地基土在地震作用下的液化机理浅析

王翔

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）



地基土在地震作用下的液化机理浅析

王翔

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

摘 要根据砂土强度的三种分量说理论来探讨地基土在地震荷载作用下的液化机理，并对影响液化的若干因素进行分析，进而阐明了目前多种处理地基土液化方法的理论依据。

关键词液化；有效应力；孔隙水压；密度；粒径；地震烈度；固结应力；应力历史

世界上地震频发，给人类造成了巨大的生命和财产损失，因而地震及其破坏问题的研究一直是各国科学家研究的热点。地震对建构筑物的破坏主要表现在两个方面：一是上部结构的破坏；二是地基土强度遭受破坏，承载能力急剧减小，进而使得整个建构筑物遭受破坏，如地基土在地震作用下产生的液化。本文探讨的内容就是地基土在地震荷载作用下的液化机理。

1 液化的概念

目前国内外岩土界对于“液化”的定义基本是一致的。如1978年美国土木工程师协会岩土工程分会土动力学委员会对“液化”一词的定义就是“任何物质转变为液态的行为或过程”；汪闻韶先生给无黏性土液化的定义是“物质从固体状态转化为液体状态的物理和力学性质的演化过程”。液化主要在饱和无黏性土或稍具黏性的土中发生。在不排水条件下，在重复或单方向的荷载作用下，其超孔隙水压力增加，有效应力减小，抗剪强度降低直至消失，由固体状态转变为液体状态。由于刚度消失，液化后的物体中不能存在偏应力张量[1]。“液化”的概念可用太沙基有效应力原理（1）和莫尔—库伦强度理论（2）来说明：

饱和无黏性地基土（c = 0）在地震振动作用下，土体中颗粒重新排列和重新定向而趋于密实，土体变密实势必排除孔隙水，而在急剧的周期性动荷载作用下，如果土体的透水性不良而排水不畅的话，则前一周期的排水还未完成，后一周期又要排水，应排走的水来不及排出，而水又是不可压缩的，于是就产生了超孔隙水压力。当孔隙水压力u接近土的总应力σ时，有效应力σ'接近零，土的抗剪强度也就消失了，这时液化就发生了。

从上述液化的概念可以知道，要使地基土产生液化，必须要满足以下几个条件：

（1）地基土必须是饱和的。

（2）地基土必须是无黏性的砂土、粉土或者稍具黏性的有较低黏粒含量的粉土。

（3）地基土满足一定的荷载及边界条件，使得孔隙水压力急剧上升，有效应力降低直至消失。

2 液化的机理及影响因素

1964年罗通过能量平衡方程发现，砂土的抗剪强度由三部分组成：一是粒间纯滑动摩擦提供的剪阻力；二是颗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个分量随试样的干密度ρd的变化而变化，如图1所示。

由图1可见，对于松砂，强度主要来源于摩擦阻力和颗粒重新排列、定向效应。对于紧砂，强度主要来源于摩擦阻力和剪胀效应，这是由于峰值强度可在颗粒发生显著位移之前到达，因此重排效应不大。另外，罗又把剪胀分量细分为两部分：①试样剪胀时摩擦所吸收的能量φr- φf；②体积改变时做功所消耗的能量φd- φr。无论松砂还是紧砂，滑动摩擦阻力可以视为常数[2]。显然，砂土的密度越大，剪胀分量占整个强度的比重也越大。基于三分量强度理论，对于饱和紧砂在地震荷载作用下土体吸收的能量中有相当大一部分消耗于强度分量中的剪胀分量，减少了土中水所吸收的能量，这样产生的超孔隙水压力就小，土的有效应力就不太可能降低至零，液化可能性就大大降低了；但是对于松砂，在地震荷载作用下，土中颗粒重新排列、定向，这部分强度所消耗的能量较少，土中水所吸收的能量就大大增加，这样产生的超孔隙水压力就很大，土的有效应力很快消失，这样就产生了液化。

图1 强度分量随ρd的变化Fig.1 The change of strength components along with dry density ρd

影响地基土液化的因素主要有相对密实度，粒径以及黏粒含量，地震烈度，固结应力以及应力历史等，下面就这些影响因素逐一介绍。

2.1 土的相对密实度的影响

地基土在地震荷载作用下趋于密实，才有可能发生液化，这就说明土体在地震荷载作用下液化时发生了剪缩现象。在低压情况下，松散的土在剪切荷载作用下会发生剪缩，而密实的土在剪切荷载作用下发生剪胀，因此液化一般发生在较为松散的土中。在《建筑抗震设计规范》中，根据土层的地质年代来判别液化的可能性，如果是全新世的无黏性土沉积层，对液化是很敏感的，因为这些土层一般密实度不大，而更新世沉积层发生液化的情况就很罕见，前更新世沉积层发生液化更是罕见，这些土层在很长的沉积过程中固结已经完成，有些甚至是超固结，这些土的密度一般都比较大。同样，在我国的《水利水电工程地质勘察规范》中，不同地震烈度时饱和砂土的相对密实度Dr小于表1的数值时[3]，有发生液化的可能。

表1 饱和砂土可能发生液化的相对密实度Tab. 1 The relative density of saturated sand soil happened liquefaction easily

2.2 土的粒径以及黏粒含量的影响

地基土在发生地震振动时，砾砂等粗粒土因为透水性大，孔隙水压力能迅速消散，液化不容易产生，而黏性土，由于细颗粒有黏着力，在振动时克服黏着力要消耗一定的能量，因此液化也不容易产生。只有中等粒组的砂土和粉土最容易液化。这已经由实验验证，如图2，图中绘出颗粒均匀和级配良好的土易发生液化的级配曲线[2]。

