砂土液化概念的再认识❋

许国辉, 陈志远, 任宇鹏, 刘志钦,4

(1. 中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室, 山东 青岛 266100; 2. 中国海洋大学 山东省海洋环境地质工程重点实验室, 山东 青岛 266100; 3. 中国海洋大学 海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100; 4. 自然资源部第一海洋研究所, 山东 青岛 266100)

具有固体性状的砂土,当孔隙中饱含水时,在地震或波浪等循环动荷载作用下会转变为流体性状,此现象称为饱和砂土液化,简称为砂土液化,是一种常见的工程地质灾害,其结果是地基丧失强度,导致上部的建筑物失去支撑而失稳,造成损失。黄文熙在“砂基和砂坡的液化研究”一文中[1],指出沈括《梦溪笔谈》中记述到的“活沙”,实际是河道上发生的砂土液化现象,说明砂土液化现象自古就已被人们关注到。在石原研而所著的《土质动力学基础》中[2],砂质土的液状化一章中,也提及砂土液化现象自古为人所知。这说明砂土液化问题自古就给人类活动造成影响。

谢尔盖也夫在《水文地质工程地质》杂志上“土的液化及触变性”一文的描述中提到较早对砂土液化研究产生重要影响的是太沙基(Terzaghi)[3]。太沙基于1920年,将土的流动性与静水压力建立联系,即用有效应力原理来解释土的液化问题[4]。黄文熙等在文章中[1,5],提及此前砂土液化“问题的实质(机理)还未彻底阐明”,进而在文中给出了描述性的阐述:“饱和松砂的振动压密过程可以分成二个阶段。首先振动使砂粒逐渐脱离相互间的接触,变成悬浮在水中,在这一阶段中,砂土原来所受的压力逐步由砂粒骨架转移到水上去,最后孔隙水压力达到一最高值。在这个时候砂土的抗剪强度减低得很多,它可能开始像液体一样发生流动。在第二阶段中,由于孔隙水压力的产生,部分孔隙水会陆续排走,浮动的砂粒也将重新堆积并且排列成比原来更紧密的状态。”汪闻韶对砂土液化的机理也给出和黄文熙相近的描述[6]:“饱和砂土在振动作用下,由于颗粒骨架结构的变形、松动、破坏和趋向于进一步压密,以及在此过程中孔隙水排出的迟后影响,原来由砂土颗粒骨架所承担的荷裁,将部分或全部转移给充满在它孔隙中的水,从而造成孔隙水压力的暂时升高和颗粒间有效压力的相应降低,将在短时期内减弱砂土的抗剪强度。”石原研而[2]、谢定义[7]等对砂土液化机理解释与黄文熙的相近,而谢定义增加有“土体的向下沉落受到孔隙水向上排出的阻碍,使土粒处于局部或全部悬浮的状态”这样的表述内容。在最新的《工程地质分析原理》教材[8]和《工程地质手册》[9]中,对砂土液化机理描述延续了前述的内容。

从上述对砂土液化发生机理的解释,可以看出,目前应用有效应力原理,将砂土液化发生时孔隙水压力变化和土体强度丧失的现象进行了力学理论的描述。但是,原来彼此接触镶嵌的砂粒在振动作用下为何发生了悬浮?土颗粒骨架原来承担的荷载怎样转移给了孔隙间的水?孔隙水压力为何会升高,升高的部分是怎样来的,在砂土液化进程中是原因还是结果?原来由砂和水所构成的材料的抗剪强度为何会减弱乃至丧失?这些问题在目前的砂土液化机理解释中没有进一步的明确表达,由此出现在科研与教学中,会遇到有研究者和学生对砂土液化发生的机理把握不清楚、砂土液化的概念理解不准确的现象。

对于某一事物,根据其表现出的现象,给出可被人们容易理解和接受的形象的称谓词语,一般较容易,但是以科学的概念形式进行定义[10]则较困难,因为概念要反映客观事物的一般的、本质的特征,明确其内涵与外延[10-11]。目前对于饱和砂土液化概念的定义即存在此困难,砂土液化问题属于土动力学的研究范畴[7],其概念需要在砂土颗粒和水的动力学角度进行说明,而以有效应力原理来解释是基于静力学理论的。本文从动力学角度对砂土液化的过程和机理进行分析,并对已有实验数据进行了物理过程本质的剖析。联系一些固体形状物质在动力作用下变为流体的现象,引申出固形物体动力流化的概念。

