饱和非纯净砂土液化特性研究进展

杨永香，贾景超，黄志全

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

饱和非纯净砂土液化特性研究进展

杨永香，贾景超，黄志全

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

总结了国内外关于饱和土体液化现象几个热点问题的研究现状，详细归纳了国内外对均匀纯净砂土的宏细观机理以及细粒含量和细粒夹层对饱和砂土液化特性影响的研究成果，并对饱和砂土液化现象的研究方向做了展望.

饱和砂土;细粒含量;细粒夹层;液化

20世纪60年代以来，世界范围内地震活动频繁，发生在国内外有影响的几次强震均引起了严重的土体液化灾害，如1964年美国阿拉斯加8.4级地震、日本新泻7.8级地震、1976年河北唐山7.8级地震、1989年美国加州洛马普里埃塔7.1级地震、1995年日本阪神7.2级地震、1999年台湾集集7.3级地震、2008年四川汶川8.0级地震以及2010年海地7.3级地震.研究资料表明，约有50%的地基震害起因于地基土的液化及伴随而来的地基变形.可见，饱和土层液化是导致大规模地基失稳、建筑物/构筑物坍塌和城市生命线破坏的主要原因.目前有关砂土液化问题的研究，已受到世界性的广泛关注，国内外学者已就均匀纯净砂在液化影响因素、液化宏观机理与判别方法、液化动力反应分析、液化后大变形等方面取得了丰硕的成果［1］.

事实上，自然界中纯净砂并不多见，地基土液化是地震引发的主要次生灾害之一，主要发生在含细粒的砂性土或是砂质粉土等砂粉混合物以及松散的砂质水力回填土区、海岸线附近地区自然沉积的冲积层和河漫滩或冲积平原上具有一定分选性的层状结构土层，这种含细粒的砂性土或是砂质粉土等砂粉混合物和具有层状结构的砂土层有别于纯净砂的力学特性.国外学者Youd和Perkins的研究结果表明:饱和松散的水力冲填土差不多总会液化，而且全新世的无黏性土沉积层对液化也很敏感，这一结论已被1978年日本的两次大地震以及1977年罗马尼亚地震所证实.最近的研究资料也表明，渗透性相对较小的粉粒夹层的存在会对砂土液化及液化后特性产生明显的影响［2－3］.

鉴于此，笔者主要从细粒含量和细粒夹层对饱和土体液化强度特性影响的角度归纳和总结目前国内外的研究现状，并提出今后可能的发展方向.

1 饱和砂土液化特性的研究现状

各国的科研工作者对土体地震失稳破坏的原因及其机理、土体的动力特性及饱和砂土液化等问题展开了广泛研究，在土体的动力本构关系、饱和砂土液化、原位测试技术、室内试验技术、土与结构动力相互作用以及土动力数值分析方法等方面取得了大量的研究成果.近30年来随着细观力学、计算力学及实验力学的迅速发展，人们开始从细观的角度研究砂土液化问题，下面主要从室内试验和数值模拟分析方面进行不同程度的归纳.

Desai等［4］首先提出了基于材料变形破坏的微观结构特征，并将其应用到砂土的液化破坏机理上.Matsuoka和Geta［5］较早地从砂土的细观组构变化出发提出了一个适用于饱和砂土液化分析的细观本构模型，该模型以颗粒间接触角、摩擦角和接触力为组构参量，得到了宏观应变与细观组构之间的函数关系，较好地模拟了循环加荷条件下饱和砂土的剪胀和各向异性等特性.Nemat-Nasser和 Takahashi［6］在室内动单剪试验的基础上，分析了制样引起的初始组构各向异性对饱和砂土液化特性的影响以及加荷过程中组构各向异性的演化规律.Ibrahim和Kagawa［7］利用切片技术研究了在不同制样方法下砂样颗粒定向与局部孔隙的分布规律，分析了砂土组构对振动液化特性的影响.沈珠江［8］在砂土细观组构张量研究的基础上提出了一个用于砂土液化分析的散粒体模型，该模型能够模拟循环荷载作用下孔压累积、残余变形以及应力Lode角和主应力轴旋转条件下的液化现象.Ishibashi和Capar［9］在分析室内动三轴试验结果的基础上建立了组构各向异性与砂土抗液化强度之间的定量关系.Motoharu等［10］基于孔隙率与土的电阻率之间的关系，提出了一种研究土体液化过程中土体结构变化规律的可视化技术.周健等［11－12］基于数字图像技术，解决了砂土细观组构参数的量测和分析技术，探讨了饱和砂土在振动液化过程中细观组构的演化规律.

