饱和砂土液化与稳态强度

《高等土力学》论文题目：饱和砂土液化

姓名：赵卫

专业：防灾减灾工程及防护工程

学号：2009020318

时间：2010年1月

饱和砂土液化

在历次大地震中，都有砂土液化现象发生，并造成了严重的破坏和经济损失。由此引起了岩土工程界的重视，并进行了广泛的研究，取得了丰硕的成果。本文就砂土液化的一些基本概念进行讨论，阐述一些长期以来流行于我国岩士工程界的有关液化的概念，综述了稳态强度和它在砂土液化分析中的应用以及存在的一些问题。

关于砂土液化的定义

日本土力学与基础工程学会在它所编写的《土力学与基础工程词典》(1985年)中给出了液化的定义：“饱和砂土由于孔隙压力的升高而引起剪切强度丧失和有效应力降低，这种状态称为液化”。这种定义是一种关于饱和砂土液化的广义定义。按这种广义液化的定义，液化后可以产生两种结果，一种是产生流动滑移破坏，另一种是由于软化而产生一定量的变形。这种定义是美国与日本近些年普遍接受的定义。但这种饱和砂土液化的定义与我国工程界普遍流行的看法并不完全一致。在我国通常认为：物质从固体状态转化为液体状态的行为和过程，称为液化。

关于砂土液化的定义在80年代以前较为混乱，例如有“初始液化、循环液化、实际液化”等定义。为便于讨论，首先给出上述三种液化的定义：

根据动三轴试验的结果，Seed给出了初始液化(Initial

liquefaction)(有时seed等也简称为液化)的定义：在简谐循环荷载作用下，饱和砂土孔隙中的残余孔隙压力初次等于所施加的围压时的状态，即峰值循环孔压与围压的比值初次达到100％的条件或状态。初始液化时，土样的轴向应变(双峰值差的轴向应变)大致为5％。因此有时也把土样动轴向应变值初次达到5％的状态称为初始液化。Seed学派把初始液化作为判别液化势的一个准则而得到广泛应用。对于这一定义，我国岩土界是比较熟悉的。

实际液化：在冲击或应变的作用下，松散饱和砂上的强度极大地降低，在极端情况下将导致流动滑移破坏。

循环液化：在动三轴循环荷载作用下，具有膨胀性趋势的较密实的砂样中孔隙水压力在每一循环中将瞬时达到围压的响应或状态，它是动力和静力荷载同时作用的结果。循环活动性也是类似定义的。应该指出，循环液化或循环活动性一般是在较密实的(具有膨胀趋势的)饱和砂土中不排水循环荷载作用下才能发生，但不会产生实际液化也不会引起流动滑移破坏。因为进一步的应变会产生膨胀和负孔隙压力。一旦循环荷载停止，饱和砂土还是稳定的。只不过会产生一定量的残余变形。除非密砂在振动过程中，先由密振松然后才可能产生实际液化。

砂土液化引起的流动滑移通常是先由动力循环作用引起强度降低，然后主要在静力作用下引发流动滑移破坏。因而绝大多数液化流动滑移破坏是在地震以后的一段时间才发生。

在1996年以前的文献中，液化(Liquefaction)一词原指饱和松砂

在应变与冲击荷载作用下所导致的土体流动滑移破坏。自从Seed使用液化一词描述砂土试样在动力三轴试验中的反应以后，液化一词已隐含了两种含意，即初始液化与现场液化。这两类结果的影响范围和严重性也是不同的。在一次地震后的地质现场中，实际液化发生的范围与液化变形发生的范围相比要小得多，但其破坏程度却严重得多。而液化变形可以在种类非常广泛的土层范围和场地条件下发生；并且它的结果可以从几乎没有什么影响到严重的沉陷破坏的范围内变化。

饱和砂土液化的分析与判别

岩土工程师对砂土液化进行判别和评价时，需要回答下述问题：

(1)考虑的砂土能够液化吗?

(2)如果能够液化，它能够被触发吗?

