪切吸水率试验
处于剪切吸水状态的饱和砂土因吸水使土的抗 剪强度降低和变形增加，因此评价不同排水条件下
万方数据
第９期
张建民等：饱和剪胀性砂土液化后流滑现象与机理
２７１３
土体的变形关键是研究剪切吸水效应对应力．应交
第３１卷第９期 ２０１０年９月
文章稿号Ｉ １０００－－７５９８（２０１０）０９—２７１１－－０５
岩
土
力
学
Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｌｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
、，０１．３１ ＮＯ．９ Ｓｅｐ． ２０ｌＯ
饱和剪胀性砂土液化后流滑现象与机理
张建民１一，王富强１，３
（ｉ．清华大学岩土工程研究所，北京１０００８４：２．清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京１０００８４； ３．中国水电工程顾问集团公司，北京１０００１１）
ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｍｉｎｌ，一．ＷＡＮＧ Ｆｕ．ｑｉａｎ９１，３
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｅａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｉｌａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｍｔｏｒｙ ｏｆＨｙｄｒｏｓｅｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｉａｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂ蜘ｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｈｉｎａ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ａｅｉｊｉｎｇ １０００１ １，Ｃｈｉｎａ）
２实际边值问题中土体的排水条件
在实际边值问题中土体的排水条件不仅与其整 体边界的排水条件相关，还与其内部的土层分布、 渗透特性、变形条件等情况有关，处于不同部位的 土体单元可能会出现不同的排渗条件。
图ｌ（ａ）１７】示出了震动过程中整体不排水条件下 砂层中孔隙水可能发生转移的情形，由于上覆和下 置粉土层的渗透性相对于砂层明显要小，可以认为 砂层整体处于不排水条件。震动过程中砂层内会产 生超孔隙水压力，且砂层下部产生的超孔隙水压力 相对上部较高，存在一定的超孔压梯度，从而导致 孔隙水自下而上的流动。对图中砂层内的土单元Ａ 来说，其因超孔隙水压力的消散而表现为孔隙水的 排出。对于砂层内的土单元Ｂ，其因自下而上的渗 流而呈现为孔隙水的流入。实际边值问题中的土体 的成层性和不均匀性是普遍存在的，震动过程中整 体处于不排水条件的饱和地基或土工构筑物中不同 位置的土体单元可能出现孔隙水的流入或排出的截 然不同的变化。
量之比来度量。为了便于描述，引入新参数口并定
义如下【８】＝
．
，．
＼
竖：口ｆ堕ｌ
（１）
ｄｙ Ｌ ｄｙ／『血血
式中：（ｄ氐／ｄｒ）ｄｒａｉｎ、ｄ氐／ｄｙ分别为液化后完全排 水剪切试验和控制不同排水条件的剪切吸水试验的 体应变增量、剪应变增量之比。试验表明，液化后
的（ｄｅｖ／ｄｙ）“。总是小于０（意味着试样总是表现为 吸水剪胀），且对于给定密度的试样其数值基本为 一常数。口表明了剪切吸水率的相对大小，称为相 对剪切吸水率，口＝０对应着完全不排水剪切条件： 口－－１对应着自由吸水剪切条件；０＜５＜１为部分吸 水剪切条件；口＞１对应着强制吸水剪切条件。试验 中只需控制相对剪切吸水率口为常数，即可以实现 常剪切吸水率试验。显然，常剪切吸水率试验本质 上就是液化后的等应变增量比试验，具体试验设备 及试验方法详见文献ｆ８】。
响应的定量影响。为此，本文的第一笔者及合作者
进行了一系列的饱和砂土液化后常剪切吸水率的试
验研究【８】，试验中首先进行循环剪切试验使饱和砂
土试样达到初始液化状态，然后进行液化后的常剪
切吸水率试验，文中将剪切过程试验中饱和砂土的
含水率随着剪应变变化的速率称为剪切吸水率，其
大小可以用剪切吸水过程中体应变增量和剪应变增