图2 易发生液化砂土的级配曲线Fig.2 The grading curve of sand soil happened liquefaction easily

由图2可见，土层颗粒平均粒径一般在0.005～5 mm有液化可能，在0.05～1 mm范围内极易液化。同时这些范围边界的级配曲线形状都是相似的，所以不能仅以级配特征确定是否易于液化。

2.3 地震烈度的影响

地震是引发地基土发生液化的诱因，地震烈度越大，发生液化的可能性也越大。这是因为地震烈度越大，反映的是振动加速度越大，振动幅值也越大，超孔隙水压力就能在更短的时间内达到一个极限值。《建筑抗震设计规范》反映了设计基本地震加速度对液化的影响[4]，如表2所示。

表2 液化判别标准贯入锤击数基准值Tab. 2 The reference value of standard penetration test for liquefaction evaluation

在表2中地震加速度g越大，液化判别标准贯入锤击数基准值No也越大，计算的液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr也越大，液化的可能性也越大。

2.4 固结应力的影响

无黏性土抗剪强度取决于有效应力的大小，若提高固结应力，随着固结度的不断提高，土的有效应力也不断增加，土要达到液化所需的超孔隙水压力的界限值也越大，因而抵抗液化的能力也越强。要增加固结应力，可以有两个途径：一是增加上覆盖非液化土层的厚度；二是增加地下水位的埋深。这在《建筑抗震设计规范》中也有所体现。要长期地改变地下水位的埋深是不可控的，一般能做的就是增加上覆盖非液化土层的厚度。福建省建筑科学研究院的杨建学[5]对福州某小区场地回填和挖方对砂土液化做了定量分析，认为回填和挖方对砂土的液化指数有很大的影响，并建议在砂土液化判别时应取地面整平时的标高作为判别依据。基于同样的机理，在交通和水利建设中也有采用增加液化土层固结应力的办法来减弱或者削减液化土发生液化的可能性。我国官厅水库坝基9.2 m范围内厚0.45～5.64 m的细砂和中砂层（细砂的d50= 0.192 mm，Cu = 2.56，Dr= 0.65，中砂的d50= 0.315 mm，Cu = 2.58，Dr= 0.53）属于可液化土层，曾采用了在坝下游加盖重和盖重末端截断可液化土层的加固处理措施；在交通建设中路基采用反压护道的办法增加液化土层的初始围压[6]。

2.5 应力历史的影响

由于土体在受力过程中必然发生塑性变形，而塑性变形不可恢复，历史上发生的变形将保存和累计起来。它无疑会影响今后的变形。经过一个加荷卸荷循环后，再加荷时变形就减小了。

图3 应力历史对变形的影响Fig.3 The influence of stress history to deformation

从图3中可以看出，A、B两点有着相同的应力σ1-σ3，然而A点处于初始加荷曲线上，B点处于再加荷曲线上，两点对应不同的εa，它们所处应力－应变关系曲线的斜率也不同。如果施加同样的荷载增量，则对应A状态的土体应变增量大，而对应的B状态应变增量小[2]。因A、B两点有着不同的应力历史，加荷后就有不同的变形。这就解释了为什么超固结土比正常固结土变形小的原因了。而土体变形能力也就反映了抗液化能力的大小，变形能力小的地基土抗液化能力就大，对液化就不敏感。超固结土比固结土或欠固结土抗液化能力强就是这个道理。

3 消除地基土液化的措施

若依据相关规范判别地基土中某土层为液化土层时，可以根据现场实际情况来处理这些液化土层：

（1）若液化土层埋深较浅并且厚度较薄时，可以采用换土或采用深基础，基础底面应埋入液化深度以下的稳定土层。

（2）可以采用桩基，桩端伸入液化深度以下的稳定土层。

（3）采用加密法（如振冲、振动加密、强夯等）加固，处理深度到液化深度的下界。经过加密法加固的土层，密度有很大提高，同时由于复杂的应力历史及塑性变形的累积，土的变形能力大大降低，土的抗液化能力大幅提高；若采用振冲或挤密碎石桩加固，除了可以加密土层以外，还可以改善土层的排水条件，在地震发生时，液化土层的水可以通过碎石桩及时排出，超孔隙水压力就不容易累积形成，这样土层的抗液化能力就大为提高。

（4）增加上覆非液化土层的厚度，就是通过提高土层的固结应力的办法，降低土层发生液化的可能性。

4 结论

本文从能量的角度以砂土强度三分量理论为依据说明了地基土在地震荷载作用下发生液化的机理，同时就影响液化的几个因素展开讨论，并据此释明了目前几种处理液化方法的理论依据。这种方法可以帮助我们较好地从本质上理解“液化”这种不利的地质现象，进而在地基基础设计过程中避开可能的液化土层或者对液化土层进行处理从而消除和减轻液化影响，保证结构的安全。

参考文献

[1]汪闻韶. 土的液化机理[J].水利学报 ，1981（5）：22-33.

[2]钱家欢，殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京： 中国水利水电出版社，1996.

[3]GB 50287—99 水利水电工程地质勘察规范[S].

[4]GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].

[5]杨建学. 饱和砂土液化判别的工程应用分析[J]. 岩土工程界，11（2）：27-29.

[6]郭桃明，李德武，董博. 砂土液化现象研究现状及存在的问题[J]. 四川建筑，27（5）：78-80.

中图分类号：TU 475

文献标识码：A

文章编号：2095-817X（2016）02-0059-000

收稿日期：2015-11-03

作者简介：王翔（1981—），男，工程师，主要从事石化和医药工程结构设计工作。

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