張少騰，余 娟，劉 飛，周 璇，賀成麗，高明智

（1. 徐州市數(shù)字地震臺網(wǎng)中心，江蘇 徐州 221000；2. 徐州市第五地質(zhì)隊，江蘇 徐州 221000；3. 徐州地震臺，江蘇 徐州 221000）

0 引言

砂土液化是地震引發(fā)的次生災(zāi)害，對人民生命和財產(chǎn)安全有重大威脅[1-3]。英國愛丁堡大學Lorenzo Conti[4]整理了20世紀至21世紀初全球范圍重大砂土液化災(zāi)害17次，每次災(zāi)害平均造成人員傷亡幾百到幾萬人不等，經(jīng)濟損失幾千萬到幾億元不等。2010年新西蘭7.1級地震，是第一次砂土液化做震害主因的地震[5]，1999年土耳其7.4級地震引發(fā)的砂土液化造成儲油罐發(fā)生傾斜[6]，2011年日本9.0級地震造成核泄漏，砂土液化是造成核反應(yīng)堆受損的重要原因[7]。對砂土液化形成機理、判別方法等進行研究，可為砂土液化災(zāi)害預(yù)防和治理提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)于砂土液化的研究已經(jīng)取得很多成果，并且解決了很多實際工程問題[8]。關(guān)于砂土液化的物理機制，20世紀60年代開始，國內(nèi)外學者已采用不同結(jié)構(gòu)振動臺模擬地震進行分析[9]，并將液化原因分為外因、內(nèi)因2部分[10]?；谶@些基礎(chǔ)研究，在過去幾十年間，砂土液化判別問題的研究取得長足進步，產(chǎn)生了很多新的砂土液化判別方法[11-13]?，F(xiàn)今，判別砂土液化的方法有很多種，大體分為室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗以及震害調(diào)查三大類。3類液化判別方法各有其優(yōu)劣，可從不同角度分析研究砂土液化[14-15]。其中室內(nèi)實驗法常用動三軸儀進行砂土液化試驗研究，通過試驗可得出砂土的動強度、液化振次等數(shù)據(jù)[16]，再采用Seed等[17]推薦的簡化公式分析砂土的周期應(yīng)力比。根據(jù)前人研究[18]，影響砂土液化的因素可分為三大類：第一為物理因素，主要有土體種類、粒徑、密實度、含水率、飽和度等；第二為環(huán)境因素，主要有上覆土層厚度、地下水位深度等；第三為地震因素，主要有地震烈度，震源深度等。前人往往只對液化因素進行定性，然后運用不同方法對液化結(jié)果進行判定。

本文擬將徐州市廢黃河水域周邊砂土地層作為研究對象，對其工程和力學特性進行總結(jié)分析。在此基礎(chǔ)上，選取標準貫入試驗判別的液化樣進行動三軸試驗。通過動三軸試驗，研究砂土液化過程中小變形和孔隙壓力特征，分析其液化機理；對動三軸試驗和標準貫入試驗結(jié)果進行對比，判斷使用2種方法進行液化判別結(jié)果的區(qū)別。

1 現(xiàn)場土樣樣物理性質(zhì)指標

1.1 工程特性概述

對徐州地區(qū)廢黃河區(qū)域及周邊土層進行篩選統(tǒng)計，易引起液化作用的土層共有6層，由上至下分別為灰黃色、灰色粉土，灰黃色、棕黃色粉砂，灰色、灰黑色粉土，灰色、棕灰色粉土，灰色、棕灰色粉砂以及深灰色粉砂。濕度等級均為濕-很濕，干強度低，多數(shù)土層具備水平紋層或斜層理構(gòu)造，呈條帶狀分布于廢黃河沿線。

根據(jù)液化土層判別分析，徐州液化土層具有明顯的分區(qū)性，黃河沖擊壟狀高地及其周邊是砂土液化主要區(qū)域。公元1194—1494年黃河改道[19]，區(qū)內(nèi)黃河泛濫，導(dǎo)致大量泥沙搬運至古河道一帶，地形變緩，黃河流速降低，大量粉土沉積，形成5～10 m厚地層，為主要的砂土液化層。

1.2 土層力學性質(zhì)指標

對該區(qū)主要液化層第一、第三以及第四層進行力學試驗，各土層均在地下水位以下，含水率較高、密實度較差、黏粒含量較高、標貫擊數(shù)變化較大，液化點占比較大（表1）。

表 1 研究區(qū)可液化土層力學性質(zhì)

2 樣本選取原則與動三軸實驗設(shè)計

2.1 標貫樣本的選取原則

為實現(xiàn)不同密實度下，標準貫入試驗與動三軸試驗結(jié)果的區(qū)別與比較，從樣本（表1）集中選取密實度分別為50%、52%、54%、56%、58%的粉土樣本各5個。為研究密實度對動三軸試驗與標準貫入試驗

