飽和砂土液化與穩(wěn)態(tài)強度

1、高等土力學論文題目：飽和砂土液化姓名：趙衛(wèi)專業(yè)：防災減災工程及防護工程學號：2009020318時間：2010年1月飽和砂土液化在歷次大地震中，都有砂土液化現(xiàn)象發(fā)生，并造成了嚴重的破壞 和經(jīng)濟損失。由此引起了巖土工程界的重視，并進行了廣泛的研究， 取得了豐碩的成果。本文就砂土液化的一些基本概念進行討論，闡述 一些長期以來流行于我國巖士工程界的有關(guān)液化的概念，綜述了穩(wěn)態(tài) 強度和它在砂土液化分析中的應用以及存在的一些問題。關(guān)于砂土液化的定義日本土力學與基礎(chǔ)工程學會在它所編寫的土力學與基礎(chǔ)工程詞 典（1985年）中給出了液化的定義：“飽和砂土由于孔隙壓力的升高而 引起剪切強度喪失和有效應力降低，這種

2、狀態(tài)稱為液化”。這種定義是 一種關(guān)于飽和砂土液化的廣義定義。按這種廣義液化的定義，液化后 可以產(chǎn)生兩種結(jié)果，一種是產(chǎn)生流動滑移破壞，另一種是由于軟化而 產(chǎn)生一定量的變形。這種定義是美國與日本近些年普遍接受的定義。 但這種飽和砂土液化的定義與我國工程界普遍流行的看法并不完全一 致。在我國通常認為：物質(zhì)從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)的行為和過程， 稱為液化。關(guān)于砂土液化的定義在80年代以前較為混亂，例如有“初始液 化、循環(huán)液化、實際液化”等定義。為便于討論，首先給出上述三種 液化的定義：根據(jù)動三軸試驗的結(jié)果，Seed給出了初始液化（Initialliquefaction）（有時seed等也簡稱為液化）的

3、定義：在簡諧循環(huán)荷載作用下，飽和砂土孔隙中的殘余孔隙壓力初次等于所施加的圍壓時的狀態(tài)， 即峰值循環(huán)孔壓與圍壓的比值初次達到100%的條件或狀態(tài)。初始液 化時，土樣的軸向應變（雙峰值差的軸向應變）大致為5%。因此有時也 把土樣動軸向應變值初次達到5%的狀態(tài)稱為初始液化。Seed學派把 初始液化作為判別液化勢的一個準則而得到廣泛應用對于這一定義， 我國巖土界是比較熟悉的。實際液化：在沖擊或應變的作用下，松散飽和砂上的強度極大地 降低，在極端情況下將導致流動滑移破壞。循環(huán)液化：在動三軸循環(huán)荷載作用下，具有膨脹性趨勢的較密實 的砂樣中孔隙水壓力在每一循環(huán)中將瞬時達到圍壓的響應或狀態(tài)，它 是動力和靜力荷

4、載同時作用的結(jié)果。循環(huán)活動性也是類似定義的。應 該指出，循環(huán)液化或循環(huán)活動性一般是在較密實的（具有膨脹趨勢的） 飽和砂土中不排水循環(huán)荷載作用下才能發(fā)生，但不會產(chǎn)生實際液化也 不會引起流動滑移破壞。因為進一步的應變會產(chǎn)生膨脹和負孔隙壓力。 一旦循環(huán)荷載停止，飽和砂土還是穩(wěn)定的。只不過會產(chǎn)生一定量的殘 余變形。除非密砂在振動過程中，先由密振松然后才可能產(chǎn)生實際液 化。砂土液化引起的流動滑移通常是先由動力循環(huán)作用引起強度降 低，然后主要在靜力作用下引發(fā)流動滑移破壞。因而絕大多數(shù)液化流 動滑移破壞是在地震以后的一段時間才發(fā)生。在1996年以前的文獻中，液化（Liquefaction；一詞原指飽和松砂

