馬瑞

摘 要 土體液化對巖土工程建設及其環(huán)境存在很大作用，文章分析了土體液化之機理及其相應因子，通過分析有效應力的變化，闡述其危害及防治措施，簡要說明了土體液化在建設工程中運用土體液化的基本原理趨利避害，更好地進行工程建設。

關鍵詞 土體液化危害應用有效應力機理分析

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0091-02

1 土體液化機理及其影響因素

美國巖土工程學會土動力學委員會認為：液化是使任何物質轉變?yōu)橐后w的作用和過程。在無粘性土中，這種轉變是由固態(tài)到液態(tài)，它是孔壓增加、有效應力減小的結果。液化是一種狀態(tài)的轉變，而與起始的原因、變形或地面破壞運動等無關；液化常產生一種強度的瞬間喪失，但常不產生剪切強度的較長期減小。實踐證明土體在當振動作用下使骨架受到一定的慣性和干擾力。不同質量的土粒的排列狀況不同，或各點起始應力的值和動荷載強度傳遞的不同，這樣會使各個土粒上的作用力的不同大小、方向、實際影響使得在土粒接觸點引起新應力，一旦超過一定的數(shù)值，土粒之間原來的粘結強度與結構狀態(tài)就被破壞，使砂粒彼此脫離。原先的砂粒接觸力傳給孔隙水分，孔隙水壓驟升?？紫端谝欢ǔo水壓力的作用下力圖向上排出，在重力作用下沉落又受到孔隙水向上排出的阻礙，使土顆粒處于局部或全部懸浮狀態(tài)，土出現(xiàn)不同程度的變形或完全液化，因為抗剪強度局部或全部喪失，隨著孔隙水逐漸排出，孔隙水壓力就逐漸減小，土粒又逐漸沉落，重新堆積排列，壓力重新由孔隙水傳給了土粒承受，土即達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。所以：

1）土在振動荷載的持續(xù)作用下，經歷了壓力由土粒傳給孔隙水，又由孔隙水傳給土粒這樣兩個既有區(qū)別又相互聯(lián)系的發(fā)展階段。

2）從振動液化發(fā)展的階段來看，飽和土能夠發(fā)生液化現(xiàn)象，必須同時具備兩個條件：①土體的結構受到足夠的振動作用而破壞；②土體結構破壞后，發(fā)生移動趨于是壓密而非松漲。所以遭受振動作用以后的砂土即因其結構不易振動而破壞而且由于結構在振動后趨于松脹，脹出的空間很快被孔隙水填充，孔隙水向下移，土粒向上脹，土粒就喪失了受懸浮液化的條件。

3）振動作用的較弱時，不會破壞土的結構，不會出現(xiàn)孔壓上升，變形不會增大、強度不會降低。僅當動荷載強度超過臨界加速度或超過一定的臨界頻率時孔壓才會明顯上升，變形明顯增大。

地震時飽和砂土液化的主要原因是，地基運動造成循環(huán)剪應力，從而產生超孔隙水壓力。這些剪應力首先是由于下臥巖層的剪切波向上傳播引起的。由于交變周期應力作用的結果，土體單元就多次反復變形。單元體內各土顆粒接觸處就發(fā)生滑動變形，土體顆粒有縮小的趨勢。在不容許排水的情況下，這種滑動變形必然造成顆粒骨架承擔的一部分垂直有效應力傳遞施加到不可壓縮的孔隙水上。隨著應力向孔隙水的傳遞以及土粒上應力的降低，土的骨架就回彈，其回彈量必等于土體體積的縮小量，以保持總得體積不變。土體體積的縮小與土粒骨架的回彈的相互作用決定著土中孔隙水壓力的大小。當孔隙水壓力接近限制壓力時，砂土就開始變形。如果砂土是松散的，那么孔隙水壓力就會驟然增加到所施加的限制壓力，砂就會迅速開始很大的變形，剪應變可達20%或更大。如果砂土沒有足夠的抵抗變形的能力，它就發(fā)生無限的變形，則可以說砂土發(fā)生液化了。若砂土是密實的，它可以產生孔隙水壓力，在完成某些應力循環(huán)以后，它可以等于限制壓力，隨著往返應力的作用僅引起砂土的有限變形。這是因為密實砂土還有一定的抵抗變形的殘余阻力，或是因為土的膨脹所致。于是孔隙水壓力下降，最后砂土發(fā)展到有足夠的阻力以抵抗所施加的應力，土在作用的循環(huán)周數(shù)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。關于砂土的抗液化強度的確定，可參考臨界空隙比、動力三軸試驗理論等、飽和砂穩(wěn)定性動力破壞滲透理論。

