地震作用下土的液化机理及其表现形式

地震作用下土的液化机理及其现形式 第26卷第6期 2006年12月 辽宁工学院 JournalofLiaoningInstituteofTechnology Vo1.26,No.6 Dec.20o6 地震作用下土的液化机理及其表现形式 李勇军,王英红2 (1.辽宁工学院后勤集团,辽宁锦州121001:2.辽宁工学院信息科学与学院,辽 宁锦州121001) 摘要:阐述了地震液化的三种表现形式砂沸,流滑和循环活动性的表现形式,作用 机理和触发条件.着重 以唯象的方法研究了在地震作用下砂沸发生的应力条件并对其应力演进过程进 行了研究.研究表明,无论那种液 化形式其最终状态都是一样的,即三种液化机理的本质是一致的. 关键词:液化;砂沸;流滑;循环活动性 中图分类号:TU435文献标识码:A文章编号:1005.1090(2006)06-0383-03 MechanicsTheoryonSoftLiquefactionand CorrespondingBehaviorsduetoEarthquake LIYong~un,WANGYmg—hong2 (1.LogisticsGroup,LiacuingInstituteofTechnology,Jinzhou121001,China; 2.InformationScience&EngineeringCollege,LiaoningInstituteofTechnology,Jinzh ou121001.aliIm) Keywords:liquation;sandboil;flowslide;cycficmobility' Abstract:Thebehaviorpropertiesandcorrespondingmechanicsofthethreemodesofliquefa ction duetoearthquake,wasstated,namelysandboil,flowslideandcyclicmobilitydetailedly.Stre ss conditionandstresspathforsandboilweretheoreticallystudiedespeciallythroughsettingan example. Thestudyexpatiatedthatfinals缸 ItesandintrinsicessenceofthethreemodesduetOearthquakeare identicalandcoincident. 液化的概念是在人类生活和实践中对土体突 然丧失承载能力和强度,并发生流动的现象中产生 的.土的液化是指土由固态转化为液态的一种物质 状态的转变.液态与固态的主要区别是:液体不能 抗剪:不能维持自身的形状;有流动性;有浮力; 内摩擦角为零;有粘滞性等.这些特点在土液化时 都有.由于液化后土的强度极大的降低而变成可流 动的物质,因而经常给工程带来严重后果.地震, 机械振动,打桩,爆破等都可能导致液化,而以地 震引起的大面积液化危害最大. 一 般认为任何土体在循环剪力作用下都有增 密趋势,在增密过程中若土体中含有足够的水且短 期内排不出去,则将引起孔隙水压力的增高,这部 分水压力有时称为超静水压力U.当U增大到等于 收稿日期:2006-06-20 作者简介:李勇军(1968一),男,河南卫辉人,工程师. 上附有效应力时,土将失去承载力,此即液化Il】. 导致无粘性土或少粘性土(C0)发生液化 的机理一般认为主要有三种即砂沸,流滑和循环活 动性,下面逐一进行阐述. 1砂沸(sandboil) 砂沸是渗透压力引起的"渗透不稳定现象, 渗透压力与土中的孔隙水压力水头场的分布有关, 水头场的变化是非动力作用的渗流场改变(例如地 下水位上升)或动力作用(例如地震)引起的间接或 直接孔隙水压力上升造成的.当饱和砂的孔隙水压 力由于水头变化而上升到等于或超过它的上覆压 力时,该饱和砂就会发生上浮或"沸腾",并且全 部丧失承载能力.这个过程与砂的相对密度和应变 384辽宁工学院第26卷 ' 而主要由渗透压力控制,往往是渐进发2流滑(tlo…slide) IW生的【一.L月u 图1是笔者绘制的砂沸的应力演变过程三维示 意图,其中为初始有效侧压力系数,介于 (1-sin9')/(1+sin9')和(1+sin,)/(1-sin~') 之间,为中间状态有效侧压力系数, zo=z==删Z. 图l砂沸过程中应力状态演变 由此图可知,当接近于删Z时,则将出现 最终应力状态(c),所以符合液化条件,此时土体 中向上渗流的水力梯度是 f=?",,(z)—?,=f(1) 其中0为临界水力梯度,当深度z以上为两层以上 不同性质的砂层时,深度z处砂层上浮的条件是 J==+TwZ(2a) 或 fdZ=(2b) 土体任一中间状态的应力可用式(3),(4)表示: p=p一=去(z++)一=去(+)= 丢(1+)=丢(一)(1+,)(3) q=cry(1一)=(:一)(1一)(4) 令=: 善,笔者,留表示的砂沸过程应力路径如图2所示,其中 =arctank,(1,0(1+2g'), a7.(1一,))为初始 点. 0H0H'0P 图2砂沸的应力路径 在各种液化形式中,流滑危害最为严重.对流 滑的研究目前已比较深入J,Casagrande提出在固 结不排水三轴试验中采用轴向"死荷增量" (dead.1oadincrements)的加载方法,其试验结果如图 3所示.各试件在围压=4X98kPa下固结,之 后逐步加载.