液化應力比簡介

基土的液化是指飽和砂土和飽和粉土，在地震的動態(tài)作用下，使土體突然產(chǎn)生很大變形而喪失其承載能力?？挂夯瘡姸仁侵革柡屯猎谝欢ㄕ翊巫饔孟庐a(chǎn)生液化破壞所要求的動剪應力幅，土的抗液化強度與土的組成、密度、 結構、振前應力狀態(tài)以及應力歷史等有關。液化應力比是指土的抗液化強度與土固結壓力之比，是土抗震性的一個重要指標。飽和黃土的液化應力比隨動應力循環(huán)次數(shù)的增長逐漸減小，軸向動應變分別達到 3%，5%，10%時的液化應力比比較接近，即是說，飽和黃土一旦發(fā)生液化，其強度迅速喪失。

含礫量與相對密度

含礫量是礫性土區(qū)別于砂土的主要物理指標。一般認為含礫量增大將增大礫性土的抗液化能力，但認識不統(tǒng)一。汪文韶等 給出了含礫量70%為礫性土液化的閾值，認為大于該值后， 礫性土將不會發(fā)生液化；Evens 等早期的研究認為相對密度較為接近時， Oroville 礫性土與 Monterey 砂抗液化能力接近，與含礫量沒有明顯關系;但是其后續(xù)研究表明隨著含礫量的增大，礫性土的抗液化能力顯著提高;Chang 的研究表明，當含礫量小于 0%時，含礫量的增大對礫性土的動強度影響不大；Ishihara、Haga 根據(jù)試驗結果總結認為當含礫量大于某值(約 50%)時，其動強度增長明顯。相對密度是影響礫性土抗液化能力的重要指標。Xenaki 等的三軸試驗結果表明礫性土的動強度與相對密度密切相關；Ping- Sien Lin 等建立了基于含礫量和相對密度的抗液化循環(huán)應力比(CRR)計算公式。

剪切波速

礫性土層中的剪切波速特性引起了研究人員的重視。曹振中等通過汶川地震現(xiàn)場調查 獲得了45個礫性土液化和非液化場地的剪切波速資料，通過優(yōu)化方法研究了烈度、化層埋深、地下水位、含礫量等因素影響下剪切波速與礫性土層抗液化能力的關系，并證實了現(xiàn)有的基于砂土場地數(shù)據(jù)發(fā)展的剪切波速液化判別方法不適用于礫性土場地 。

土的動力特性

土的動力特性和靜力特性相似，也受到諸如圍壓、應變幅度、密實度。含水量以及應力條件、應力狀態(tài)等因素的影響，同時和加載歷史、顆粒結構和級配、時間效應等密切相關。土的動力特性又具有其本身的特點。它主要受以下兩種因素：加載速率的影響，地震作用為短時荷載，土的性質和長期加載相比，有所變化；循環(huán)加載的影響，在地震等循環(huán)荷載作用下，土的強度也將發(fā)生變化，飽和砂土由于地震作用可導致孔隙水壓力上升，而使抗剪強度降低，飽和松砂甚至可能發(fā)生液化破壞。軟弱粘土由于地震產(chǎn)生的循環(huán)剪切作用可使強度降低。循環(huán)荷載作用對土產(chǎn)生的影響和振動次數(shù)有關，一般稱為振動效應。