以往采用连续介质力学的方法进行饱和均匀砂土液化的数值分析，在研究砂土液化过程中颗粒细观组构演化以及考虑颗粒－流体相互作用时存在明显的局限性.Ng和Dobry［13］利用离散单元法模拟了循环荷载作用下饱和砂土的液化特性，较好地再现了室内液化试验中孔压累积、刚度衰退、初始液化、相转换等典型液化现象，并且能够反映初始密度对饱和砂土抗液化强度的影响.Sitharam［14］对饱和砂土的振动液化现象进行了离散元数值模拟，在分析了宏观液化响应的同时，研究了平均配位数、接触法向分布、粒间接触力等细观组构演化规律.国内关于砂土液化细观机理研究方面也开展了较多工作.周健等［15］对砂土液化动三轴试验进行了颗粒流细观数值模拟，从细观组构的变化规律出发初步解释了砂土液化的发生机理.然而，以上数值模拟均是针对均匀纯净颗粒试样进行的，没有考虑固体颗粒与水的耦合作用，也没有涉及到具有层状结构非纯净砂土的液化宏细观机理研究.

2 细粒含量对饱和砂土液化特性的影响

有别于过去采用粒径较大的标准砂进行的饱和砂土液化试验研究，具有不同粉粒和黏粒含量的粉砂、粉土的液化特性也成为研究热点.关于粉粒和黏粒等细颗粒对砂土液化性能的影响已有不少学者做了不同程度的研究.

关于细粒含量对砂土液化能力的影响，Chang［16］，Dezfulian［17］，Amini和 Qi等［18］认为细粒含量的增加会提高饱和砂土的抗液化能力.Seed等［19］认为在相同的归一化SPT击数下，随着细粒含量的增加，土体抗液化强度增大.而 Finn［20］，Lade 和Yamamuro［21］，Kuerbis［22］，Vaid［23］，Naeini［24］，Sadek 和Saleh等［25］通过研究认为细粒含量的增加会降低饱和砂土的抗液化能力，含粉粒的砂土较纯砂更易液化，其变形特性和孔压发展模式不同于纯砂.Sandoval［26］提出塑性指数为2% ～4%时，随着塑性指数的增加饱和砂土的抗液化强度降低.Guo和Prakash［27］得出塑性指数为4% ～10%时饱和砂土的动强度最低.Bouckovalas等［28］认为细粒含量(小于30%的情况下)对抗液化强度的影响与初始围压p0有关，当p0低于60 kPa时，饱和砂土的抗液化强度随细粒含量的增加而提高;当p0高于60 kPa时，饱和砂土的抗液化强度随细粒含量的增加而降低.Polito和 Martin［29］认为在孔隙比一定的情况下，含细颗粒砂土的抗液化强度随着细粒含量的增加先降低，细粒含量增加到一定值后又逐渐增大，使其抗液化强度最低的细粒含量约为37% ～50%.Xenaki和Athanasopoulos［30］指出在一定孔隙比情况下，使得饱和土抗液化强度最低的细粒含量为44%.Troncoso［31］比较了不同细粒含量砂土的液化强度，所有土样的孔隙比均控制在0.9左右，结果表明，细粒含量在0%～30%的范围内变化时，随着细粒含量的增加其液化强度逐渐降低.Koester［32］用具有不同细颗粒含量的重塑砂土进行了液化试验，试验结果表明，当细颗粒含量为24%～30%时，饱和砂土的动强度最低.Yamamuro 和 Covert［33］基于动三轴试验研究指出高粉质砂比低粉质砂的体积收缩性更强.Thevanayagam等［34］的研究表明，粉砂与纯砂的物理特性有较大差别，主要是由于微结构的改变引起的，但这种改变只有当粉粒含量超过一定值后才会发生作用.Dash和Sitharam［35］通过不同控制条件下的动三轴试验研究了细粒含量对超孔隙水压力的影响，发现在常孔隙比情况下存在一个临界细粒含量使得土样抗液化强度最低.在国内，吴建平和吴世明［36］研究了黏粒含量小于10%的砂土的动力特性，其抗液化强度随黏粒含量的增加而降低.衡朝阳等［37］对含黏粒砂土液化特性的研究表明，动剪应力比与黏粒含量呈下凹抛物线型变化，使其抗液化强度最低的黏粒含量为8.5% ～9.5%.李立云等［38］对粉土的振动液化试验研究表明，黏粒含量为9%时，粉土的抗液化强度最低，并从细观角度解释了黏粒含量的作用机理.而张超和杨春和［39］对尾矿砂液化特性的研究发现，动剪应力比与细粒含量呈上凸抛物线型变化，当细颗粒含量为35%时，其抗液化强度最高.

