土体液化的危害和应用

马瑞

摘 要 土体液化对岩土工程建设及其环境存在很大作用，文章分析了土体液化之机理及其相应因子，通过分析有效应力的变化，阐述其危害及防治措施，简要说明了土体液化在建设工程中运用土体液化的基本原理趋利避害，更好地进行工程建设。

关键词 土体液化危害应用有效应力机理分析

中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0091-02

1 土体液化机理及其影响因素

美国岩土工程学会土动力学委员会认为：液化是使任何物质转变为液体的作用和过程。在无粘性土中，这种转变是由固态到液态，它是孔压增加、有效应力减小的结果。液化是一种状态的转变，而与起始的原因、变形或地面破坏运动等无关；液化常产生一种强度的瞬间丧失，但常不产生剪切强度的较长期减小。实践证明土体在当振动作用下使骨架受到一定的惯性和干扰力。不同质量的土粒的排列状况不同，或各点起始应力的值和动荷载强度传递的不同，这样会使各个土粒上的作用力的不同大小、方向、实际影响使得在土粒接触点引起新应力，一旦超过一定的数值，土粒之间原来的粘结强度与结构状态就被破坏，使砂粒彼此脱离。原先的砂粒接触力传给孔隙水分，孔隙水压骤升。孔隙水在一定超静水压力的作用下力图向上排出，在重力作用下沉落又受到孔隙水向上排出的阻碍，使土颗粒处于局部或全部悬浮状态，土出现不同程度的变形或完全液化，因为抗剪强度局部或全部丧失，随着孔隙水逐渐排出，孔隙水压力就逐渐减小，土粒又逐渐沉落，重新堆积排列，压力重新由孔隙水传给了土粒承受，土即达到新的稳定状态。所以：

1）土在振动荷载的持续作用下，经历了压力由土粒传给孔隙水，又由孔隙水传给土粒这样两个既有区别又相互联系的发展阶段。

2）从振动液化发展的阶段来看，饱和土能够发生液化现象，必须同时具备两个条件：①土体的结构受到足够的振动作用而破坏；②土体结构破坏后，发生移动趋于是压密而非松涨。所以遭受振动作用以后的砂土即因其结构不易振动而破坏而且由于结构在振动后趋于松胀，胀出的空间很快被孔隙水填充，孔隙水向下移，土粒向上胀，土粒就丧失了受悬浮液化的条件。

3）振动作用的较弱时，不会破坏土的结构，不会出现孔压上升，变形不会增大、强度不会降低。仅当动荷载强度超过临界加速度或超过一定的临界频率时孔压才会明显上升，变形明显增大。

地震时饱和砂土液化的主要原因是，地基运动造成循环剪应力，从而产生超孔隙水压力。这些剪应力首先是由于下卧岩层的剪切波向上传播引起的。由于交变周期应力作用的结果，土体单元就多次反复变形。单元体内各土颗粒接触处就发生滑动变形，土体颗粒有缩小的趋势。在不容许排水的情况下，这种滑动变形必然造成颗粒骨架承担的一部分垂直有效应力传递施加到不可压缩的孔隙水上。随着应力向孔隙水的传递以及土粒上应力的降低，土的骨架就回弹，其回弹量必等于土体体积的缩小量，以保持总得体积不变。土体体积的缩小与土粒骨架的回弹的相互作用决定着土中孔隙水压力的大小。当孔隙水压力接近限制压力时，砂土就开始变形。如果砂土是松散的，那么孔隙水压力就会骤然增加到所施加的限制压力，砂就会迅速开始很大的变形，剪应变可达20%或更大。如果砂土没有足够的抵抗变形的能力，它就发生无限的变形，则可以说砂土发生液化了。若砂土是密实的，它可以产生孔隙水压力，在完成某些应力循环以后，它可以等于限制压力，随着往返应力的作用仅引起砂土的有限变形。这是因为密实砂土还有一定的抵抗变形的残余阻力，或是因为土的膨胀所致。于是孔隙水压力下降，最后砂土发展到有足够的阻力以抵抗所施加的应力，土在作用的循环周数下处于稳定状态。关于砂土的抗液化强度的确定，可参考临界空隙比、动力三轴试验理论等、饱和砂稳定性动力破坏渗透理论。

