楊永香，賈景超，黃志全

(華北水利水電學院，河南 鄭州 450011)

飽和非純凈砂土液化特性研究進展

楊永香，賈景超，黃志全

(華北水利水電學院，河南 鄭州 450011)

總結了國內(nèi)外關于飽和土體液化現(xiàn)象幾個熱點問題的研究現(xiàn)狀，詳細歸納了國內(nèi)外對均勻純凈砂土的宏細觀機理以及細粒含量和細粒夾層對飽和砂土液化特性影響的研究成果，并對飽和砂土液化現(xiàn)象的研究方向做了展望.

飽和砂土;細粒含量;細粒夾層;液化

20世紀60年代以來，世界范圍內(nèi)地震活動頻繁，發(fā)生在國內(nèi)外有影響的幾次強震均引起了嚴重的土體液化災害，如1964年美國阿拉斯加8.4級地震、日本新瀉7.8級地震、1976年河北唐山7.8級地震、1989年美國加州洛馬普里埃塔7.1級地震、1995年日本阪神7.2級地震、1999年臺灣集集7.3級地震、2008年四川汶川8.0級地震以及2010年海地7.3級地震.研究資料表明，約有50%的地基震害起因于地基土的液化及伴隨而來的地基變形.可見，飽和土層液化是導致大規(guī)模地基失穩(wěn)、建筑物/構筑物坍塌和城市生命線破壞的主要原因.目前有關砂土液化問題的研究，已受到世界性的廣泛關注，國內(nèi)外學者已就均勻純凈砂在液化影響因素、液化宏觀機理與判別方法、液化動力反應分析、液化后大變形等方面取得了豐碩的成果［1］.

事實上，自然界中純凈砂并不多見，地基土液化是地震引發(fā)的主要次生災害之一，主要發(fā)生在含細粒的砂性土或是砂質(zhì)粉土等砂粉混合物以及松散的砂質(zhì)水力回填土區(qū)、海岸線附近地區(qū)自然沉積的沖積層和河漫灘或沖積平原上具有一定分選性的層狀結構土層，這種含細粒的砂性土或是砂質(zhì)粉土等砂粉混合物和具有層狀結構的砂土層有別于純凈砂的力學特性.國外學者Youd和Perkins的研究結果表明:飽和松散的水力沖填土差不多總會液化，而且全新世的無黏性土沉積層對液化也很敏感，這一結論已被1978年日本的兩次大地震以及1977年羅馬尼亞地震所證實.最近的研究資料也表明，滲透性相對較小的粉粒夾層的存在會對砂土液化及液化后特性產(chǎn)生明顯的影響［2－3］.

鑒于此，筆者主要從細粒含量和細粒夾層對飽和土體液化強度特性影響的角度歸納和總結目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并提出今后可能的發(fā)展方向.

1 飽和砂土液化特性的研究現(xiàn)狀

各國的科研工作者對土體地震失穩(wěn)破壞的原因及其機理、土體的動力特性及飽和砂土液化等問題展開了廣泛研究，在土體的動力本構關系、飽和砂土液化、原位測試技術、室內(nèi)試驗技術、土與結構動力相互作用以及土動力數(shù)值分析方法等方面取得了大量的研究成果.近30年來隨著細觀力學、計算力學及實驗力學的迅速發(fā)展，人們開始從細觀的角度研究砂土液化問題，下面主要從室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬分析方面進行不同程度的歸納.