3 细粒夹层对饱和砂土液化特性的影响

液化现象的发生主要受土的物理性质、受力状态和边界条件制约，存在许多影响因素，例如土的密度、结构性、饱和度、级配、透水性能以及初始应力状态和动荷载特征等.在液化现象尚未被深入认识的早期阶段，人们认为在试验室内似乎只需要控制密度、饱和度、固结压力等就足以模拟现场土单元的实际情况.但是，愈来愈多的宏观现象和试验研究表明，由于土的沉积环境不同而导致土的结构性差异，对土的抗液化能力的影响并不亚于密度、固结压力等因素.目前国内外对具有特殊结构性的粉砂互层土的研究较少.对于层状砂土影响的研究目前还处在初步阶段，更多的观点认为分层结构对土体强度有明显的影响，其性质更接近于原状土.

Yoshimi等［40］认为非扰动样较重塑样的抗液化强度高.主要是由于这两种不同土的结构性，如不同颗粒尺寸的形成方式及土样的层状结构.Baziar和Dobry［41］认为层状重塑样的稳态线相对于均匀重塑样更接近于原状样.Pradhan［42］认为黏土夹层对砂土层的液化强度影响不大.Amini和Qi［18］根据对两种不同制样方法所得的层状砂和均匀砂的动三轴试验研究，认为二者抗液化能力没有明显差别.Yoshimine和Koike［43］的试验结果却表明，具有层状结构的层状砂土抗液化能力较均匀砂土强.Fiegel和Kutter［44］利用离心机试验研究了上面由粉砂、下面由细砂构成的层状砂土的宏观液化机理，发现在两层土交界面处有一水膜或非常松散的区域出现，并且在试验过程中，可以看到粉土表面有砂沸现象发生，这与 Liu和 Qiao［45］的研究结果相一致.Kukusho和Kojima［46］通过一维液化试验分析了液化时在不同渗透性两层土交界面处水膜产生的宏观机理.陈国兴等［47］认为当固结压力为100 kPa时，南京粉质黏土与粉砂互层土比南京粉细砂的液化剪应力比高得多，而当固结压力为200 kPa时，两种土的液化剪应力比相当接近.贾永刚等［48］针对4种隔水夹层与透水夹层的组合情况，研究隔水夹层与透水夹层的存在对循环荷载作用下黄河口粉质海床土液化过程的影响，发现其液化性能因夹层结构的不同而不同，有透水夹层时，相对提高了粉土的抗液化性能，隔水夹层则相反.Ozener等［49］通过振动台试验，指出粉粒夹层对层状砂土的液化特性有很大影响.

4 结语

纵观国内外对饱和砂土液化特性的研究，无论是试验研究还是理论分析大多是基于相对均匀砂层液化宏观现象的力学描述和数学建模，而直接针对细粒含量和细粒夹层对饱和砂土液化特性影响的研究成果还很少，特别是缺乏细粒含量和细粒夹层对饱和砂土液化特性影响的细观力学机理进行深入、系统的研究.在数值模拟分析方面，近年来基于离散元理论对砂土液化问题的研究有一定进展，但关于细粒含量和细粒夹层对饱和砂土液化特性的影响鲜有成果出现.因此，对于饱和砂土液化特性宏细观机理研究的方向，大致有以下几个方面.

1)对均匀纯净砂液化特性的研究在宏观层面上取得了较大进展，在细观机理上也进行了一定的研究，但主要还局限于定性研究，对液化形成的机理研究还处于初期阶段，应加强探索砂土液化现象形成的细观原因，即液化现象怎样发生的问题.

2)以往研究成果表明细粒含量对饱和砂土液化特性有重要影响，但目前关于细粒含量对饱和砂土液化特性影响的研究还局限于宏观表现方面，尚未深入到细观层次上.

3)国内外学者的研究结果表明，饱和松散的水力冲填土差不多总会液化，渗透性相对较小的细粒夹层的存在对层状砂土的液化特性产生明显影响，对于层状砂土影响的研究目前还处在初步阶段，且多停留在宏观表现方面，对饱和层状砂土液化细观力学机理研究尤其缺乏，应进一步系统地研究.

