饱和土液化破坏机理及防治的探讨

许明远 孔令强

(河南工程技术学校，河南焦作 454000)

0 引言

现代土力学着重研究土的本构关系及土的内部结构，建立以损伤理论为基础的损伤土力学，引入土体损伤变形量，作为评价土体发生破坏的重要指标。而饱和土液化及破坏理论无论在实际工程中还是在理论研究中都占有重要的地位，本文将介绍饱和土液化机理以及如何防止饱和土液化带来的破坏。

1 饱和土体液化与土体破坏的区别

土体液化不等于土体破坏。土体液化是指土体在地震等震动作用下，原来自身所具有的剪切刚度和抗剪刚度消失，由固体变为液体的现象。由于抗剪强度趋于零，则粘聚力趋于零，而内摩擦角一般不为零，故有效应力趋于零，即孔隙水压力增大到总应力，孔隙水压力的升高是引起土体液化的一个重要原因。另外，考虑粘性土的粘聚力一般不为零，所以大多情况下我们的研究对象是饱和无粘性土，如砂土和粘聚力很小的弱粘性土。当然，粘性土亦存在液化的可能。但是在实际工程中由于粘性土液化需要较长时间的荷载作用，因此在地震荷载作用下粘性土液化很少发生，所以本文主要以砂土为研究对象。

土体破坏一般为失稳破坏，即极限平衡问题［1］。但有些时候还要考虑其他方面，如过大的变形与裂缝，尽管没有发生失稳，但也认定为破坏，类似于建筑工程中的正常使用极限状态。在有些情况下，即使土体发生了液化，但由于时间短，土体产生一定的损伤，但并没有发生危害工程安全的明显迹象，没有发生破坏。例如砂土在受到震动时反而会变得更加紧密。因此，在考虑破坏的时候，引入容许变形量的概念，包括裂缝，不均匀沉降等，只有当损伤变形量D＞Df，才视为破坏。

2 饱和无粘性土的主要破坏形式

区分了液化与破坏两个不同的概念，就明白了土体液化不等同于土体破坏，而我们则更关心土体因液化而造成的破坏。无粘性土主要指砂土，最容易发生土体液化而导致土体破坏。它的常见破坏形式有砂沸与流滑两种。砂沸就是主要在挖地基时，由于孔隙水压力的不断升高，当达到或超过上覆压力时，就会发生上浮或沸腾，也即冒砂。发生的主要原因是动水压力的升高，水就是罪魁祸首，也即工程中经常说的治砂先治水。流滑是指饱和土体在受到一次性轻微扰动引起孔隙水压力持续上升而导致的破坏。实际工程中，是指饱和松砂或灵敏度粘土在受剪切作用下呈现不可逆的体积压缩，在不排水条件下引起孔隙水压力增大和有效应力减少，最终导致土体完全液化。流滑产生的土体变形较大，一般都超过土体的容许变形，应视为破坏。

3 地震荷载作用下砂土液化破坏机理

一般来说，引起地基土液化的主要因素是地震，而且由地震引起的地基破坏有一半是土体液化破坏，由此可见，研究地震作用下引起土体液化的机理尤为重要［2］。地基土液化主要受土性条件，初始应力条件，动载荷条件和排水条件等因素影响。

以砂土为研究对象，当地震发生的时候，松散的砂土会有变密实的现象，但是对于饱和砂土来说，它的孔隙因为被水填满，因此这种使砂土趋于密实的作用导致孔隙水压力短时间内迅速上升，而且来不及散去，这就使砂颗粒之间传递承载力减弱。当这种传递压力完全消失时，砂土地基层就会完全丧失抗剪强度和地基承载力，当变形超过容许变形时，就发生破坏。砂土在地震作用下发生破坏的机理非常复杂，一般来说，砂土受到振动时，每个颗粒都受到其值等于振动加速度和颗粒质量乘积的动力的反复作用，由于砂土颗粒间没有内聚力或内聚力很小，惯性力周期性地反复作用，各颗粒都处于运动状态，它们之间的相互位置产生调整，土体液化破坏主要是振动荷载引起的，所以对土的动力强度理论需要深入地研究。在这方面的研究中也有许多理论可以借鉴。对于砂土液化机理笔者认为:除传统的孔隙水压力和有效应力理论外，更应采用弹塑性动力分析方法来研究。还可以对土体液化后的应力应变性状及饱和砂土液化后的剪切吸水效应、剪切吸水率对饱和砂土液化后应力应变关系影响做一些研究。

另外，考虑地震作用的随机性，以及砂土本身的抗液化强度由于受多种复杂因素的影响也存在严重的不确定性，所以概率理论引入土体液化理论就显得尤为重要，同时模糊数学理论也在研究中获得应用，其中，就有利用剪切波速来考虑抗液化强度的相关研究。对大量原状砂土且为同一类土，在同一固结压力作用下，研究原状土与重塑土样抗液化强度与初始剪切波速之间的相关性。结果表明:当判别液化强度的应变标准不超过6%时，土的抗液化强度与初始剪切波速之间存在良好的对应关系。同时得出结论:饱和砂土剪切波速与抗液化强度之间的对应关系是满足一定前提条件才成立的。另外，可以加大地震液化判别专家系统的研发，这将大大提高地震液化判别的客观性和科学性，为解决复杂的工程问题创造了条件。

4 防止土体发生液化破坏的有效措施

当地震引起土体液化而破坏大量出现后，土体液化引起了岩土工程界的普遍关注，并同时出现了多种处理方法:如换土与加密，采用桩基，加入固化剂，设置地下墙和碎石桩等。笔者将重点介绍碎石桩的加固方法。该方法具有无可比拟的优点:加固效果好，成本低，施工方便，而且在实际工程中已得到广泛使用，并且这种加固技术在地震中得到检验，证明是非常有效的［3］。碎石桩又称为粗颗粒土桩，是指用振动，冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔，再将砾石、卵石或碎石等压入已成的孔中，形成大直径的，由碎石等所构成的密实桩体。我国常用的抗液化碎石桩施工技术主要有振冲法和干振法。

碎石桩抗液化机理:首先振冲碎石桩在成孔和挤密碎石过程中，将土体挤得密实，从而提高了地基的抗剪强度和抗液化性能;其次，碎石桩是以透水性好的碎石构筑，可改善排水条件，因此在地震期加速孔隙水压力消散，使孔压消散与增长同时发生，降低由于循环荷载作用而产生的超孔隙水压力，防止地基液化提高地基抗液化能力;最后，碎石桩复合地基中桩体的刚度远大于桩间天然土体，因此在地震作用时，地震剪应力在相对刚度较大的碎石桩上产生地震剪应力的集中，因而减小了作用在桩间上的剪应力，从而起到了减震的作用。但是，就我国目前的碎石桩复合地基的抗液化设计方法仍然具有一定的盲目性，仅考虑加密作用，过于保守，仍需进一步研究。总之，土体液化而导致破坏理论以及抗液化因素与措施在实际工程中显得越来越重要，本文分析了地震作用下饱和砂土液化破坏的机理，也提出碎石桩这一有效的防治措施，对工程实践具有一定的借鉴意义。

［1］ 汪闻韶.土体液化与极限平衡和破坏的区别与联系［J］.岩土工程学报，2005，27(1):66-67.

［2］ 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.北京:中国水利水电出版社，2005:260-263.

［3］ 黄春霞，张鸿儒，白顺果.碎石桩复合地基抗液化设计方法的分析［J］.岩土工程技术，2004，18(6):111-112.