上述从有效应力分析土的液化机理影响土体发生液化。而有效应力的变化可以从土颗粒和地下水两个方面进行分析。土颗粒级配好，则地下水不易及时排出，孔隙水压力增大，土颗粒承担的有效应力即会减少，趋于液化。反之，则不易液化。土颗粒松散，则土体积趋于变小，孔隙水压力增大，有效应力减少，趋于液化，反之则不易液化。土中水含量较多，土中水有能力承担更大的土压力，设想若土中不存在地下水，则总应力始终由土颗粒承担，不存在孔隙水压力大小的变化，故不易液化。其它方面的影响因素，都可以归结到应力的转化关系上。其实，在分析破坏时，总可以从应力和应变两个方面加以考虑，两个方面也存在着一定的关系，哪个方面方便衡量，则从哪个方面加以分析。在土体液化的过程中，应力的变化是因，应变的产生是果，直接从应变这一结果去分析，不易抓住液化的本质，故从土体液化的机理以及应力着手，分析土的液化过程。但是在实际施工中，可以对土体的应变加以测量，反过来评价土体液化的程度。

2 危害及其防治措施

土体液化导致建筑物破坏与极限平衡与破坏机理不同，土体液化是一种过程，极限平衡是力学对抗，而破坏则由人来界定，一般定义为建筑物功能的丧失。土体液化的危害，则是人为地对因土体液化而导致建筑物功能丧失这一过程及其结果进行评价。一般是土体发生液化，建筑物地基丧失承载力导致建筑物倾斜或发生开裂，丧失其功能。人们常说的“防止液化”，实际上是要防止土体液化所造成的灾害性破坏。在这一意义上，并不是专指“土体是否发生液化”，而真正的目的是“防止土体因液化或相关可能而引发相应灾害坏”。

当前项目建设采用的判别和评价或防止土体液化的准则，主要是从宏观破坏现象中总结出来的经验性准则，亦可称为是从工程观念出发的使用准则，而不是从物理概念出发的真正的液化与否的判据。

液化主要发生在饱和无粘性土（和少粘性土）中；干土一般不需考虑液化破坏。这样疏干土体也是一种有效的措施，如降低地下水位、降低边坡浸润线（常用于水利填充的尾矿坝和粉煤灰坝）等。

对于不能疏干的饱和土体，就应该从它是否会发生砂沸、流滑、循环活动性等方面来采取措施。还应考虑土体中孔隙水压力持续而非瞬态升高所引起的不稳定性。流滑是造成土体液化最严重的现象。其根源在于土体结构太松（相对密实度大都在50%以下）其颗粒骨架结构呈准稳定状态，稍受扰动，即会崩解，同孔隙水一起形成流动状态。因此，防止饱和土体流滑的对策，首先要提高该土体的密实程度和颗粒骨架结构的稳定性。振动加密和排水疏干是最有效的防止流滑的措施是，下面将会详细说明。endprint

循环活动性与流滑不同，只有在其累计变形达到某个允许值标准后才算破坏。在循环活动性发展时虽然会出现液化瞬态极限平衡，但相应的累积变形和破坏标准未必达到。所以这种情况下，就不能单纯以是否发生液化或是否出现极限平衡作为防止其发生破坏的准则和依据，而必须估计出循环活动性所能产生的累计变形是否超过它的允许变形量。这种估计是比较困难的，目前还比较缺少完全可信和成熟的试验方法和依据。