4)目前，对饱和砂土液化特性的数值模拟研究主要针对均匀纯净干砂试样进行，没有涉及到含细粒夹层的层状土液化细观机理的研究.而且，在目前的数值分析中，超孔隙水压力是通过确保加荷过程中试样体积不变间接得到，这一模拟方法不能得到液化过程中孔隙流体的运动规律以及固液二相的相互作用，今后的研究应考虑固体颗粒与水的耦合作用.

［1］Ishihara K.Liquefaction and flow failure during earthquake［J］.Geotechnique，1993，43(3):351 －415.

［2］Finn W D L.Liquefaction potential:developments since 1976［C］∥Proceedings of the 1st International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics.Missouri:［s.n.］，1981:655 －681.

［3］Hardin B O，Kalinski M E.Estimating the shear modulus of gravelly soils［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2005，131(7):867 －875.

［4］Desai C S，Park I J，Shao C.Fundamental yet simplified model for liquefaction instability［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1998(22):721－748.

［5］Matsuoka H，Geta.A stress-strain model for granular materials considering mechanism of fabric change［J］.Soils and Foundations，1983，23(2):102 －110.

［6］Nemat-Nasser S，Takahashi K.Liquefaction and fabric of sand［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1984，110(9):1291 －1316.

［7］Ibrahim A A，Kagawa T.Microscopic measurement of sand fabric from cyclic tests causing liquefaction［J］.Geotechnical Testing Journal，1991，14(4):371 －382.

［8］沈珠江.砂土液化分析的散粒体模型(英文)［J］.岩土工程学报，1999，21(6):742 －748.

［9］Ishibashi I，Capar O F.Anisotropy and its relation to liquefaction resistance of granular material［J］.Soils and Foundations，2003，43(5):149 －159.

［10］Motoharu J，Selcuk T，Sunao K.Visualization technique for liquefaction process in chamber experiments by using electrical resistivity monitoring［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2007，27(3):191 －199.

［11］周健，余荣传，贾敏才.基于数字图像技术的砂土模型试验细观结构参数测量［J］.岩土工程学报，2006，28(12):2047－2052.

［12］周健，杨永香，刘洋.饱和砂土液化过程中细观组构的模型试验研究［J］.同济大学学报:自然科学版，2009，37(4):466－470.

［13］Ng T T，Dobry R.Numerical simulation of monotonic and cyclic loading of granular soil［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE.1994，120(2):388 －403.

［14］Sitharam T G.Discrete element modeling of cyclic behavior of granular materials［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2003，21(4):297 －329.

［15］周健，杨永香，刘洋，等.循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟［J］.岩土力学，2009，30(4):1083－1088.

［16］Chang N Y，Yeh S T，Kaufman L P.Liquefaction potential of clean and silty sands［C］∥Proceedings of the Third International Earthquake Microzonation Conference.Seattle:［s.n.］，1982:1017 －1032.

［17］Dezfulian H.Effects of silt content on dynamic properties of sandy silts［C］∥Proceedings of the Eighth World Conference on Earthquake Engineering.San Francisco:Prentice Hall，1984:63 －70.

［18］Amini F，Qi G Z.Liquefaction testing of stratified silty sands［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2000，126(3):208 －217.

［19］Seed H B，Tokimatsu K，Harder L F，et al.The influence of SPT procedures in soil liquefaction resistance evaluations［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1985，111(12):1425 －1445.

［20］Finn W D L，Ledbetter R H，Wu G X.Liquefaction in silty soils:Design and analysis［C］∥Proceedings of Ground Failures under Seismic Conditions.New York:Geotechnical Special Publication，1994:51 －76.

［21］Lade P V，Yamamuro J A.Effects of nonplastic fines on static liquefaction of sands［J］.Canadian Geotechnical Journal，1997，34(6):918 － 928.

［22］Kuerbis R，Nequssey D，Vaid Y P.Effect of gradation and fines content on the undrained response of sand［M］∥Geotechnical Special Publication:Hydraulic Fill Structures.Reston，Virginia:American Society of Civil Engineers，1988:330 －345.

［23］Vaid Y P.Liquefaction of silty soils［C］∥Proceedings of Ground Failures under Seismic Conditions，ASCE.New York:Geotechnical Special Publication，1994:1 －16.

［24］Naeini S A，Baziar M H.Effect of fines content on steadystate strength of mixed and layered samples of a sand［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2004，24(3):181－187.

［25］Sadek S，Saleh M.The effect of carbonaceous fines on the cyclic resistance of poorly graded sands［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2007，25(2):257 －264.