兩者結(jié)果的影響，需要克服其他干擾因素。在采樣過程中，除了選取原狀樣本基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮含水率、飽和度、上覆土層厚度以及地下水位等因素。所以，選取埋深、地下水位狀態(tài)基本一致的樣本，盡量減弱環(huán)境因素對試驗結(jié)果的影響。選取的樣本要進行含水率、密實度測定，以方便室內(nèi)動三軸試驗的樣本還原。同時，要選取飽和或近飽和樣品，室內(nèi)還原時所有樣品即可均按飽和試樣制備。

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2016）的相關(guān)規(guī)定對各孔進行標準貫入擊數(shù)臨界值進行計算，計算公式：

表 2 液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值N0

本例中，地震加速度均取0.10 cm/s2，液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值取7次。通過上式結(jié)果與實測值進行比較，判斷液化結(jié)果。詳細標貫樣本參數(shù)見表3。

2.2 動三軸試驗設(shè)計

本文試驗使用由中國西安力創(chuàng)計量儀器有限公司研發(fā)并生產(chǎn)的動三軸儀，型號為W3ZB-20型土動三軸試驗機。對所取各樣本進行烘干、降至室溫后噴灑蒸餾，調(diào)配含水率為現(xiàn)場取樣時樣品的含水率，靜置12 h后采用烘干稱重法進行不少于2個測點的含水率測量，使制作樣本含水率與現(xiàn)場樣品含水率相差1%以內(nèi)。采用壓樣法對樣品進行制備，確保樣本密實度與原狀土相符。

表 3 標貫樣本參數(shù)表

本試驗采用固結(jié)不排水試驗：設(shè)定試驗固結(jié)比Kc=1.0，這樣可保證砂土是在均等固結(jié)壓力下進行的，可以準確地模擬自由場地下飽和砂土液化的發(fā)生。固結(jié)時間為120 min，振動方式在應(yīng)力控制下選擇豎向正弦波振動，試驗圍壓σ3=50 kPa。本試驗取密實度為50%、52%、54%、56%以及58%的砂土試樣5組，每組5個樣品，對每組樣品取不同動應(yīng)力做砂土液化試驗。為防止人為或儀器造成誤差，同一應(yīng)力條件準備同等固結(jié)條件的3個砂土試樣，取3個結(jié)果的均值作為對應(yīng)的試驗結(jié)果，以保證其準確性。若其中2個結(jié)果循環(huán)振次差值大于10%，則重新進行試驗。

對液化的判別標準較多，其中應(yīng)用較多的是循環(huán)荷載作用下飽和砂土的軸向應(yīng)變值達到某一特定的極限值時所對應(yīng)的初始循環(huán)動應(yīng)力值和循環(huán)振動次數(shù)[13]。結(jié)合試驗情況，本文將采用剪應(yīng)變幅為±7%作為砂土的破壞標準。

3 物性變化與液化結(jié)果一致性分析

3.1 試驗現(xiàn)象分析

軸向動荷載、小變形、以及孔隙水壓的時間變化曲線（圖1）大致可分為3個階段：初期變化階段、中期穩(wěn)定階段和末期加速階段。動三軸試驗初期，施加等幅正弦波，振動頻率為1 Hz 時，孔隙水壓出現(xiàn)明顯變化，但是小變形不明顯。在施加動荷載1 min后達到中期穩(wěn)定階段，表現(xiàn)為孔隙水壓緩慢上升，試樣小變形出現(xiàn)微小變化，此過程持續(xù)6～8 min。最后加速階段，開始于試樣變形突然加快，隨循環(huán)載荷周期性變化且波幅成倍增加，與此同時孔隙水壓波幅也明顯增大。除此之外，施加的循環(huán)應(yīng)力在周期及振幅上表現(xiàn)不對稱，表明試樣固結(jié)等壓環(huán)境失衡，試樣趨于液化。

圖 1 砂土試樣時程曲線（以Dr為50%與58%為例）

小變形及孔隙水壓變化趨勢的3個階段反映在砂土液化的內(nèi)部機理：在初始施加振動載荷時，砂土顆粒之間固結(jié)力逐漸被破壞，顆粒有向內(nèi)聚積的趨勢；向中心聚積的過程中，孔隙水壓顆粒擠壓逐漸增高，而顆粒聚積趨勢只發(fā)生微小變化，甚至不發(fā)生變化。孔隙水壓在隨循環(huán)載荷穩(wěn)定周期性上升中達到一臨界值，該臨界值取決于砂土本身的物性特征。該臨界值的主要內(nèi)部特點不再是顆粒聚積發(fā)生微小變化，而是隨著循環(huán)載荷的周期變化顆粒以某一中點來回做大振幅運動，同時孔隙水壓也開始加快上升。初始固結(jié)應(yīng)力是約束土體保持穩(wěn)定性的約束力，一旦孔隙水壓大于等于初始固結(jié)應(yīng)力，土體將失去承載力。隨著動載荷的持續(xù)，加快上升的孔隙水壓達到初始固結(jié)應(yīng)力等效值時，判定為砂土發(fā)生液化。砂土液化的宏觀表現(xiàn)為不再具備承受外部載荷的能力，呈近流體狀隨外部壓力發(fā)生變形、流動；微觀表現(xiàn)為砂土顆粒在高孔隙水壓中處于游離狀態(tài)，懸浮于孔隙水之中。該內(nèi)部機理在等效應(yīng)力原理解釋的砂土液化中也有印證[20]。