(3)如果被触发，它能够造成危害吗?

(4)如果造成危害，它能达到何种程度。

在这些问题中，对第一个和第二个问题的研究比较深人，积累了一定经验，其预测结果的可靠性相对第三个和第四个问题的预测结果来说，比较高。近十几年，研究者的注意力已逐渐转移到第三个和第四个问题上，但所取得的研究成果仅是初步性的，距完满解决还有很远的距离。例如虽然已有一些方法能够对饱和砂土振动液化的震陷或变形问题加以分析和预测，但预测结果和实际情况相差很大或方法不具备重现性。目前，对饱和砂土液化进行确定性分析与评价的方法主要有三类，(1)经验或统计方法；(2)简化分析方法；(3)数值分析方法。第一类方法是以地震现场的液化调查资料为基础，给出了判别实际液化

与不液化的条件与界限，并且还可以判别液化程度。这些方法直观、简单，一些影响饱和砂土液化的重要因素可以自动予以考虑，因此较容易被工程师接受，在许多抗震设计规范中都加以利用。但也存在下述缺点：

地震场地的液化调查资料多是由自由场地取得的，因而原则上这类方法也仅适用于自由场地的液化判别，当建筑物修建以后，由于土与结构物的相互影响，土中静应力与动应力条件发生显著变化。因外界条件发生变化，经验与统计方法不一定适用于这种情况。另外，规范里用液化指数来描述液化程度，因为它不是以具体物理指标定量表达的，难以在工程中应用。最后，这类方法不是从物理本质和机理上对饱和砂土液化问题进行分析与探讨，难以加深对砂土液化现象的认识与理解。

第二类方法是以试验和土体反应计算分析为基础的，判别饱和砂土能否液化的方法。它之所以称为简化方法是因为它不能分析饱和砂土液化的整个发展过程和应力一应变的变化过程，只能给出最后的判别结果。简化分析方法中影响较大的主要有两种方法，一种是Seed(1971年)LIO]简化方法，另一种是Poulos (1985年)等提出的基于稳态线的液化估计方法。

第三类方法一般需要采用某种本构关系，并使用某一确定的数值分析方法，例如有限元法、有限差分法等。该方法可以考虑土与结构的动力相互作用，并能给出应力、应变、孔压、渗流以及变形发展的全过程。但该方法对本构模型参数的质量要求较高。另外．因饱和砂

土液化过程中变形的物理机制非常复杂，尤其是在液化后的大变形阶段，目前仅采用某种简单的本构模型难以全面反映这种复杂的变形过程，所得结果也难以准确反映实际情况。但这种方法在本构模型参数的质量得到保证的情况下，其精度和准确性一般优于简化方法，因而在一些重要结构的设计中可采用这种方法。

液化分析中存在着选用什么标准作为液化判别准则的问题。液化判别标准的选择是与饱和砂土液化的定义相联系的。Seed提出以初始液化作为液化判别标准，并以此为基础通过动三轴试验确定出动循环强度。但Casagrande、Castro、Poulos认为初始液化并不意味着实际液化，它也可以产生循环液化而不产生实际液化，因而初始液化后的结果到底怎样并不清楚；他们认为可以采用稳态强度作为判别能否发生实际液化的标准。另外，稳态线还可作为判别饱和砂土是否可能产生实际液化或循环液化的标准。关于液化的定义以及液化准则的选择问题有两篇文章值得一读，一篇是Casa．grandel975年的文章，另一篇是Seedl985年的文章。Seed已经接受了Casagrande学派利用稳态强度判别实际液化的观点，后来Seed 父子与Castro共同发表文章(1992)，利用稳态强度分析地震后Lower San Femado坝滑移，进一步证实。

seed已接受稳态强度的概念。Seed指出，有很多证据表明在饱和土中的孔隙压力与围压的比值小于60％时，是不能引发液化的。如果这一比值没有达到较高的数值即接近100％时，砂土就很难液化，因此可以得到以下两点结论：(I)这时就不会存在滑移问题，因为砂土