地基土液化判别标准简述

程 超

(中国石油天然气华东勘察设计研究院岩土工程处，山东青岛266071）

地基土液化判别标准简述

程 超*

(中国石油天然气华东勘察设计研究院岩土工程处，山东青岛266071）

多年来，对于液化的评价，实验室和现场研究大多数采用美国加州大学伯克利分校Seed和ldriss等人提出的初始液化方法。哈佛大学的Casagrande、Castro、Poulos认为初始液化并不意味着实际液化,它也可以产生循环液化而不产生实际液化,他们认为可以采用稳态强度作为判别能否发生实际液化的标准。如何将理论微观的液化判别标准，应用于具体的各种规范中，提高液化判别的适用性和准确性，将是一个非常有意义的研究课题。

地基土；液化判别标准；初始液化；稳态强度

1 概述

合理的确定液化破坏标准是讨论液化强度的基础，液化通常伴随着大规模的地面沉陷变形、地裂滑移、喷水冒砂和房屋震陷等现象，这些现象是确定现场是否液化的主要标志。目前，作为各种判别液化的依据，也就是这类宏观调查资料。另一方面，长期以来，人们普遍认为，产生上述宏观液化现象时，土层的孔隙水压力均等于有效覆盖压力，即超孔压比等于1。但是，试验研究表明，粉土的孔隙水压力小于1时，饱和土层就开始对地面运动、地裂、滑移、房屋下沉产生影响，就可能出现通常所谓的液化现象，而此时土体的变形已经较大。与之相对应的是，有时地震过程之中并没有产生液化，反而是地震过后一段时间里，大量地基遭到破坏。因此，选择液化判别的标准就成为液化研究中一个十分重要的课题。

砂土液化分析的方法渐趋成熟化，但有关粉土液化问题，仅仅从1975年海城地震和1976年唐山地震以后，才日益受到工程界的重视，目前对粉土液化分析的资料相对较少。1968年D’Appoloni第一次考虑了粉粒和粘粒含量的影响后，1969年Iee和Fitton，1973年Gupta和Gangadhyay相继提出了粘粒和粉粒对土的动强度的影响，才引起人们的关注。Seed[1]等(1985)以及Youd和Driss等[2](2001)相继开展了细粒含量对抗液化强度的影响研究，得出了有益的成果。

2 液化判别标准的发展

自从1936年Casagrande提出砂土临界孔隙水的概念算起，砂土液化的研究经历了经验阶段（20世纪70年代以前），半经验阶段（20世纪70～80年代），目前正形成一个较完整的理论体系。有关粘土的液化问题的研究，则只是近几年才开始的。

关于液化标准，最初时研究的大多是砂土，因此Seed提出的初始液化判别标准成为主要的液化判别标准。后来，人们逐渐发现粉土甚至粘性土也可以发生液化，因此在初始液化中又在孔压标准的基础上发展出了应变判别标准。20世纪80年代以后，国际学术界将注意力集中于液化后的力学性状，因为“更为适当和经济的方法是在液化已发生的前提下,确保边坡和路堤抵抗流动破坏的稳定性,而不是去防止液化的触发”。并在此基础上，利于稳态强度理论发展形成稳态强度液化判别标准。

3 液化判别标准的主要分类

3.1 初始液化判别标准

对于液化的评价，实验室和现场研究大多数采用美国加州大学伯克利分校Seed和ldriss等人提出的初始液化方法[3]。这种方法致力于研究由循环剪应力作用引起的孔隙水压力增长，通过与工程实际建立起相关关系，来预测超静孔隙水压力和判断液化是否能被触发。

初始液化判别标准强调发生液化的应力条件，认为液化发生的条件为土的法向有效应力为零，土不具备任何抗剪切能力。当第一次出现这种零应力状态时就认为土达到了初始液化条件，此后在动荷载的往复作用下，土体不断出现初始液化状态，表现出土的往返活动性，土的动变形逐渐累积，直至出现土的整体强度破坏或超过容许变形失稳值。

判断土是否达到初始液化的标准可以是孔压比也可以是应变。在室内液化试验研究中，经常采用的液化破坏标准有：孔压标准，即孔隙水压力等于有效固结侧压力；极限平衡标准，即孔压达到极限平衡状态时的临界孔隙水压力；应变控制标准，即以应变达到一定值作为破坏点，对于粉土，工程上一般应用5%应变作为破坏标准。

3.2 稳态强度液化判别标准

Seed提出以初始液化作为液化判别标准,并以此为基础通过动三轴试验确定出动循环强度。但哈佛大学的Casagrande、Castro、Poulos[4]认为初始液化并不意味着实际液化,它也可以产生循环液化而不产生实际液化,因而初始液化后的结果到底怎样并不清楚。他们认为可以采用稳态强度作为判别能否发生实际液化的标准。另外,稳态线还可作为判别饱和砂土是否可能产生实际液化或循环液化的标准。Poulos、Castro等(1985)[5]提出了利用稳态强度和稳态线判断砂土是否发生实际液化。

Casagrande、Castro和Poulos等人提出的稳态强度理论，强调工程结构物的破坏表现为过量的位移、变形或应变。即使土体没有达到初始液化的应力条件，只要土体结构破坏和孔压上升引起强度弱化，出现具有液化状态的流动破坏，就认为土已液化。

关于液化准则的选择问题,Casagrande 1975年的文章[4],和Seed 1985年的文章[6]有比较详尽的叙述。在文献[6]中,Seed已经接受了Casagrande学派利用稳态强度判别实际液化的观点,后来Seed父子与Castro共同发表文章(1992),利用稳态强度分析地震后Lower San Fernado坝滑移[7],进一步证实Seed已接受稳态强度的概念。