對不同密實度的時程曲線比較中發(fā)現(xiàn)，密實度是導(dǎo)致砂土液化關(guān)鍵性因素。隨著密實度的降低，砂土抗液化性明顯降低，臨界振動次數(shù)也越小。再者，通過小變形以及孔隙壓力振幅對比，密實度越低，小變形以及孔隙壓力振幅越大。這種振幅的差異應(yīng)該與樣品之間存在粘結(jié)力區(qū)別有關(guān)。

圖2以密實度50%、54%、58%三組試樣進行對比，分析其軸向應(yīng)變、孔壓比與循環(huán)振動次數(shù)關(guān)系。隨著循環(huán)次數(shù)增加，軸向應(yīng)變與孔壓比基本處于同步上升趨勢。但是兩者上升過程略有差別：砂土試樣變幅隨著振次的增大，增度越來越快；而孔壓比在振次的逐漸增加的過程中，分為3個階段，即急速增加階段、緩慢上升階段以及加速增長階段。這與孔隙壓力的時程曲線吻合。在0～3振次，孔壓比均經(jīng)歷了一、二2個階段，密實度對這兩階段影響不顯著。振次超過3次后，孔壓比開始進入第三階段。此時，密實度對孔壓比的影響開始顯著，Dr越小，孔壓比上升越快。但在Dr≥55%之后，密實度對孔壓比的影響又開始減弱。

圖 2 軸向應(yīng)變、孔壓比與循環(huán)振次關(guān)系曲線

3.2 液化結(jié)果一致性分析

運用動三軸試驗判別砂土液化的主要原理是比較試驗計算得出的抗液化剪應(yīng)力與地震剪應(yīng)力的大小，當＜時，判定砂土液化[21]。

判別砂土液化的地震剪應(yīng)力采用的是等效循環(huán)均勻地震剪應(yīng)力，可用公式表示為:

對同一密實度試樣施加不同動載荷，試樣達到液化條件時有唯一對應(yīng)循環(huán)振次。根據(jù)試驗結(jié)果可形成關(guān)系曲線，再由震級對應(yīng)的等效循環(huán)振次找出對應(yīng)的抗液化應(yīng)力比，使用公式（3）求得抗液化剪應(yīng)力：

表 4 深度修正系數(shù)

表 5 動三軸試驗液化判別結(jié)果

為對比2種試驗方法液化邊界的差異性，將各液化樣品的實測標貫（抗液化剪應(yīng)力）值與臨界標貫（地震剪應(yīng)力）值進行歸一化處理，計算出安全系數(shù)（圖3）?？傮w上動三軸試驗相較于標貫試驗具有較低的液化比，反映動三軸試驗具有較窄的液化邊界。

為進一步確定二者液化邊界范圍，在該區(qū)再選取20個樣品進行分析。這些樣品明確其密實度、含水率、標貫擊數(shù)等參數(shù)，以便樣品參數(shù)還原和比較。所選樣品均屬于標貫試驗非液化樣品，且樣品實測標貫擊數(shù)稍微略高于臨界液化值。通過進一步試驗比對，所選的15個樣品中最終液化結(jié)果有5個樣品為液化（表6）。

表 6 標貫試驗與動三軸試驗結(jié)果對比

試驗結(jié)果中，標貫試驗非液化樣品在動三軸試驗中判別為液化的比例為33.3%。通過比較實測擊數(shù)和臨界擊數(shù)發(fā)現(xiàn)，并不是二者越接近動三軸試驗的判別結(jié)果越趨近于液化。所以，有其他因素影響動三軸試驗的判別結(jié)果。

4 結(jié)語

通過對廢黃河區(qū)域某段砂土進行標準貫入試驗以及樣本采集分析，同時運用動三軸室內(nèi)試驗法分析不同密實度下砂土液化結(jié)果，并對二者實驗結(jié)果進行了分析和比較。

圖 3 液化結(jié)果安全系數(shù)對比

1）根據(jù)小變形、孔隙水壓在軸向循環(huán)動荷載作用下的變化，可將砂土液化過程分為3個階段：初期變化階段、中期穩(wěn)定階段和末期加速階段。進一步分析顯示，砂土液化內(nèi)部機理的動態(tài)變化與試驗現(xiàn)象的3個階段一一對應(yīng)。

2）密實度對砂土液化有關(guān)鍵性作用。密實度不僅與砂土的抗液化性呈正相關(guān)，而且在動三軸試驗過程對小變形和孔隙水壓同樣有影響；通過小變形以及孔隙壓力振幅對比，密實度越低，小變形以及孔隙壓力振幅越大，這種振幅的差異應(yīng)該與樣品之間存在粘結(jié)力區(qū)別有關(guān)。

3）通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，動三軸試驗相較于標準貫入試驗有更窄的液化邊界。對液化樣本的實測貫入值和實測循環(huán)振次值進行歸一化處理以及對標貫試驗非液化樣本的動三軸試驗發(fā)現(xiàn)，動三軸液化試驗液化標準更為嚴格。