上述從有效應力分析土的液化機理影響土體發(fā)生液化。而有效應力的變化可以從土顆粒和地下水兩個方面進行分析。土顆粒級配好，則地下水不易及時排出，孔隙水壓力增大，土顆粒承擔的有效應力即會減少，趨于液化。反之，則不易液化。土顆粒松散，則土體積趨于變小，孔隙水壓力增大，有效應力減少，趨于液化，反之則不易液化。土中水含量較多，土中水有能力承擔更大的土壓力，設想若土中不存在地下水，則總應力始終由土顆粒承擔，不存在孔隙水壓力大小的變化，故不易液化。其它方面的影響因素，都可以歸結到應力的轉化關系上。其實，在分析破壞時，總可以從應力和應變兩個方面加以考慮，兩個方面也存在著一定的關系，哪個方面方便衡量，則從哪個方面加以分析。在土體液化的過程中，應力的變化是因，應變的產生是果，直接從應變這一結果去分析，不易抓住液化的本質，故從土體液化的機理以及應力著手，分析土的液化過程。但是在實際施工中，可以對土體的應變加以測量，反過來評價土體液化的程度。

2 危害及其防治措施

土體液化導致建筑物破壞與極限平衡與破壞機理不同，土體液化是一種過程，極限平衡是力學對抗，而破壞則由人來界定，一般定義為建筑物功能的喪失。土體液化的危害，則是人為地對因土體液化而導致建筑物功能喪失這一過程及其結果進行評價。一般是土體發(fā)生液化，建筑物地基喪失承載力導致建筑物傾斜或發(fā)生開裂，喪失其功能。人們常說的“防止液化”，實際上是要防止土體液化所造成的災害性破壞。在這一意義上，并不是專指“土體是否發(fā)生液化”，而真正的目的是“防止土體因液化或相關可能而引發(fā)相應災害壞”。

當前項目建設采用的判別和評價或防止土體液化的準則，主要是從宏觀破壞現(xiàn)象中總結出來的經驗性準則，亦可稱為是從工程觀念出發(fā)的使用準則，而不是從物理概念出發(fā)的真正的液化與否的判據(jù)。

液化主要發(fā)生在飽和無粘性土（和少粘性土）中；干土一般不需考慮液化破壞。這樣疏干土體也是一種有效的措施，如降低地下水位、降低邊坡浸潤線（常用于水利填充的尾礦壩和粉煤灰壩）等。

對于不能疏干的飽和土體，就應該從它是否會發(fā)生砂沸、流滑、循環(huán)活動性等方面來采取措施。還應考慮土體中孔隙水壓力持續(xù)而非瞬態(tài)升高所引起的不穩(wěn)定性。流滑是造成土體液化最嚴重的現(xiàn)象。其根源在于土體結構太松（相對密實度大都在50%以下）其顆粒骨架結構呈準穩(wěn)定狀態(tài)，稍受擾動，即會崩解，同孔隙水一起形成流動狀態(tài)。因此，防止飽和土體流滑的對策，首先要提高該土體的密實程度和顆粒骨架結構的穩(wěn)定性。振動加密和排水疏干是最有效的防止流滑的措施是，下面將會詳細說明。endprint

循環(huán)活動性與流滑不同，只有在其累計變形達到某個允許值標準后才算破壞。在循環(huán)活動性發(fā)展時雖然會出現(xiàn)液化瞬態(tài)極限平衡，但相應的累積變形和破壞標準未必達到。所以這種情況下，就不能單純以是否發(fā)生液化或是否出現(xiàn)極限平衡作為防止其發(fā)生破壞的準則和依據(jù)，而必須估計出循環(huán)活動性所能產生的累計變形是否超過它的允許變形量。這種估計是比較困難的，目前還比較缺少完全可信和成熟的試驗方法和依據(jù)。