1 饱和砂土液化的过程与机理分析

通过动三轴进行饱和土体液化的实验,一般地,对均一围压下正常固结均质砂土,会得到如图1给出的动应力、动应变、孔压变化的过程曲线[6]。该曲线表达的是在周期和振幅不变的以正弦波加载的动力作用下的实验过程。初期,土样的动应变仅有弹性变形响应,孔压变化也仅是对动力荷载的加载响应(图1中的阶段Ⅰ);持续动力作用下,土颗粒之间产生变位发生结构破坏后,土样变形开始不断加大,此时孔隙水压力波动幅度不断加大并出现累积性升高(图1中的阶段Ⅱ);当土样整体强度丧失后(图1中的阶段Ⅲ),土样变形和孔压对施加的动力的响应,变形呈现振幅不断加大,孔压变为在总体高压力水平下的大幅度振荡。波浪水槽实验[12]和现场监测中[13]对土体各个层位的孔压监测也出现如图1相似的孔压变化过程。

图1 饱和土体液化实验动应力、动应变、孔压变化时程图

首先需要说明的是,通常开展砂土液化的动三轴实验,施加的动应力幅值要小于土体原始状态下的静强度,并大于某一个低的临界值。其原因在于:动应力大于了土的静强度,仅施加1次荷载土体就已经破坏;动应力低于临界值时,土体仅限于弹性变形响应,不发生液化。

其次必须确认一点,现实的砂土,不是直径、强度完全一致的球体紧密排列而成。饱和砂土的结构,颗粒的大小、形状以及强度有差异,排列不均匀,内部孔隙大小有不同(见图2),孔隙被水所充填。

(A:土体受到向右的加速度为a的动力作用,左侧有冗余空间的M1、M2、M3受到周围颗粒C的约束;B:在A图中的动力作用下,左侧有冗余空间的M1、M2、M3脱离开原来位置,其右侧出现冗余空间。A: The soil is subject to the dynamic action of acceleration a to the right, and M1, M2, M3 with redundant space on the left are constrained by the surrounding particle C; B: Under the dynamic action in A, M1, M2 and M3 with redundant space on the left side are separated from the original position, and redundant space appears on the right side.)

下面,结合饱和砂土的结构性,按照动力引起土颗粒变位是惯性离散和侧向挤出方式的不同,对图1的典型动三轴实验曲线给出机理分析。

1.1 动力引发土颗粒惯性离散的液化

因为内部结构存在差异性,土体中的某些颗粒(见图2中的M1、M2颗粒)或某些颗粒集合体(见图2中的M3),因结构排列的位置及临近存在冗余空间,在施加诸如地震或者振动台高频振动等强度较大、频率较高的动力荷载时,其离散力与约束力相比于其他的颗粒或颗粒集合体是不同的,具有容易脱离开其原来位置的优势。以具有图2所示结构的砂土为例,颗粒M1、M2和颗粒集合体M3受到周围接触的颗粒C的约束,但是其左侧具有容纳其发生位移来占据的冗余空间。当土体整体上受到向右侧的动力作用时,具有较紧密接触联系的颗粒相互进行力的传递,土体整体向右侧运动(见图2A);但是,M1、M2、M3因为左侧无接触颗粒,仅依靠旁侧位置颗粒C的约束力向右拉动,当促使其停留在原地的惯性力(离散力的一种)大于了其周围颗粒C的约束力,M1、M2、M3将脱离原来的位置进入到其左侧的冗余空间,发生与周围接触颗粒的分离运动。当M1、M2、M3与原来接触颗粒分离后,其所空出的原来空间,成为其周围接触颗粒的冗余空间(见图2B),导致周围颗粒也将在不断的动力作用下,与其周围约束的颗粒发生分离运动,产生颗粒相互分离运动的链式反应过程,土颗粒不断离散。在持续动力作用下,土颗粒彼此之间因为受到随机的相互碰撞作用,土体形成以颗粒之间碰撞支撑并传递应力的颗粒流动。

