饱和粉土液化及Flac3D认识

饱和粉土液化破坏的初步认识

粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数等于

或小于10的岩土。

液化破坏现象是指饱和粉土或砂土在地震、车辆等动荷载作用下，由于作用时间

短暂，引起的动孔隙水压力骤然上升，来不及消散，使得有效应力降至为零，土体呈

现出近乎液体的状态，从而使得其强度丧失。

液化机理：

地震荷载的作用会产生一定的振动，从而会使得作用于土体的应力不断的增加，

当应力累积到一定程度时，大于土体所能承受的抗力时，土粒之间原来的结构状态与

联结强度就会被破坏，从而使得土颗粒之间脱离接触。此时，空隙中的水分就会逐渐

地部分分担原先全部由颗粒承担的压力，从而导致孔隙水压力的骤然增加，超静水压

力的增大，迫使孔隙水力向上排出，同时，土颗粒在其自重力作用下会往下沉，土颗

粒在土体内会同时受到超静孔隙水压力的向上浮力以及自身的重力作用，当这个浮力

不断的增大时，便导致土体局部或全部在动力荷载作用的短时间内处于悬浮状态，即

超静孔隙水压力等于有效覆盖水压力，从而导致土体的抗剪强度局部地或全部地丧失。

大致概括起来，粉土液化前后主要可以分为以下几个阶段：（1）在振动荷载的持续作用下初始阶段，粉土中所受到的压力由土粒传给孔隙水，而后又由孔隙水传给土粒；（2）在振动液化阶段，一方面，饱和粉土的结构在动力荷载作用下发生破坏现象，另一方面，在土体结构发生破坏后，孔隙水会部分地向外排出，超静孔隙水压力会部

分地降低，从而使得发生液化的粉土颗粒在自身重力的作用会发生重新排列，以达到

一个新的稳定状态。

饱和粉土液化判别标准：

（1）应力条件判别法

Seed等以粉土土体发生液化时的应力状态为出发点，假设粉土所受到的法向有效应力为零，此时，粉土的抗剪切强度为零，那么此时的饱和粉土便发生了液化破坏现象。三轴条件下，运用应力条件判别法来判别饱和粉土发生液化与否的标准为：超静