土体液化的防治措施，则主要是针对影响土体液化的因素提出的。上面的分析已经指出，有效应力的变化是分析土体液化的有效手段。故各种防治措施，都是旨在防止有效应力的大幅度减小为宜。主要的措施有振动加密、排水降压等。振动加密，可增加土的密实度，上述分析可知，密实度增加则即使是饱和砂土，土体积膨胀土粒向上运动而水分在重力作用下向下运动，这与土体液化时土颗粒体积减小、土颗粒向下运动、水分则相对向上运动刚好相反，故振动加密是防止土体液化的有效手段。此外，振动加密还可增加土的强度，减小建筑物的沉降，一举多得。其实在采取加固措施时，一种加固方法往往可以起到多方面的作用。再比如说排水降压，土体水分含量减少，则水分所占有的体积减少，其发挥承载力的条件即需加强。设想土体水分含量很少，则可以想象水分几乎没有条件承担较大的孔隙压力，因为土体体积没有或减小不到此程度。极端而言，若排水降压至水分完全被排出，则土体只可能在失重的条件下才会液化。其它防治措施主要有强夯、灌浆、桩基础、土钉等，主要原理还是从上面的分析入手，只是在实际施工时，应考虑建筑物的重要程度、施工条件、经济因素等各方面开展。采用桩基础或其它深基础、全补偿筏板基础、箱型基础等属于可理解为支护类。当采用桩基时，桩端深入液化深度以下稳定土层中的长度（不包括桩尖部分），应按计算确定对于穿过液化土层的桩基础，桩周摩擦力应视土层液化可能性大小，或全部扣除，或作适当折减。对于液化指数不高的场地，可采用浅基础，但适当调整基底面积，以减小基底压力和荷载偏心；或者选用刚度和整体性较好的基础形式，如筏板基础。土体液化防治之前，应首先进行土体液化的判别。

3 土体液化的运用

在谈到土体液化时，人们往往将之与建筑物的破坏联系起来，其实利用土体液化进行岩土工程建设的案例也不在少数。此处主要说明土体液化在振冲法及获取土体最优含水率上的运用。众所周知，在砂土中注水振动容易使砂土压密，利用这一原理发展起来的加固深层软弱土层的方法称为振动水冲法，简称振冲法。其原理为松散砂土在振冲器不断射水和振动作用下，饱和液化，丧失强度，振冲器很容易靠自重不断沉入土中。在这一过程中，加固范围内的砂土自身在振密，悬浮着的砂粒被挤入孔壁，同时饱和了的孔隙水压力引起渗流固结，整个加固过程是挤密、液化、渗流固结三种作用的综合结果，形成加固后的密室排列结构。但在实际使用时应注意施工时土体的颗粒级配等状况，如颗粒级配较差，或粗颗粒土含量较多，则孔隙水较容易排出，则振密效果可能较差。土的最优含水量的获取，则通过实验室击实试验，绘制干密度与含水量之间相互关系，即可获取最优含水量。对于某一土样，在一定的击实功能作用下，只有当土的含水量为某一适宜值时，土样才能达到最密实，因此在击实曲线上必然会出现一峰值，峰点所对应的纵坐标为最大干密度，横坐标为最优含水率。在实际施工时，一般采用压密的办法，不存在振动液化现象，但实验室操作时，若采用振动，则可能使得土体趋于液化，最大干密度与压密时获得的大小不同，应注意实际运用时的修正。

4 结论

本文主要从土体产生液化的机理入手，通过对应力转化的分析，说明了影响土体液化的主要因素及其防治措施，并简要说明了土体液化的运用。得出的主要结论有：

1）土体液化是对土体形态变化过程及其结果的描述，主要存在于振动的松散砂土和粉土中。

2）土体发生液，直接结果导致土体竖向承载力不足，侧向变形较大，其原因在于土中有效应力降低，孔隙水压力增加，可抵抗侧向变形的土颗粒能力得不到发挥而不能抵抗侧向变形的水却承担较大的应力，被动地向外渗透。

3）影响土体液化效果的主要是土颗粒级配、孔隙率、含水量等，对于其液化效果的评价，应从应力的转化上入手，从实际产生的破坏分析其危害，应明确液化、极限平衡、破坏三者相互关系。

4）实际运用时可根据土体液化的影响因素，采取适当措施便于土体液化，达到压密土体的目的。

5）实验室实验获取最优含水量时，应注意振动产生的液化与实际施工时压密产生不产生液化获取的最佳含水量之间的修正关系。

参考文献

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[3]柯瀚，陈云敏，周燕国，张民强.动态三轴试验确定砂土抗液化强度[J].土木工程学，2004，9（37）.endprint