以上仅考虑了土体的固相颗粒,下面对土孔隙中水的作用加以分析。水可以瞬时传递压力但是不能传递和承受剪应力。对于图2中上部存在水可以流动的空间的情境来说,当受到向右侧的动力作用时,因为惯性停留作用,水体在施加力的图2A的左侧边界处将向上部流动,中间及右侧位置处的水体向左流动。M1、M2、M3周围的水体将相对向左运动,施加给土颗粒向左的拖曳力作用。同样的孔隙水的拖曳力也施加给了约束M1、M2、M3的周围的土颗粒C,使得C也与M1、M2、M3一样相对向左运动,这样孔隙水对M1、M2、M3的分离运动似乎没有帮助。但是,左侧水体向上流动带动土颗粒向上的流出,导致左侧土体疏松产生冗余空间;水的压缩系数(一般是10-4MPa-1量级)要比砂粒的压缩系数(一般是10-5～10-6MPa-1量级)大,M1、M2、M3左侧较大空间中充填的水通过更多的压缩给土颗粒的分离运动提供冗余空间。这样,孔隙水将为土颗粒的分离运动提供帮助。

1.2 动力引起土颗粒侧向挤出的液化

对于大小颗粒混杂且排列结构不均匀,尤其是有众多细粒组成的土体,由于颗粒形状多样,难以密实,会形成很多大小不一的孔隙结构。当土体受到诸如波浪的循环动力,在波峰时施加在土体表面的力会以力链形式传递到土体内部[14-15]。力链是由于土颗粒有相对紧密和相对疏松的土颗粒非均匀排列所造成,力链形成于紧密排列的颗粒方向上(见图3A)。若应力较大的力链上,某位置处的传递力的土颗粒(见图3A中的2个标有箭头的颗粒),其侧向有冗余空间,并且冗余空间恰好处于该颗粒力链方向转折凸出方向,则该颗粒容易向冗余方向挤出,进入到疏松的孔隙中。由于力链上某位置颗粒向冗余空间的运动,力链上该颗粒位置又成为冗余空间,继而相邻力链上的某些颗粒可以向新形成的冗余空间变位,形成颗粒变位的链式反应。当土体处于波谷作用时,土体表面垂向施加的力减小,由于相邻的2个波峰对土体的侧向挤压作用,波谷处土体将处于以水平向力作用为主的状态,可以形成大致水平方向的力链(见图3B)。同样,近于水平方向的力链上的某些颗粒,若处于如前波峰压力作用下易于向冗余空间变位的位置,则同样发生土颗粒变位的链式反应过程。进一步分析,在波谷处因为以水平向力链作用为主,而土颗粒向上部变位需要克服的阻力更小(土体表面为自由边界,水平挤压作用下更容易向上变位),所以土体在波谷作用时更容易变疏松,呈液化态。

(A:波峰时土体中产生近垂向力链;B:波谷时土体中产生近水平向力链。A: Near-vertical force chain in soil during wave crest; B: Near-horizontal force chain in soil during wave trough.)

2 饱和砂土液化孔压增高的解释

黄文熙所述“振动使砂粒逐渐脱离相互间的接触,变成悬浮在水中,在这一阶段中,砂土原来所受的压力逐步由砂粒骨架转移到水上去,最后孔隙水压力达到一最高值。”描绘了砂土液化过程中的现象,给出了依据有效应力原理的孔隙水压力增高的解释,而增高的孔隙水压力实质来源并未给出清晰解答。下面以增高的孔压实质是已经悬浮的土颗粒的浮重观点来加以解释。

针对图1所给的饱和土体液化实验的动应变、孔压的变化过程,可以给出颗粒发生相互分离运动的链式反应过程的机理解释。阶段Ⅰ,土体颗粒结构未发生任何变化,或仅有零星颗粒发生与周围颗粒的分离运动,土体在宏观上未呈现出变化,此阶段动应变和孔压仅是对外部施加的动力呈现弹性响应变化。阶段Ⅱ,某些颗粒或颗粒集合体发生与周围颗粒的分离运动并产生链式反应,脱离开原来位置的土颗粒或颗粒集合体悬浮于水中,但是土体依然具有整体上相互支撑的结构性,此阶段土体要有更大的变形才能达到对施加动力的响应;由于土体颗粒相互分离的渐进发展,变形会不断增加,由于不断出现更多的土体颗粒脱离悬浮在水中,某一深度测量的孔压值,因水附加承担了上部悬浮土颗粒的浮重而加大,超出静水压力值。阶段Ⅲ,颗粒或颗粒集合体不断分离悬浮于水中,土体失去了整体的结构性,土颗粒之间不再具有镶嵌支撑结构而丧失抗剪强度,土体呈现流体性质,完全液化,此阶段动应变因为土的结构强度完全丧失而进一步加大,孔压则在平均值上反映为水与土的浮重压力之和(见图4),孔压波动幅度则与外部的动力作用值相对应。

(a.液化土层无盖层;b.液化土层上有盖层。a. Liquefied soil layer without overburden; b. Liquefied soil layer with overburden.)