Desai等［4］首先提出了基于材料變形破壞的微觀結構特征，并將其應用到砂土的液化破壞機理上.Matsuoka和Geta［5］較早地從砂土的細觀組構變化出發(fā)提出了一個適用于飽和砂土液化分析的細觀本構模型，該模型以顆粒間接觸角、摩擦角和接觸力為組構參量，得到了宏觀應變與細觀組構之間的函數(shù)關系，較好地模擬了循環(huán)加荷條件下飽和砂土的剪脹和各向異性等特性.Nemat-Nasser和 Takahashi［6］在室內(nèi)動單剪試驗的基礎上，分析了制樣引起的初始組構各向異性對飽和砂土液化特性的影響以及加荷過程中組構各向異性的演化規(guī)律.Ibrahim和Kagawa［7］利用切片技術研究了在不同制樣方法下砂樣顆粒定向與局部孔隙的分布規(guī)律，分析了砂土組構對振動液化特性的影響.沈珠江［8］在砂土細觀組構張量研究的基礎上提出了一個用于砂土液化分析的散粒體模型，該模型能夠模擬循環(huán)荷載作用下孔壓累積、殘余變形以及應力Lode角和主應力軸旋轉(zhuǎn)條件下的液化現(xiàn)象.Ishibashi和Capar［9］在分析室內(nèi)動三軸試驗結果的基礎上建立了組構各向異性與砂土抗液化強度之間的定量關系.Motoharu等［10］基于孔隙率與土的電阻率之間的關系，提出了一種研究土體液化過程中土體結構變化規(guī)律的可視化技術.周健等［11－12］基于數(shù)字圖像技術，解決了砂土細觀組構參數(shù)的量測和分析技術，探討了飽和砂土在振動液化過程中細觀組構的演化規(guī)律.

以往采用連續(xù)介質(zhì)力學的方法進行飽和均勻砂土液化的數(shù)值分析，在研究砂土液化過程中顆粒細觀組構演化以及考慮顆粒－流體相互作用時存在明顯的局限性.Ng和Dobry［13］利用離散單元法模擬了循環(huán)荷載作用下飽和砂土的液化特性，較好地再現(xiàn)了室內(nèi)液化試驗中孔壓累積、剛度衰退、初始液化、相轉(zhuǎn)換等典型液化現(xiàn)象，并且能夠反映初始密度對飽和砂土抗液化強度的影響.Sitharam［14］對飽和砂土的振動液化現(xiàn)象進行了離散元數(shù)值模擬，在分析了宏觀液化響應的同時，研究了平均配位數(shù)、接觸法向分布、粒間接觸力等細觀組構演化規(guī)律.國內(nèi)關于砂土液化細觀機理研究方面也開展了較多工作.周健等［15］對砂土液化動三軸試驗進行了顆粒流細觀數(shù)值模擬，從細觀組構的變化規(guī)律出發(fā)初步解釋了砂土液化的發(fā)生機理.然而，以上數(shù)值模擬均是針對均勻純凈顆粒試樣進行的，沒有考慮固體顆粒與水的耦合作用，也沒有涉及到具有層狀結構非純凈砂土的液化宏細觀機理研究.

2 細粒含量對飽和砂土液化特性的影響

有別于過去采用粒徑較大的標準砂進行的飽和砂土液化試驗研究，具有不同粉粒和黏粒含量的粉砂、粉土的液化特性也成為研究熱點.關于粉粒和黏粒等細顆粒對砂土液化性能的影響已有不少學者做了不同程度的研究.

