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1、砂土液化的研究内容及现状砂土液化的研究内容及现状土动力学是土力学的一个分支，但它在工程的实际生产和应用中，在对地震的一些研究中起着越来越重要的作用。土在动荷载的反复作用下，由于土的类型和所处的状态不同，对动荷载的反应也不相同。处于饱和状态的砂土和以粉砂为主的粉土，在地震作用下可能产生液化，使土体突然发生剪切破坏，表现为地基突然丧失承载能力，以及土体的突然失稳。对于建筑物来说，地震还可能使建筑物和地基形成共振体系一起振动，产生附加地震荷载1。因此，砂土液化在土动力学中是一个很重要的部分。在世界性的地震工程大会上砂土液化的研究占很大的分量，说明砂土液化仍然是地震工程中重要研究课题之一2。下面,我们
2、就砂土液化着重进行讨论。1.砂土液化的机理砂土液化的机理砂土的液化机理及其影响因素一直是液化研究中的一个重点和难点，它是伴随液化概念的发展而发展的。目前，饱和砂土的液化机理大致可归纳为循环活动性(cyclic mobility)、流滑(flow slide)和砂沸(sand boil)三种类型3。(1) 循环活动性：指在循环剪切过程中，由于土的剪胀和剪缩的交替作用而引起的孔隙水压力反复升降而造成的间歇性液化和有限制流动现象，主要发生在中密和较密饱和无粘性土中。Seed 等人(1966 年)在早期所进行的饱和密砂固结不排水三轴试验中证明了这一现象。(2) 流滑：流滑是单向或循环剪切作用下，土体积
3、持续剪缩，孔隙水压力不断上升，从而导致抗剪强度剧降，形成无限制流动大变形。Casagrade 提出的临界孔隙比概念及“流动结构”源于这一思想 .Kramer，Seed(1988 年)曾研究了饱和松砂在静荷载下发生流滑条件4，提出了饱和砂土在动静荷载作用下触发液化的应力条件5，并于 2000 年推广到有水平动剪应力和动正应力差同时存在的复杂应力条件中6。(3) 砂沸：当一个饱和砂沉积体中的孔隙水压力由于地下水头变化而上升到等于或超过它的上覆有效压力时，该饱和砂沉积体就会发生上浮或“沸腾”现象，并且完全丧失承载能力。最近的研究表明土体液化破坏往往是渐进发生的，即当土体内部局部区域发生液化时，抗剪强
4、度迅速下降，因而应力发生重分布，随后附近区域也发生液化，最终导致建筑物破坏。利用上述思想，在土坝液化分析中得到与液化区域相当吻合的计算结果7；我国王媛等(2000 年)也探讨了饱和松砂液化区渐进扩散的计算方法8。2.分析和判断砂土液化的理论方法分析和判断砂土液化的理论方法(1) 总应力分析方法：总应力法直接根据室内试验所取得的割线剪切模量与等效阻尼随应变幅值非线形变化曲线，通过多次迭代而求得的近似解，以 Seed 等提出的剪应力对比法为代表。它将地基视为一个具有水平自由表面的均质土体，忽略地基表面建筑物引起的附加应力的作用，因而使得问题大大简化。后来，日本学者岩琦敏男在 Seed 简化法的基础
5、上，提出了液化安全系数的概念9；张克绪提出用八面体动剪切强度验算液化范围，克服了 Seed 法中两者应力条件不一致的缺点10。(2) 有效应力分析法.：地震作用下土中孔隙水压力的产生、发展及消散过程直接影响到土体液化过程。因而，自黄文熙和汪闻韶之后，许多学者致力于振动荷载作用下土中孔隙水压力增长和扩散变化规律的研究，根据循环三轴或剪切试验确定孔压的增长公式，再应用到有效应力分析中去。在此方面，已有很多公式，如 Seed 公式、Sherif 公式、石桥公式、Finn 与 Bhatia 公式等等11。(3) 弹塑性动力分析方法：随着土的动力本构关系的深人研究，弹塑性动力分析理论己成为地震液化研究的
6、一个重要发展方向。3.国内外研究的现状国内外研究的现状31 实验器材的研究现状(1)动三轴实验的缺点是动三轴实验的土样的剪切应力为 45面上，无法完全模拟地震方向的水平剪切力，原状试样是无法进行模拟制备的12。而且经常由于试样的偏歪、曲颈等而使实验失真，试样底座的试样帽与试样之间的摩擦阻力,会导致局部应力集中而影响实验成果，最主要是高应力(d/00.6)作用是难以实现的，而实际土层受震经常是在高应力比下发生的13。(2)单剪实验的优点是由原来内外等高的实心圆柱变改为不等高空心圆柱试样，并使试样的外高 h1 和内高 h2 之比等于外径 r1 和内径 r2 之比。这样理论上可使试样内外各点的剪应变
7、相等,得到均匀剪应力，但是所不足的是试样制备较困难。(3)振动台试验是 20 世纪 70 年代发展起来专用于土的液化性状研究的室内大型动力试验。它具有下述一些优点：可以制备模拟现场 K0 状态饱和砂的大型均匀试样；在低频和平面应变的条件下，整个土样中将产生均匀的加速度，相当于现场剪切波的传播；可以测出液化时大体积饱和土中实际空隙水压力的分布；在振动时能用肉眼观察试样。但振动台实验制备大型试样时费用很高，而且不同的制备方法所造成的差异反映在应力比上可差 200%13。(4)共振柱试验是根据共振原理在一个圆柱形试样上进行振动，改变振动频率使其产生共振，并借以测求试样的动弹性模量及阻尼比等参数的试验