图4中所示各个深度位置处在土体完全液化时孔压传感器测量的压力值,可以用如下公式给出:

P1=γwh1+γ*h1,P2=γw(h1+h2)+γ*(h1+h2),P3=γw(h1+h2+h3)+γ*(h1+h2),P4=γw(h0+h4)+γ*h4+γ0*h0。

其中:P1、P2、P3、P4为孔压探头所在深度处的孔压值;γw、γ*、γ0*为水的容重、液化土的浮容重、盖层土的浮容重。

3 砂土液化发展过程孔压变化案例分析

3.1 振动台砂箱液化实验

本节以石原研而所做的砂箱振动台液化实验为例[2],对实验过程中所记录的孔隙水压力时间变化曲线进行分析(见图5)。实验砂箱尺寸为长70 cm×宽30 cm×高65 cm,饱和疏松的砂铺设高度为47.7 cm,水面与砂面齐平,在振动台上做水平往复振动,测量记录设置在砂面以下8.0、23.2和37.8 cm深度处的水头,获得液化砂土的超孔隙水压力值。

(虚线表示各深度液化时所对应的时刻与超孔压值。The dotted line indicates the corresponding time and excess pore pressure value of liquefaction at each depth.)

(γ*为土体浮重度。γ*is the floating weight of soil.)

砂箱振动实验相当于施加于砂土上一种体力,动力同时施加于不同深度土颗粒上,使得不同深度的土颗粒几乎在同时间发生变位运动而液化。

3.2 海床土体液化波浪作用水槽实验

波浪荷载是施加在海床表面并向下传递的面力。室内水槽实验结果表明对于均一海床,其液化发展具有自上而下渐进发展的特点(见图7红色虚线所示)[12],这种渐进性在海床液化的现场监测中也已被证实[13]。处于海床表面的土体,因受周围约束力最小,在波荷载引起的循环正应力和剪应力作用下,最先发生土颗粒朝向冗余空间的变位运动并引发链式反应(见图8a),最终使5.2 cm深度范围内土体骨架完全溃散,土颗粒分散到水体中导致孔隙水压力的升高,即有效应力原理判断的液化(见图7)。已经液化的土体会随波浪一起波动并对其下伏稳定土体施加额外的波动力作用[16-18],在波浪和液化土体波动力的联合作用下,5.2 cm深度以下的土体颗粒也会发生变位运动并引起链式反应使土骨架失效,土颗粒分散后随波浪一起波动,并引起超孔压的增高,这一过程持续进行直至达到海床最大液化深度(见图8b—e)。

(红色虚线为各深度液化时刻对应超孔压水头。The red dotted line is the corresponding excess pore water head at the time of liquefaction at each depth.)

图8 海床波浪水槽液化实验进程示意图

4 砂土液化概念的再描述

4.1 砂土液化的本质原因及概念描述

由前面液化过程和机理分析,砂土液化的本质原因在于砂粒在振动作用下脱离了原来彼此相互支撑的位置,悬浮在水体之中,性状呈现流体性质,这是黄文熙对砂土液化概念所描述的第一阶段,而第二阶段的孔隙水排出,砂粒压密则是太沙基固结理论可以描述的固结过程。而黄文熙所提的砂土液化“问题的实质(机理)还未彻底阐明”,应该是为何“振动使砂粒逐渐脱离相互间的接触,变成悬浮在水中”这一问题,解读清楚此问题才说明了砂土液化的本质原因。

因此,饱和砂土液化的概念可以描述为:在地震或波浪等循环动力作用下,某些砂粒周围有冗余空间时,因其向冗余空间运动的惯性离散力大于其周围约束力而向冗余空间产生分离运动,悬浮于水中,进而其原来占据空间成为周围砂粒产生同样分离运动的冗余空间,周围颗粒也向冗余空间分离并悬浮于水中,产生砂粒分离悬浮的链式反应过程,最终使砂土呈现出离散的流动现象。砂粒脱离开原来位置主要是因为振动的惯性力作用,而孔隙水的流动对砂粒脱离原来位置有协助作用,同时砂粒在水介质中沉降速度慢,孔隙水还为砂粒提供悬浮条件。土体主要是依靠土颗粒之间的镶嵌支撑提供抗剪切能力来承担荷载,颗粒逐渐悬浮于水体中呈现流体性质将逐渐失去抗剪能力。某深度位置的超孔隙水压力(测量的孔隙水压力减去静水压力)是由其上部悬浮的土体浮重所形成,超孔隙水压力出现说明土体已经液化,孔压升高为砂土液化之结果。但是根据图3中的孔压值分析,不妨碍利用有效应力原理以孔压值来表征土体液化的判断问题。