［26］Sandoval J.Liquefaction and settlement characteristics of silty soils［D］.Missouri:University of Missouri-Rollo，Mo，1989.

［27］Guo T Q，Prakash S.Liquefaction of silts and silt-clay mixtures［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1999，125(8):706－710.

［28］Bouckovalas G D，Andrianopoulos K I，Papadimitriou A G.A critical state interpretation for the cyclic liquefaction resistance of silty sands［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2003，23:115 －125.

［29］Polito C P，Martin＇II J R.Effects of nonplastic fines on the liquefaction resistance of sands［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2001，127(5):408－415.

［30］Xenaki V C，Athanasopoulos G A.Liquefaction resistance of sand-silt mixtures:an experimental investigation of the effect of fines［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2003，23:183 －194.

［31］Troncoso J H.Failure risks of abandoned tailings dams［C］∥Proceedings of International Symposium on Safety and Rehabilitation of Tailings Dams.Sydney:International Commission on Large Dams，Australian National Committee on Large Dams，1990:82 －89.

［32］Koester J P.The influence of fines type and content on cyclic strength［C］∥Proceedings of Ground Failures under Seismic Conditions.New York:Geotechnical Special Publication，1994:17 －33.

［33］Yamamuro J A，Covert K M.Monotonic and cyclic liquefaction of very loose sands with high silt content［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2001，127(4):314 －324.

［34］Thevanayagam S.Effect of fines and confining stress on steady state strength of silty sands［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，1998，124(6):479－491.

［35］Dash H K，Sitharam T G.Undrained cyclic pore pressure response of sand-silt mixtures:effect of nonplastic fines and other parameters［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2009(27):501 －517.

［36］吴建平，吴世明.重塑含粘粒砂土的动模量和液化势［J］.浙江大学学报，1988，22(6):13 －19.

［37］衡朝阳，何满潮，裘以惠.含粘粒砂土抗液化性能的试验研究［J］.工程地质学报，2001，9(4):339 －344.

［38］李立云，崔杰，景立平，等.饱和粉土振动液化分析［J］.岩土力学，2005，26(10):1663 －1666.

［39］张超，杨春和.细粒含量对尾矿材料液化特性的影响［J］.岩土力学，2006，27(7):1133 －1137，1142.

［40］Yoshimi Y，Tokimatsu K，Hosaka Y.Evaluation of liquefaction resistance of clean sands based on high-quality undisturbed samples［J］.Soils and Foundations，1989，29(1):93－104.

［41］Baziar M H，Dobry R.Residual strength and large-deformation potential of loose silty sands［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1995，121(12):896－906.

［42］Pradhan T B S.Liquefaction behavior of sandy soil sandwiched by clay layers［C］∥Proceedings of the Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference.Honolulu:The International Society of Offshore and Polar Engineers，1997:676 －682.

［43］Yoshimine M，Koike R.Liquefaction of clean sand with stratified structure due to segregation of particle size［J］.Soils and Foundations，2005，45(4):89 －98.

［44］Fiegel G L，Kutter B L.Liquefaction mechanism for layered soils［J］.Journal of Geotechnical，ASCE，1994，120(4):737－755.

［45］Liu H，Qiao T.Liquefaction potential of saturated sand deposits underlying foundation of structure［C］∥Proceedings of 8th World Conference on Earthquake Engineering.San Francisco:［s.n.］，1984:199 －206.

［46］Kokusho T，Kojima T.Mechanism for postliqefaction water film generation in layered sand［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2002，128(2):129－137.

［47］陈国兴，刘雪珠.南京粉质粘土与粉砂互层土及粉细砂的振动孔压发展规律研究［J］.岩土工程学报，2004，26(1):79 －82.

［48］贾永刚，杨秀娟，安英杰，等.透水与隔水夹层对粉质土液化影响试验研究［J］.工程地质学报，2006，14(1):52－59.

［49］Ozener P T，Ozaydin K，Berilgen M.Numerical and physical modeling of liquefaction mechanisms in layered sands［C］∥Proceedings of the Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics IV Congress 2008，ASCE.Sacramento:［s.n.］，2008:318 －328.

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

国家自然科学基金项目(51009067，41140030);郑州市创新型科技人才培育计划领军人才项目(10LJRC185);华北水利水电学院高层次人才科研启动基金项目(001291);教育部留学回国人员科研启动基金项目.

杨永香(1979—)，女，河南开封人，讲师，博士，主要从事土动力学与土体细观力学性质等方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)