8、。共振柱法是一种无损试验技术，它的优越性表现在试验的可逆性和重复性上，从而可以求得十分稳定可靠的结果12。(5)离心模型试验一种研究土体动力特性的重要方法，它是将原型土体的尺寸按一定几何比例缩小为模型后，对其按要求的相似条件选定材料，施加静动荷载,测定出应力、应变，最后反算到原型13。32 国外研究现状Tokimatsu 把薄壁取土器取得饱和砂土试样的初始剪切模量恢复到用冻结法取得的饱和土样具有的初始剪切模量，然后通过试验比较两者的抗液化强度。发现如果它们的初始剪切模量一致，其抗液化强度也近似。因此他认为，借助饱和砂土最大剪切模量的(剪切波速)一致性，可以得到饱和砂土的原位抗液化强度。由于他通
9、过在振动三轴压力室内测定试验土样的微小应变来确定土样的初始剪切模量，测量方法本身就由于存在系统误差而很难准确测定土样的初始剪切模量。Fernandez 等的研究结果表明，小应变下(10-6)土颗粒之间的胶结强度对土的剪切波速有显著影响14。DeAlba 用不同的制样方法模拟土颗粒的不同排列方式，发现对于密实砂土用不同的制样方法制成的试样其弹性剪切模量相差不大15。33 国内研究现状黄博借助动三轴压力室内的弯曲单元测试装置研究饱和重塑砂土剪切波速与其抗液化强度之间的关系16。由于弯曲元需要插入试样中一定深度(3mm)，从而造成对试样的扰动，同时也造成剪切波传播长度的不确定性。已有研究结果表明，仅
10、此一项造成的测量误差可以达到 l6%。王建华、程国勇等人采用扭转振动圆环制做剪切波速传感器证明饱和砂土剪切波速与其抗液化强度之间有唯一对应关系1718。中国科学院力学研究所的鲁晓兵、谈庆明、俞善炳、郏哲敏等人建立对一维垂直应变情况，建立了竖向荷载作用时饱和砂土的一维应变动力学模型，然后进行了分析。得到了在竖向荷载作用下饱和砂土液化发展过程的特性。结果表明，渗透系数越小，骨架强度越低,扰动强度越大则液化发展越快。王星华、周海林研究了固结比对砂土液化的影响，在不同固结比情况下，砂土的应变、液化强度和孔隙水压力发展出现明显不同。研究表明，固结比愈大,砂土的极限孔隙水压力呈线性下降趋势。基于以上分析可
11、以看出,尽管对于饱和砂土与其抗液化强度之间的关系有过一些研究，并且取得了相当多的成果，但是仍缺乏原状与重塑土样的对比实验研究，以至于目前仍然无法对这一重要问题做出明确的阐述。4.砂土液化研究方面的一些不足及解决思路砂土液化研究方面的一些不足及解决思路(1)可以降低地震的水平力对基底的砂土作用，利用减震装置,降低土体的可传度，减小地震作用在地基饱和砂土中的作用力，降低作用荷载的幅值。这是解决砂土液化问题的一种新的思路13。(2)改善砂土的颗粒结构，提高土体的密实度和颗粒骨架的稳定性，防止流滑破坏现象发生；利用振动荷载提前处理砂土，改变砂土的结构使之在使用前达到密实状态。从实践上来看，利用爆破振密
12、、强夯、振冲挤密碎石桩法处理可液化砂土均取得了成功。但是在施工的过程中对周围环境的影响很大。如何降低振动荷载对周围环境的影响将是新的课题19。(3)孔隙水压力升高到侧向固结压力是发生液化的必要条件。降低饱和砂土在周期力作用下的孔隙水压力是解决砂土液化的另一种途径。而降低孔隙水压力的最主要的方法是如何使产生的孔隙水排出，所以加入饱和砂土中的材料首先要满足改良土体的渗透性的要求，从而达到降低孔隙水压力20。控制砂土中的水分及其渗透性，其目的在于降低超静孔隙水压力，控制超静孔隙水压力的升高，从产生液化的源头及逸出部位同时进行防治19。(4)饱和砂土的初始应力对饱和砂土的抗液化能力也有着重大的影响。增
13、加初始应力也是解决砂土液化的比较实用的方法。增大砂土地层的初始围压及约束条件的方法通常为增加周围侧向约束，如反压护道等方法。这种方法运用在路基上比较方便，但是很多民用建筑的地基是水平的，如何增加周围的侧向约束也是一个新的课题。(5)土层的刚度对饱和砂土的抗液化能力的相当大影响，所以增加土层的刚度也是提高饱和砂土的抗液化能力的一种方法。在土体中注入浆液、打入桩体以增加土体的刚度，从而达到处理饱和砂土的目的。总之，处理砂土液化的措施有很多，其目的无非就是降低饱和砂土中的超静孔隙水压力。所以任何一种或几种处理方法只要能合理地降低超静孔隙水压力的处理措施，并满足经济合理要求，都可以用来处理饱和砂土。参
14、考文献参考文献 1 李松林,动三轴试验的原理与方法,地质出版社,1990.2 孙 锐,袁晓铭,第 11 届国际土动力学和地震工程会议及第 13 届世界地震工程会议砂土液化研究综述,世界地质工程,2006.03,22 卷 1 期,16.3 叶书麟，韩 杰，叶观宝 .地基处理与托换技术(第 2 版)M .北京：中国建筑工业出版社，1994：35-38 .4 Kramer S L .Seed H B .Initiation of soil liquefaction under static loadingJ.J，Geotech .Eng .ASCE，1988，114(4)：16-24 .5 张克绪
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