孔隙水压力等于土体的侧向压力，而在侧限情况下，则液化判别标准应为：孔压等于

上覆有效应力。

（2）结构破坏判别法

Castro 等强调工程结构物的液化破坏的表征是土体发生较大的位移、变形。当土

体没有达到初始液化的应力条件时，如若土体结构发生了较大的破坏以及上升的孔压

引起土体强度弱化较快，使得土体具有液化流动的破坏状态，同样可以认为土体发生

了液化破坏现象。

通过分析室内液化试验研究的结果以及地震剪应力分析结果，来判别土体液化的

方法主要有以下五种：

（1）临界孔隙比法

临界孔隙比法是首先由 Casagrande 和 Seed, Idriss提出，在后来相当一段时间

内得到广泛采用的一种液化判别方法，它的工作原理是对实际的孔隙比与临界孔隙比

进行对比分析。该方法的基本出发点是土在受剪切破坏时，高密度的土体将发生松胀，而低密度的土体发生压密，因此，其间必然存在一个使土体在剪切破坏时，相应的土

体体积不发生改变，即既不压密又不松胀的密度，其所对应的孔隙比称为临界孔隙比。

（2）临界加速度法

临界加速度法是系指对比实际可能产生的振动加速度与临界加速度。这里的临界

加速度在实验室内被定义为在饱和粉土内开始引起动力水头（以 2mm 为标准）的振

动加速度，它可以通过振动圆筒仪（在谐振动台上）针对具体的土性，应力条件试验

测出。

（3）振动稳定密度法

振动稳定密度法是指对比粉土的实际密度与振动稳定密度。振动稳定密度是指饱

和土体在某一强度的动荷作用下达到体积区域稳定不变时的密度。由于一定的动力强

度会产生一定的振动稳定密度，且动力加速度愈大，振动稳定密度愈高，所以，常用

振动稳定密度法来判断土体的液化特性。

（4）抗液化剪应力法

抗液化剪应力法是由美国西特等首先提出的，随后又由Kin予以修正的一种方法，它是通过对比实际地震的剪应力与粉土的抗液化剪应力来进行判断的。它的出发点就

是把地震荷载作用看作是由基岩垂直向上传播的水平剪切波，当地震引起的这种基岩

振动输入到被视为具有内部粘滞阻尼的弹性系统时，沿着土体的不同深度上必将引起

一种随时间而涨落变化的地震剪应力，如果将这种不规则变化的地震剪应力随时间变

化概化为一种等效的一定循环次数的均匀剪应力，那么，可以用同样的应力循环数对

土基体试样进行振动三轴试验，测定出引起液化所需的动剪应力，或称抗液化剪应力。

当抗液化剪应力大于实际的地震剪应力，则在该处即无液化的可能，否则，将会

引起液化现象。抗液化剪应力小于地震剪应力的深度即为液化发展范围。这种评定饱

和砂（粉）土液化可能性的方法是目前国内外应用最广泛的方法。

（5）有限元计算法

有限元计算方法判断粉土液化可能性的方法包括总应力法和有效应力法。其中，

总应力法不考虑孔隙水压力的影响，直接计算地震在土中引起的动剪应力；有效应力

法则考虑了孔隙水压力的影响作用，并将地震作用的的孔压增长和消散的发展规律引

入进行计算。关于粉土地基液化有限元分析的研究，张崇文和曹宇春等做出较多的研究，并得到了较好的研究结果。

以现场震害经验和勘测资料为基础的经验判别法

目前，通过以现场震害经验和勘测资料为依据的液化判别分析方法主要有标准贯

入实验、静力触探和剪切波速法，其中以标准贯人实验应用较为普遍。

（1）临界标准贯入击数法

建筑抗震设计规范》（GB50011‐2001）规定：当初步判别认为需要进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下 15m 深度范围内地基土液化；当采用桩基或埋深大于 5m 的深基础时，尚应判别 15m-20m 范围内土的液化。当饱和土

标准贯入锤击数（未经杆长修正）小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化。

（2）静力触探判别法

按《岩土工程勘察规范》规定：当实测计算比贯入阻力或实测计算锥尖阻力小于

液化比贯入阻力临界值或液化锥尖阻力临界值时，应判别该土体为液化土。

（3）剪切波速法

FLAC3D软件分析时边界条件的处理：

在进行动力问题分析的过程中，边界条件的选取不同，对相应的计算结果有着较

大的影响，这是因为在进行动力分析时，动力波在作用于模型的同时，会在模型的边

界界面处发生一定反射作用，以致影响了动力分析的计算结果。

为了解决动力波在边界界面反射的问题，通常是做法是在建立模型时通过延长计

算模型的尺寸，这样，当动力波传递到边界界面处时，其所具有的波能量就会相对的

比较弱，这样对计算结果造成的影响是比较小的，但是，这样以来也会出现新的问题：当模型的尺寸设置较大时，给计算又带来了许多的不便，对计算机电脑的配置要求也

较大，所以，利用这种处理方式解决动力波的反射问题在实现上的困难比较大，可操

作性不太可行，因此，通常会以变换边界条件为出发点进行寻找出路。在 FLAC3D 程

序中，为我们提供了一种能够吸收边界界面处反射的波的静止(粘性)边界和自由场边

界两种边界条件，为了使得动力计算结果更加的准确，在本文的动力流固耦合计算分

析中，选用自由场边界作为模型的计算边界条件，具体的示意图见图 3-1 所示。

在进行高速公路路堤的动力反应分析时，将计算模型的各个侧面处的边界条件设

置为自由场边界条件，针对自由场边界条件在 FLAC3D 中的实现，在计算分析之前，

通过在模型四周生成一维和二维网格模拟模型的自由场边界条件。

自由场边界条件吸收波的工作原理是通过在主体网格的侧面边界处运用阻尼器与自由场网格进行耦合作用，从而将作用在自由场网格上的不平衡力传递到主体网格的