沙土液化分析

浅析砂土液化
1.砂土液化的概念
砂土受到振动时，砂土空隙中的水会被排出。

如果砂土体的透水性不好，孔隙水不能及时排出，必然引起孔隙水压力上升，则砂土的有效应力会随之降低，直至为零，于是砂土就会悬浮于水中，此时砂土的抗剪强度τf与抗剪刚度G几乎都等于零,土体处于流动状态,这就是砂土液化现象。

2.砂土液化机理
2.1砂土液化形成机制
砂土液化形成机制包括两个过程：振动液化和渗透液化
2.1.1振动液化
砂土是一种散体物质,它主要依靠颗粒之间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定,而这种摩擦力主要取决于颗粒之间的法向应力:τ=σtanφ。

在振动作用下,饱和砂土发生液化,土颗粒间有效应力减小而孔隙水压力增大,则
τ=(σ−u0)tanφ=σ/tanφ/
式中σ/表示有效应力;φ/表示有效内摩擦角。

水是一种液体,它的突出力学特性是体积难于压缩,能承受极大的法向应力,但不能承受剪应力。

饱和砂土由于孔隙水压力u0作用,其抗剪强度将小于干砂的抗剪强度。

如果砂土透水性不良而排水不通畅的话,则前一周期的排水尚未完成,下一周期的孔隙度减小又产生了,因排除的水来不及排走,而水又是不可压缩的,于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。

Δu为因振动而产生的剩余孔隙水压力,u 为总孔隙水压力,此时砂土的抗剪强度为:
τ=(σ−u0−∆u)tanφ
显然,此时砂土的抗剪强度将更低了。

随着振动持续时间的增长,剩余孔隙水压力不断地叠加而累积增大,使砂土的抗剪强度不断降低,甚至完全丧失。

2.1.2渗透液化
砂土经振动液化之后,某点的孔隙水压力包括振动前的静水压力P w0,和因砂粒不相接触悬浮于水中以至全部骨架压力转化而成的剩余孔隙水压P wc。

所以该点总的孔隙水压力P w=P w0+P wc
为简化起见,假定砂层无限延伸,地下水面位于地表面,则在一定深度z处的静水压力和剩余孔隙水压力分别为: P w0=γw Z P wc=(γ−γw)Z
任意深度两点Z1和Z2之间的水头差h可由下式求出:
γw h=(γ−γw)Z2−(γ−γw)Z1→h=(γ−γw)（Z2−Z1）/γw
=(γ−γw)/γw
两点间的水力梯度:J=h
Z2−Z1
此时的水力梯度恰好等于渗流液化的临界梯度。

处于这个水力梯度,砂粒就在自上而下的渗流中失去重。

剩余水压由两个部分组成,即液化层的骨架压力和盖层的压力。

假设液化砂层厚度为M1,盖层厚度为M2,γg为盖层土的重度,则剩余孔隙水压力的大小可以按下式求出P wc=(γ−γw)M1+γg M2
在这种情况下,只有剩余孔隙水压力超过盖层厚度,或盖层有裂缝,才沿裂缝产生喷水冒砂,渗流液化局限于喷水冒砂口附近。

盖层越厚,隔水性越强,液化形成的暂时性承压水层的水头越高。

一旦突破盖层,喷水的水头就越高,冒砂越强烈。

2.2从应变角度分析砂土液化
剪切过程中饱和砂土总的体积应变由 3 个分量组成
εv=εvc+εvd=εvc+εvd1+εvd2（1）εvc为有效球应力引起的体积应变，称为压缩体变。

εvd为剪胀作用引起的体积应变，称为剪胀体变。

εvd可分解为可你的剪胀体变εvd1和不可逆的剪胀体变εvd2，εvd1表现为体积膨胀，由剪切应力大小决定；εvd2表现为体积收缩，由剪切作用历史决定。

由体积相容性原则，循环剪切过程中的体积应变为
εvc=εv−（εvd1+εvd2）（2）在循环剪切过程中，如果限制总的体积变化（对完全不排水条件，即εv=0）,εvd1和εvd2随剪切作用而发生着变化，于是εvc必须相应发生改变，而εvc的变化只能由有效应力的变化引起，于是就产生了超静孔隙水压力。

εvd2在剪切过程中呈体积收缩的单调增大，εvd1呈体积膨胀的可逆性变化，所以超静孔隙水压力在呈现出平均单调增加的同时又随剪应变的变化呈波动变化。

εvc存在一个界限值，即有效球应力从初始有效固结应力刚好减小到 0 时的膨胀
体积应变，记作εvc0。

在液化后的循环剪切过程中饱和砂土可能处于两种应力状态：零有效应力状态和非零有效应力状态。

两种应力状态可由压缩体变值来界定。

在非零有效应力状态（εvc>εvc0），压缩体变的变化和有效应力的变化有关。

在零有效应力状态（εvc≤εvc0），土颗粒处于悬浮状态或临界接触状态，压缩体变值不能由有效球应力确定，只能根据体积相容条件，由式（2）确定。

这就是为什么试验发现在液化后同一个有效应力值会对应多个再固结体变值。

3.砂土液化的影响因素
砂土液化主要受三个方面影响:①动载荷条件;②埋藏条件;③土性条件
3.1动载荷条件
动载荷条件是指地震强度和地震持续时间。

3.1.1地震强度
砂土是否液化主要与地震引起的应力大小有关。

应力愈大,砂土就愈易液化,反之愈不易液化。

如在地震烈度在6度及其以下的地区很少发现喷水冒砂。

3.1.2地面震动的持续时间。

地震持续时间长意味着作用在砂土层上的往复循环加荷次数就多,内部孔隙水压力聚集的就高,就越易造成液化,反之则不易造成液化。

在振动作用下孔隙水压力、土体内的液化范围都是随着时间而增长的。

3.2埋藏条件
埋藏条件是指砂土层自身的条件及相邻土层的条件。

(1)上覆土层厚度决定着土的初始限制压力。

埋深愈大,砂土层液化所需聚集的孔隙水压力就越高,即液化的难度越大,反之则越容易液化。

(2)地下水位高低和上层的排水条件直接影响砂层液化的产生和发展。

地下水位愈高,土层就愈容易液化,反之愈难液化。

上覆土层透水性较弱,涌入砂土层的水才不会很快排出而在砂土层内部聚集,随着水的不断涌入,孔隙水压力增高,发生液化，反之，砂土不易液化。

3.3土性条件
土性条件主要是指土的密实程度和颗粒特征。

(1)土的级配与粒径。

级配均匀的材料比级配良好的材料更容易发生液化。

不均匀系数愈小,砂土愈容易发生液化。

如粉细砂、粉土比中、粗砂容易液化。

当不
均匀系数>10时的砂土一般不易发生液化。

(2)相对密度或孔隙比。

通常相对密度越大,砂土越难液化。

初始孔隙比与相对密度对液化的影响趋势是相同的,初始孔隙比越大,相对密度越小,则孔隙水压力传递越快,在不排水条件下,超静孔压力累积越快,砂土越易液化。

4.砂土液化的判别
4.1Seed简化分析法
5．砂土液化对各类构筑物的影响
6.砂土液化当前的研究现状。