以前在国内很少有人讨论过稳态强度及其在饱和砂土液化中应用的问题。直到近几年才有文章讨论这一问题[8-10]。20世纪90年代以后，国内外砂土液化的研究逐渐集中到对稳态强度的探讨上来，这种观点主要强调土的流动性，提出实际液化和循环液化的划分，他们指出液化单元的强度由峰值降为稳态强度，只有当静荷载产生剪应力大于稳态强度，才可能出现流动液化。据此，提出了用稳态强度和稳态线来判断砂土是否出现液化流动，该方法在评估液化问题后危害问题上提供更加切合实际的方法。

杨振茂[9]从稳态强度理论的理论的角度分析黄土的液化标准。在低围压下的应力控制固结不排水三轴试验中，饱和原状黄土试样在轴向应变增长到20%左右以后达到变形的稳态。稳态线和稳态强度线在半对数坐标上均为直线且不受超固结比的影响。

余湘娟等[10]通过对2种不同砂土的试验,讨论了低密度饱和砂土试样的固结不排水剪切试验方法及由试验得到的结果提出的应变软化模型及稳态强度,并对试验所得结果及提出的模型用于堤坝及地基地震后稳定分析提出建议。

3.3 规范中的液化判别标准

我国的一些规范对于现有的液化可能性判断法主要有:标准贯入击数法、静力触探法、数理统计法、模糊数学法、剪切波速法、地震反应分析法等。

其中《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）是按标准贯入击数进行判别。《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）按静力触探指标进行液化判别。而《天津市建筑地基基础规范》（TBJ1-88）的判别方法是按剪切波速。

标准贯入击数法应用最为广泛也已经为世界上许多的学者认可。静力触探试验为勘察部门普遍采用，它能提供连续的地层剖面，是一种可靠和方便的野外原位测试方法。Olsen(1997)[11]为了提供只根据锥尖阻力和套管摩擦力估计液化阻力的方法，发展了土的分类图技术。Robertson等人提出用土的性状指数，来对土进行分类。1998年NCEER会议推荐了Robertson的CPT液化判别方法。但这种土性状指数计算麻烦，Juang[12]等人提出了一个更简单的计算公式。

自1980年Dorby与Powell首先按应变法原理提出用剪切波速预测砂土液化势的方法以来[13]，剪切波速法逐渐被重视，StokoeⅡ、Sasitharan、Robertson分别应用剪切波速得到一些经验公式[14]，或用直观方法划定液化的分界线，并用该经验公式或分界线来判别所研究的土体是否发生液化。

4 存在的主要的问题

目前我国颁布的各类规范所使用的判别液化的方法，都是是以地震现场的液化调查资料为基础,并按照一定的统计方法与一些勘查方法如SPT、CPT建立相关关系，给出了判别液化与不液化的条件与界限。而这些地震现场的液化调查资料通常以地面沉陷变形、地裂滑移、喷水冒砂和房屋震陷等震害现象为确定是否液化的主要标志。长期以来，人们认为，产生上述宏观液化现象时，土层的孔隙水压力均等于有效覆盖压力。但是，试验研究表明，粉土的孔压比小于1时，饱和土层就开始对地面运动、地裂、滑移、房屋下沉产生影响，就可能出现通常所谓的液化现象。

如何将理论微观的液化判别标准，应用于宏观具体各种规范中，提高各种液化判别的适用性和准确性，这将是一个非常有意义的研究课题。

[1]Seed H B，Tokimatsu K，Harder L F，et a1.The Influence of SPT Procedures in Soil Liquefaction Resistance Evalutions[J]. ASCE，1985，111(12)：1425-1445.

[2]Youd T L，Idriss T M，et a1.Liquefaction Resistance of Sorts[J]. ASCE，2001，l27(8)：817-833.

[3]Seed H B，Idriss I M，Arango I.Evaluation of Liquefaction Potential Using Field Performance Data[J].Journal of Geotechnical Engineering Division.ASCE，1983，109(3)：459-482.

[4]Poulos S J.The Steady State of Deformation[J].Journal of Geotechnical Engineering Division,ASCE,1981,107(5)：553-562.

[5]Poulos S J,Castro G,France J W.Liquefaction Evaluation Procedure[J].Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE.1985,111(6)：772-792.

[6]Seed H B.Design Problem in Soil Liquefaction.J.Geotechnical Division,ASCE,1987,113(GT8):827-845.

[7]Castro G,Seed R B,Keller T Q and Seed H B.Steady State Strength Analysis of Lower San Fernando Dam Slid.J.Geotechnical Engineering,ASCE,1992,118(GT3):406-427.

[8]汪闻韶.土的动力强度和液化特性,北京:中国电力出版社, 1997:1-169.

[9]杨振茂,赵成刚,王兰民,饶为国.饱和黄土的液化特性与稳态强度[J].岩石力学与工程学报.2004,23(22)：3853-3860. [10]余湘娟,姜朴,魏松.砂土的稳态强度试验研究[J].河海大学学报，2001，29（1）：50-54.

[11]Olsen R S.Cyclic Liquefaction Based on the Cone Penetrometer Test.Proc.，NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils Tech.Rep.No.NCEER-97-0022，Youd T L and Idriss I M，eds.，National Center for Earthquake Engineering Reserch，State Univ.of New York at Bufalo，N.Y.，1997：225-276.

[12]景立平，崔杰，等.徐州市堂张镇饱和粉土液化性能试验研究[J].地震工程与工程振动，2004，24（6）.

[13]陈国兴，等.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）.

[14]天津大学.土力学与地基[M].北京:人民交通出版社,1986.

TU435

B

1004-5716(2015)08-0015-03

2015-01-10

2015-01-15

程超（1980-），男（汉族），山东临沂人，工程师，现从事岩土工程勘察与设计工作。