其中"A"线经过15rain的逐次死荷 加载到=1%,轴向应力差为=—cr3=2× 98kPa,在下一微小死荷增量加载时即突然液化, 在0.2s内由1%增加到18%,轴向应力差骤降至 =0.3×98kPa,此时超静水压力猛增至 Au=3.85×98kPa,有效围压降至3,=0.15X98 kPa.Casagrande认为此时土体具有"流动结构",流 动时的有效内摩擦角计算如下 一'[]= 10..30+2×o.15)Iin-10.5=30*(5) 此值与图中相同相对密度试件的排水三轴试 验"D"线的斜率很接近.另外,"B"线表现为"有 限液化",而"C"线则表现为"剪胀". Casagrande用试验,上述现象也可发生在 不等压固结(有初始剪应力!>0)"死荷增 2 量"加载和循环加载的不排水三轴试验中,如图3 所示.其中=4×98kPa,=2a;o, D=30%.结果表明,液化时在0.2s内,应变猛 增到大于20%. .B—— Ill?Illl \ 05l0l5 e'}% 图3等压固结(不)排水"死荷增量三轴实验 (Casagrande,1979) 流滑的机理可叙述如下:饱和松砂的颗粒骨架 在单程剪切作用下呈现出不可逆的体积压缩,在不 排水条件下引起孔隙水压力增大和有效应力减小, 最后导致流动变形.流滑发生后土体仍存在一定的 有效法向应力和残余抗剪强度. . . g 第6期李勇军等:地震作用下土的液化机理及其表现形式 通过研究具有不同初始应力状态(等压或不等一 压固结)通过不同应力途径(单程加载或循环加载)卜__——十———h—!—_== 产生的流滑现象,从其在流滑时的状态看,有效法.F==千====1 向应力G3f和抗剪强度,仅与砂土的孔隙比有关.F—————;38ld十— 从应力路径看,饱和松砂无论有无初始剪应力,也——言————亩——— 无论是在单程或循环应力作用下,发生流滑时都满M次 (Casagrande,1979) 3循环活动性(cyclicmobility) 在固结不排水循环三轴,循环单剪或循环扭剪 试验中,当饱和无(少)粘性土的相对密度较大(中 密以上)时,可以看到仅在某些时刻满足=, 如图5,6所示,Casagrande称这种仅在静水压 力的瞬间才能出现fj=f,的现象称为"循环液 化",即"循环活动性".由以上分析可以看出,仅 在循环后期某些瞬间才满足液化应力条件,并且一 定在强度包线之内,即在极限平衡条件之内. 循环活动性的机理可以概括如下:土体前期累 积剪缩(孔隙水压力上升)和后期的加载剪胀和卸 载剪缩交替作用的结果.正如CasQgrande所说的那 样,试件中的相对密度和含水量在不排水循环剪切 作用下会有较大的重分布和不均匀性,从宏观看 来,可认为与试件在循环作用下的剪缩与剪胀交替 变化有关,从而形成了间歇性瞬态液化和有限度断 续变形的格局.对于只有剪缩而无剪胀的松砂,不 会出现循环活动性. Sacramento砂o~=38kPa! eo--O.71,D~78%一.t8I 一.??^^^^儿JI1.n '.V1【'lfVV1fU.c.. 口=.00lU-ii . I?一 ^次 一^_n /【_l-^I一, ?n???? . .r1广r^^,\/,1IIV工Ud.7x98kPa f\『\JV1f.'-0.7x98kPa .....1... O51O152o3O M次 图5饱和密砂循环三轴实验 (Seed,l966) 4结论 本文对液化韵三种表现形式进行了探讨,尤其 对三种表现形式的机理和触发条件进行了研究.研 究表明无论那种液化形式其最终状态即变为液态 都是一样的,也即三种液化机理的本质是一致的. 该文的结论对于正确认识液化现象和防震减灾具 有理论和现实意义. 参考文献: 【l】H.Bolton'Seed.SoilProblemsandSoilBehavior. EarttIqlIakeEngineering.PrenticeHaII【q.INC,1970. 【2】汪闻韶.土工抗震研究进展【J】.岩土工程.1998(2): 137—145. 【3】李顺群,栾茂田,丁威,等.地震液化的突变模型研究 【J】.工程力学,2005,22(2):137—143. 【4】GuWH.ProgressivefailureofSanFemandodamof Geotech.Engrg[C】.Div.,ASCE,1993,119(GT2). 【5】CastroGpoulosJ,Ft0rsaff~tingliquefactionandcyclic mobility[J].Jr.oftheGeotech.Engrg.Div.,ASa巳'1977, 103(GT6). 【6】PoulosSJ'CasUDGandFranceJWliquefaction evaluationprocedure~.Jr.oftheGeotech.Engrg.Div., ASCE,1985,lll(GT6). 【7】KramerSL'SeedHB.Initiationofsoftliquefactionunder staticloading~.Jr.oftheGeotech.1l鹏Ig.Div.,ASCE, 1988,114(4). 【8】SeedHB.EvaluationofSonLiquefactionEffectsonLevel GroundDuringEarthquake.LiquetactionProblemsin GeotechnicalEngineering[C】.ASCENationalConvention. September27~Octoberl.1976:l一104. 编校:孙林