土體液化的防治措施，則主要是針對影響土體液化的因素提出的。上面的分析已經指出，有效應力的變化是分析土體液化的有效手段。故各種防治措施，都是旨在防止有效應力的大幅度減小為宜。主要的措施有振動加密、排水降壓等。振動加密，可增加土的密實度，上述分析可知，密實度增加則即使是飽和砂土，土體積膨脹土粒向上運動而水分在重力作用下向下運動，這與土體液化時土顆粒體積減小、土顆粒向下運動、水分則相對向上運動剛好相反，故振動加密是防止土體液化的有效手段。此外，振動加密還可增加土的強度，減小建筑物的沉降，一舉多得。其實在采取加固措施時，一種加固方法往往可以起到多方面的作用。再比如說排水降壓，土體水分含量減少，則水分所占有的體積減少，其發(fā)揮承載力的條件即需加強。設想土體水分含量很少，則可以想象水分幾乎沒有條件承擔較大的孔隙壓力，因為土體體積沒有或減小不到此程度。極端而言，若排水降壓至水分完全被排出，則土體只可能在失重的條件下才會液化。其它防治措施主要有強夯、灌漿、樁基礎、土釘?shù)?，主要原理還是從上面的分析入手，只是在實際施工時，應考慮建筑物的重要程度、施工條件、經濟因素等各方面開展。采用樁基礎或其它深基礎、全補償筏板基礎、箱型基礎等屬于可理解為支護類。當采用樁基時，樁端深入液化深度以下穩(wěn)定土層中的長度（不包括樁尖部分），應按計算確定對于穿過液化土層的樁基礎，樁周摩擦力應視土層液化可能性大小，或全部扣除，或作適當折減。對于液化指數(shù)不高的場地，可采用淺基礎，但適當調整基底面積，以減小基底壓力和荷載偏心；或者選用剛度和整體性較好的基礎形式，如筏板基礎。土體液化防治之前，應首先進行土體液化的判別。

3 土體液化的運用

在談到土體液化時，人們往往將之與建筑物的破壞聯(lián)系起來，其實利用土體液化進行巖土工程建設的案例也不在少數(shù)。此處主要說明土體液化在振沖法及獲取土體最優(yōu)含水率上的運用。眾所周知，在砂土中注水振動容易使砂土壓密，利用這一原理發(fā)展起來的加固深層軟弱土層的方法稱為振動水沖法，簡稱振沖法。其原理為松散砂土在振沖器不斷射水和振動作用下，飽和液化，喪失強度，振沖器很容易靠自重不斷沉入土中。在這一過程中，加固范圍內的砂土自身在振密，懸浮著的砂粒被擠入孔壁，同時飽和了的孔隙水壓力引起滲流固結，整個加固過程是擠密、液化、滲流固結三種作用的綜合結果，形成加固后的密室排列結構。但在實際使用時應注意施工時土體的顆粒級配等狀況，如顆粒級配較差，或粗顆粒土含量較多，則孔隙水較容易排出，則振密效果可能較差。土的最優(yōu)含水量的獲取，則通過實驗室擊實試驗，繪制干密度與含水量之間相互關系，即可獲取最優(yōu)含水量。對于某一土樣，在一定的擊實功能作用下，只有當土的含水量為某一適宜值時，土樣才能達到最密實，因此在擊實曲線上必然會出現(xiàn)一峰值，峰點所對應的縱坐標為最大干密度，橫坐標為最優(yōu)含水率。在實際施工時，一般采用壓密的辦法，不存在振動液化現(xiàn)象，但實驗室操作時，若采用振動，則可能使得土體趨于液化，最大干密度與壓密時獲得的大小不同，應注意實際運用時的修正。

4 結論

本文主要從土體產生液化的機理入手，通過對應力轉化的分析，說明了影響土體液化的主要因素及其防治措施，并簡要說明了土體液化的運用。得出的主要結論有：

1）土體液化是對土體形態(tài)變化過程及其結果的描述，主要存在于振動的松散砂土和粉土中。

2）土體發(fā)生液，直接結果導致土體豎向承載力不足，側向變形較大，其原因在于土中有效應力降低，孔隙水壓力增加，可抵抗側向變形的土顆粒能力得不到發(fā)揮而不能抵抗側向變形的水卻承擔較大的應力，被動地向外滲透。

3）影響土體液化效果的主要是土顆粒級配、孔隙率、含水量等，對于其液化效果的評價，應從應力的轉化上入手，從實際產生的破壞分析其危害，應明確液化、極限平衡、破壞三者相互關系。

4）實際運用時可根據(jù)土體液化的影響因素，采取適當措施便于土體液化，達到壓密土體的目的。

5）實驗室實驗獲取最優(yōu)含水量時，應注意振動產生的液化與實際施工時壓密產生不產生液化獲取的最佳含水量之間的修正關系。

參考文獻

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