關于細粒含量對砂土液化能力的影響，Chang［16］，Dezfulian［17］，Amini和 Qi等［18］認為細粒含量的增加會提高飽和砂土的抗液化能力.Seed等［19］認為在相同的歸一化SPT擊數(shù)下，隨著細粒含量的增加，土體抗液化強度增大.而 Finn［20］，Lade 和Yamamuro［21］，Kuerbis［22］，Vaid［23］，Naeini［24］，Sadek 和Saleh等［25］通過研究認為細粒含量的增加會降低飽和砂土的抗液化能力，含粉粒的砂土較純砂更易液化，其變形特性和孔壓發(fā)展模式不同于純砂.Sandoval［26］提出塑性指數(shù)為2% ～4%時，隨著塑性指數(shù)的增加飽和砂土的抗液化強度降低.Guo和Prakash［27］得出塑性指數(shù)為4% ～10%時飽和砂土的動強度最低.Bouckovalas等［28］認為細粒含量(小于30%的情況下)對抗液化強度的影響與初始圍壓p0有關，當p0低于60 kPa時，飽和砂土的抗液化強度隨細粒含量的增加而提高;當p0高于60 kPa時，飽和砂土的抗液化強度隨細粒含量的增加而降低.Polito和 Martin［29］認為在孔隙比一定的情況下，含細顆粒砂土的抗液化強度隨著細粒含量的增加先降低，細粒含量增加到一定值后又逐漸增大，使其抗液化強度最低的細粒含量約為37% ～50%.Xenaki和Athanasopoulos［30］指出在一定孔隙比情況下，使得飽和土抗液化強度最低的細粒含量為44%.Troncoso［31］比較了不同細粒含量砂土的液化強度，所有土樣的孔隙比均控制在0.9左右，結果表明，細粒含量在0%～30%的范圍內(nèi)變化時，隨著細粒含量的增加其液化強度逐漸降低.Koester［32］用具有不同細顆粒含量的重塑砂土進行了液化試驗，試驗結果表明，當細顆粒含量為24%～30%時，飽和砂土的動強度最低.Yamamuro 和 Covert［33］基于動三軸試驗研究指出高粉質(zhì)砂比低粉質(zhì)砂的體積收縮性更強.Thevanayagam等［34］的研究表明，粉砂與純砂的物理特性有較大差別，主要是由于微結構的改變引起的，但這種改變只有當粉粒含量超過一定值后才會發(fā)生作用.Dash和Sitharam［35］通過不同控制條件下的動三軸試驗研究了細粒含量對超孔隙水壓力的影響，發(fā)現(xiàn)在?？紫侗惹闆r下存在一個臨界細粒含量使得土樣抗液化強度最低.在國內(nèi)，吳建平和吳世明［36］研究了黏粒含量小于10%的砂土的動力特性，其抗液化強度隨黏粒含量的增加而降低.衡朝陽等［37］對含黏粒砂土液化特性的研究表明，動剪應力比與黏粒含量呈下凹拋物線型變化，使其抗液化強度最低的黏粒含量為8.5% ～9.5%.李立云等［38］對粉土的振動液化試驗研究表明，黏粒含量為9%時，粉土的抗液化強度最低，并從細觀角度解釋了黏粒含量的作用機理.而張超和楊春和［39］對尾礦砂液化特性的研究發(fā)現(xiàn)，動剪應力比與細粒含量呈上凸拋物線型變化，當細顆粒含量為35%時，其抗液化強度最高.

3 細粒夾層對飽和砂土液化特性的影響

液化現(xiàn)象的發(fā)生主要受土的物理性質(zhì)、受力狀態(tài)和邊界條件制約，存在許多影響因素，例如土的密度、結構性、飽和度、級配、透水性能以及初始應力狀態(tài)和動荷載特征等.在液化現(xiàn)象尚未被深入認識的早期階段，人們認為在試驗室內(nèi)似乎只需要控制密度、飽和度、固結壓力等就足以模擬現(xiàn)場土單元的實際情況.但是，愈來愈多的宏觀現(xiàn)象和試驗研究表明，由于土的沉積環(huán)境不同而導致土的結構性差異，對土的抗液化能力的影響并不亞于密度、固結壓力等因素.目前國內(nèi)外對具有特殊結構性的粉砂互層土的研究較少.對于層狀砂土影響的研究目前還處在初步階段，更多的觀點認為分層結構對土體強度有明顯的影響，其性質(zhì)更接近于原狀土.

Yoshimi等［40］認為非擾動樣較重塑樣的抗液化強度高.主要是由于這兩種不同土的結構性，如不同顆粒尺寸的形成方式及土樣的層狀結構.Baziar和Dobry［41］認為層狀重塑樣的穩(wěn)態(tài)線相對于均勻重塑樣更接近于原狀樣.Pradhan［42］認為黏土夾層對砂土層的液化強度影響不大.Amini和Qi［18］根據(jù)對兩種不同制樣方法所得的層狀砂和均勻砂的動三軸試驗研究，認為二者抗液化能力沒有明顯差別.Yoshimine和Koike［43］的試驗結果卻表明，具有層狀結構的層狀砂土抗液化能力較均勻砂土強.Fiegel和Kutter［44］利用離心機試驗研究了上面由粉砂、下面由細砂構成的層狀砂土的宏觀液化機理，發(fā)現(xiàn)在兩層土交界面處有一水膜或非常松散的區(qū)域出現(xiàn)，并且在試驗過程中，可以看到粉土表面有砂沸現(xiàn)象發(fā)生，這與 Liu和 Qiao［45］的研究結果相一致.Kukusho和Kojima［46］通過一維液化試驗分析了液化時在不同滲透性兩層土交界面處水膜產(chǎn)生的宏觀機理.陳國興等［47］認為當固結壓力為100 kPa時，南京粉質(zhì)黏土與粉砂互層土比南京粉細砂的液化剪應力比高得多，而當固結壓力為200 kPa時，兩種土的液化剪應力比相當接近.賈永剛等［48］針對4種隔水夾層與透水夾層的組合情況，研究隔水夾層與透水夾層的存在對循環(huán)荷載作用下黃河口粉質(zhì)海床土液化過程的影響，發(fā)現(xiàn)其液化性能因夾層結構的不同而不同，有透水夾層時，相對提高了粉土的抗液化性能，隔水夾層則相反.Ozener等［49］通過振動臺試驗，指出粉粒夾層對層狀砂土的液化特性有很大影響.