4.2 对类似砂土液化现象的扩展描述

工程地质灾害中的滑坡、泥石流等,均存在土体从具有固体性质转为松散流动的现象。比如降雨诱发土质滑坡,滑坡体在运动后土颗粒碎散与水结合,形成碎屑流,泥石流是碎散土石在水流作用下沿沟谷流动,最终与液化砂土一样具有液体的流动性。

扩展一下具有固体性质的颗粒集合体在动力作用下转变为流体的现象,可以给出动力流化的概念,同时也对前文中离散力、约束力、链式反应等概念给出清晰解释。

固形性状物体在动力作用下的流化现象的共同特点:(1)具有固形性状的物体具有非均质的结构;(2)有足够强度的动力作用,使得组成物体的颗粒或者物质团产生离散力,能够使其与周围约束体之间发生分离运动;(3)物体内部或其边界存在发生分离运动的颗粒或物质团变位的冗余空间;(4)颗粒或物质团的分离运动,在持续动力作用下出现链式反应过程。

基于固形性状的物体在动力作用下发生流化所具有的共同特点,可以总结给出动力流化这一概念,以概括发生此类现象的实质。

动力流化(Dynamic fluidization):具有非均质结构的固形物体,其结构组成的某个或某些物质团,在外部动力作用下,当其所受离散力大于其周围约束力时向相邻的冗余空间产生分离运动而离散,离散的物质团原来所占据空间成为其周围物质团的冗余空间,随着动力作用的持续,周围物质团也进入分离运动的链式反应过程,最终使固形物体呈现出物质团的离散流动现象。

在动力流化的概念中涉及到几个术语,解释如下:

固形物体(Solid body):由物质团组成的具有固体物理力学性质的物体。该物体可由碎散的固体颗粒堆积形成,也可由物理力学性质有差异的固体颗粒以化学键联结形成。

物质团(Matter mass):组成固形物体的基本单元,与其它物质团有弱连接界面,在动力作用下具有整体运动的能力。物质团是一个相对的概念,对于由碎散颗粒组成的固形物体,其物质团可以是单个颗粒,也可以是一些颗粒紧密连接的集合体,相对于动力作用下产生的离散力能够使其保持整体运动的特征。

冗余空间(Redundant space):应用于动力流化的概念中,是指在固形物体的内部或边界,可以提供给物质团变位移动的力学性质相对软弱的空间。对碎散颗粒组成的固形物体,冗余空间可以是碎散固体颗粒堆积时产生的较大孔隙;对有差异的固体颗粒以化学键联结形成的固形物体,冗余空间可以是力学性质软弱的物质团所占据的部分空间;冗余空间也可以是固形物体边界处空气或水所占据的空间。

离散力(Dispersive force):是指使某物质团脱离开原来其所处结构位置的力。包括振动加速度形成的物质团的惯性力、颗粒接触进行力的传递路径中促使某个物质团侧向挤出的力、流体运动对颗粒的拖曳力、颗粒之间相互碰撞的力等。

约束力(Constraint forces):是指某个物质团周围促使其保持在原有结构位置处的力。一般是指某个物质团周围接触的物质团对其施加的力。

链式反应(Chain reaction):在动力流化的概念中,是指某个物质团在动力作用下与周围约束的物质团发生向冗余空间的分离运动,该物质团原来所占据的空间成为其周围物质团的冗余空间,使得周围的物质团也容易发生在动力作用下的分离运动,在此称这样的反应为链式反应。

5 结语

本文从动力学角度对砂土液化进行了机理分析,相比于采用基于静力学的有效应力原理来解释土体的液化,能够更加清晰地反映砂土液化的本质特征,同时也明晰了砂土液化研究中孔压的变化是砂颗粒离散悬浮所导致的结果。在对砂土液化概念的本质分析基础上,对类似砂土液化现象的扩展到动力流化的概念。建议后续在相关问题的研究中,开展从动力学角度解决固形物体发生动力流化的力学表达方面的工作。