5、在應變與沖擊荷載作用下所導致的土體流動滑移破壞自從Seed使用 液化一詞描述砂土試樣在動力三軸試驗中的反應以后液化一詞已隱 含了兩種含意，即初始液化與現(xiàn)場液化。這兩類結(jié)果的影響范圍和嚴 重性也是不同的。在一次地震后的地質(zhì)現(xiàn)場中，實際液化發(fā)生的范圍 與液化變形發(fā)生的范圍相比要小得多，但其破壞程度卻嚴重得多。而 液化變形可以在種類非常廣泛的土層范圍和場地條件下發(fā)生；并且它 的結(jié)果可以從幾乎沒有什么影響到嚴重的沉陷破壞的范圍內(nèi)變化。飽和砂土液化的分析與判別巖土工程師對砂土液化進行判別和評價時，需要回答下述問題：考慮的砂土能夠液化嗎？如果能夠液化，它能夠被觸發(fā)嗎？如果被觸發(fā)，它能夠造成危害嗎？如果造成

6、危害，它能達到何種程度。在這些問題中，對第一個和第二個問題的研究比較深人，積累了一 定經(jīng)驗，其預測結(jié)果的可靠性相對第三個和第四個問題的預測結(jié)果來 說，比較高。近十幾年，研究者的注意力已逐漸轉(zhuǎn)移到第三個和第四 個問題上，但所取得的研究成果僅是初步性的，距完滿解決還有很遠 的距離。例如雖然已有一些方法能夠?qū)︼柡蜕巴琳駝右夯恼鹣莼蜃?形問題加以分析和預測，但預測結(jié)果和實際情況相差很大或方法不具 備重現(xiàn)性。目前，對飽和砂土液化進行確定性分析與評價的方法主要 有三類，(1)經(jīng)驗或統(tǒng)計方法；(2)簡化分析方法；(3)數(shù)值分析方法。第 一類方法是以地震現(xiàn)場的液化調(diào)查資料為基礎(chǔ)，給出了判別實際液化 與不液化

7、的條件與界限，并且還可以判別液化程度。這些方法直觀、 簡單，一些影響飽和砂土液化的重要因素可以自動予以考慮，因此較 容易被工程師接受，在許多抗震設計規(guī)范中都加以利用。但也存在下 述缺點：地震場地的液化調(diào)查資料多是由自由場地取得的因而原則上這 類方法也僅適用于自由場地的液化判別，當建筑物修建以后，由于土 與結(jié)構(gòu)物的相互影響，土中靜應力與動應力條件發(fā)生顯著變化。因外 界條件發(fā)生變化，經(jīng)驗與統(tǒng)計方法不一定適用于這種情況。另外，規(guī) 范里用液化指數(shù)來描述液化程度，因為它不是以具體物理指標定量表 達的，難以在工程中應用。最后，這類方法不是從物理本質(zhì)和機理上 對飽和砂土液化問題進行分析與探討，難以加深對砂土

8、液化現(xiàn)象的認 識與理解。第二類方法是以試驗和土體反應計算分析為基礎(chǔ)的，判別飽和砂 土能否液化的方法。它之所以稱為簡化方法是因為它不能分析飽和砂 土液化的整個發(fā)展過程和應力一應變的變化過程，只能給出最后的判 別結(jié)果。簡化分析方法中影響較大的主要有兩種方法，一種是 Seed（1971年）LIO簡化方法，另一種是Poulos （1985年）等提出的基于 穩(wěn)態(tài)線的液化估計方法。第三類方法一般需要采用某種本構(gòu)關(guān)系，并使用某一確定的數(shù)值 分析方法，例如有限元法、有限差分法等。該方法可以考慮土與結(jié)構(gòu) 的動力相互作用，并能給出應力、應變、孔壓、滲流以及變形發(fā)展的 全過程。但該方法對本構(gòu)模型參數(shù)的質(zhì)量要求較高。