4 結語

縱觀國內(nèi)外對飽和砂土液化特性的研究，無論是試驗研究還是理論分析大多是基于相對均勻砂層液化宏觀現(xiàn)象的力學描述和數(shù)學建模，而直接針對細粒含量和細粒夾層對飽和砂土液化特性影響的研究成果還很少，特別是缺乏細粒含量和細粒夾層對飽和砂土液化特性影響的細觀力學機理進行深入、系統(tǒng)的研究.在數(shù)值模擬分析方面，近年來基于離散元理論對砂土液化問題的研究有一定進展，但關于細粒含量和細粒夾層對飽和砂土液化特性的影響鮮有成果出現(xiàn).因此，對于飽和砂土液化特性宏細觀機理研究的方向，大致有以下幾個方面.

1)對均勻純凈砂液化特性的研究在宏觀層面上取得了較大進展，在細觀機理上也進行了一定的研究，但主要還局限于定性研究，對液化形成的機理研究還處于初期階段，應加強探索砂土液化現(xiàn)象形成的細觀原因，即液化現(xiàn)象怎樣發(fā)生的問題.

2)以往研究成果表明細粒含量對飽和砂土液化特性有重要影響，但目前關于細粒含量對飽和砂土液化特性影響的研究還局限于宏觀表現(xiàn)方面，尚未深入到細觀層次上.

3)國內(nèi)外學者的研究結果表明，飽和松散的水力沖填土差不多總會液化，滲透性相對較小的細粒夾層的存在對層狀砂土的液化特性產(chǎn)生明顯影響，對于層狀砂土影響的研究目前還處在初步階段，且多停留在宏觀表現(xiàn)方面，對飽和層狀砂土液化細觀力學機理研究尤其缺乏，應進一步系統(tǒng)地研究.

4)目前，對飽和砂土液化特性的數(shù)值模擬研究主要針對均勻純凈干砂試樣進行，沒有涉及到含細粒夾層的層狀土液化細觀機理的研究.而且，在目前的數(shù)值分析中，超孔隙水壓力是通過確保加荷過程中試樣體積不變間接得到，這一模擬方法不能得到液化過程中孔隙流體的運動規(guī)律以及固液二相的相互作用，今后的研究應考慮固體顆粒與水的耦合作用.

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Researh Progresses on the Liquefaction Properties of Saturated Impure Sand

YANG Yong-xiang，JIA Jing-chao，HUANG Zhi-quan
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The paper summarizes the development of hot issues on the liquefaction of saturated sands，and introduces in detail the researches of the macro-mesoscopic mechanism of the pure sand as well as the effects of the fines content and fine-grained interlayer on the property of sand liquefaction at home and abroad.Finally，the paper looks forward to the future research direction of the saturated sand liquefaction.

saturated sand;fines content;fine-grained interlayer;liquefaction

1002－5634(2012)02－0111－05

2012－01－10

國家自然科學基金項目(51009067，41140030);鄭州市創(chuàng)新型科技人才培育計劃領軍人才項目(10LJRC185);華北水利水電學院高層次人才科研啟動基金項目(001291);教育部留學回國人員科研啟動基金項目.

楊永香(1979—)，女，河南開封人，講師，博士，主要從事土動力學與土體細觀力學性質(zhì)等方面的研究.

(責任編輯:喬翠平)