9、另外.因飽和砂 土液化過程中變形的物理機制非常復雜，尤其是在液化后的大變形階 段，目前僅采用某種簡單的本構(gòu)模型難以全面反映這種復雜的變形過 程，所得結(jié)果也難以準確反映實際情況。但這種方法在本構(gòu)模型參數(shù) 的質(zhì)量得到保證的情況下，其精度和準確性一般優(yōu)于簡化方法，因而 在一些重要結(jié)構(gòu)的設計中可采用這種方法。液化分析中存在著選用什么標準作為液化判別準則的問題。液化 判別標準的選擇是與飽和砂土液化的定義相聯(lián)系的Seed提出以初始 液化作為液化判別標準，并以此為基礎(chǔ)通過動三軸試驗確定出動循環(huán) 強度。但Casagrande、Castro、Poulos認為初始液化并不意味著實際液 化，它也可以產(chǎn)生循環(huán)液化而不

10、產(chǎn)生實際液化，因而初始液化后的結(jié) 果到底怎樣并不清楚；他們認為可以采用穩(wěn)態(tài)強度作為判別能否發(fā)生 實際液化的標準。另外，穩(wěn)態(tài)線還可作為判別飽和砂土是否可能產(chǎn)生 實際液化或循環(huán)液化的標準。關(guān)于液化的定義以及液化準則的選擇問 題有兩篇文章值得一讀，一篇是Casa. grandel975年的文章，另一篇 是Seedl985年的文章。Seed已經(jīng)接受了 Casagrande學派利用穩(wěn)態(tài)強 度判別實際液化的觀點，后來Seed父子與Castro共同發(fā)表文章 (1992)，利用穩(wěn)態(tài)強度分析地震后Lower San Femado壩滑移，進一步 證實。seed已接受穩(wěn)態(tài)強度的概念。Seed指出，有很多證據(jù)表明在飽

11、 和土中的孔隙壓力與圍壓的比值小于60%時，是不能引發(fā)液化的。如 果這一比值沒有達到較高的數(shù)值即接近100%時，砂土就很難液化， 因此可以得到以下兩點結(jié)論：這時就不會存在滑移問題，因為砂土 還具有較高的抗剪強度；（2）通常也不會產(chǎn)生嚴重的變形問題。有無數(shù) 的建筑物建在可液化的砂土上.已經(jīng)存在了幾十年甚至數(shù)百年，但卻 沒有液化發(fā)生，其原因是觸發(fā)液化的機制沒有大到足以引發(fā)液化的程 度。因此，保證液化不被觸發(fā)是避免液化惡果產(chǎn)生的一個正當?shù)拇胧?這可以通過設計土體的孔壓與圍壓的比值L大幅低于100%，以保證 液化不會發(fā)生，保證建筑結(jié)構(gòu)地基的穩(wěn)定性和較小變形Seed的上述 討論，隱含著肯定了利用初始液

12、化作為液化勢判別標準的意義和正確 性。Seed2接著叉指出，還有另一種設計方法已經(jīng)被接受，這就是 Poulos和Castro提出的方法，這種方法假設砂土液化一旦被觸發(fā).設 計問題就變?yōu)榇_定液化后能否產(chǎn)生滑移或產(chǎn)生過量變形破壞的問題。 其中能否產(chǎn)生滑移破壞的問題可以通過判定能否超過穩(wěn)態(tài)強度來解 決。但液化后的變形問題卻是一個復雜而困難的問題。美國國家研究 委員會地震工程委員會（1985年）認為這一問題離完滿解決還有很遠 的距離。總之，在判斷能否發(fā)生液化時Seed簡化方法很方便、實用。 它可用于回答本節(jié)開頭所提出的四個問題中的頭麗個，但不能用于分 析后兩個問題。Casa- grande學派的目標是

13、分析后兩個問題。對后兩個 問題近十幾年來進行了大量的研究，但到目前為止.除了穩(wěn)態(tài)強度可 用于判別液化后能否發(fā)生流動滑移破壞而外，后兩個問題還遠沒能完 滿解決。因此，為了完成前輩們還未解決的問題，我們的任務還很繁重。大量的研究工作在等著我們。參考文獻Seed H B. Soft liquefaction and cyclic mobility evaluation for level ground during earthquakes. Journal of the Ceotechnieal Engineering Division, AscE, 1979, 105(GT2)： 201255Finn W D L. Liquefactions potential developments slnee 1976 ProcIst International conference 0n leeenl advances in Geotechniealearthquake