固結是飽和土體在應力作用下，水從孔隙中排出，壓縮變形量隨時間而增長的全過程。在飽和土固結過程中，開始作用的應力全部由孔隙水所承擔，隨著孔隙水的排出和體積的壓縮，土中超孔隙水壓力消散，粒間有效應力相應增長，直至超孔隙水壓力全部轉化為有效應力為止。固結的快慢取決于土的滲透性和排水條件，透水性低、排水途徑長則固結過程慢。所有粗粒土和低飽和度的細粒土，在應力作用下的固結過程極快;而對飽和或接近飽和的細粒土則需考慮固結過程中其力學性質的相應變化。主固結與次固結。主固結是超孔隙壓力消散和有效應力增長的過程。在主固結結束后，在有效應力基本不變情況下，由于土骨架蠕變而引起的緩慢體積壓縮過程稱為次固結。對軟黏土、淤泥等土層，次固結引起的沉降量可占較大比重，不可忽視。先期固結壓力和超固結比。土體內某點在歷史上曾經(jīng)受過的最大垂直壓力稱為先期固結壓力pc，可以從壓縮試驗的e-logp曲線上求得。它和該點現(xiàn)有的有效垂直壓力之比稱為超固結比OCR。OCR=1為正常固結，表示土體在上覆土重壓力下正好完全固結；OCR>1為超固結，表示土體在歷史上曾承受過的最大壓力超過現(xiàn)存的上覆土重壓力；OCR<1為欠固結，表示土體在上覆土重壓力下尚未完全固結。這3種不同固結歷史的土的固結和壓縮特性有很大差別。

一般來說，液化的發(fā)生是由于孔隙水壓力的增大，有效應力的減小導致土體抗剪強度（無粘性土的抗剪強度主要來自于摩擦力）的減小或消失，使土體由固體狀態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)的過程。關于液化的機理可以分為三種，砂沸，流滑和地震液化。此外，對于地震液化的研究還有一種說法是地震波的作用導致介質質點能量狀態(tài)的改變而產(chǎn)生的位移變動。對于砂土震動液化中的強度變形有兩種情況，一種是處于拉伸狀態(tài)，一種是處于壓縮狀態(tài)，這兩種狀態(tài)都是由殘余應變所引起， 但是液化后的變形組成不同。而對于砂沸和流滑的后果，一個引起的是冒水噴砂，一個是滑坡、堤壩潰壩等現(xiàn)象。

液化狀態(tài)的判別可分為初始液化、實際液化和循環(huán)液化，但是它們三者之間并不是一個發(fā)生另一個一定要發(fā)生的關系，例如，可以是不發(fā)生初始液化就出現(xiàn)實際液化，或者只發(fā)生循環(huán)液化。關于液化判別的方法歸結起來可以分為兩種：一種是由 Seed 基于動三軸試驗提出的初始液化為破壞基礎（有效應力原理），在動荷載作用下，有效應力為 0時的應力狀態(tài)被認為是土體的初始液化狀態(tài)，然后，在循環(huán)荷載的持續(xù)作用下，出現(xiàn)積累的附加動變形和初始液化范圍的擴大使得土體的整體強度被破壞或者是發(fā)生變形失穩(wěn)；另一種是 Castro 和 Robertson 強調土的液化流動特征，即在動荷載作用下，液化時，土體將會發(fā)生過量的變形，位移和應變，以此作為判斷是否液化的依據(jù)，而這并不要求必須達到初始液化的應力條件，因此，普遍認為第二種觀點適合解決實際的液化問題。影響土體液化的因素可以分為四類：一是土體本身的性質條件（顆粒特征和結構特征，）；二是動載荷條件（震動強度、震動持續(xù)時間和地面加速度）；三是砂土的埋藏條件和排水條件（埋深、地下水位高低、上層土體的排水條件）；四是土的初始應力狀態(tài)和應力歷史。現(xiàn)大多數(shù)文獻是就這四種因素進行土體抗液化強度的研究和液化判別 。2100433B

樁土應力比一般是指樁頂?shù)钠骄鶓εc樁間土表面的平均應力的比值 ，一定的荷載水平可以分解為樁體承擔荷載和樁間土承擔荷載兩組， 樁頂、 樁間土表面平均應力是有明確界限的。樁土應力比是復合地基優(yōu)化計的重要內容，優(yōu)化是指設計的復合地基，既安全可靠，滿足使用要求，又節(jié)省投資等，要做到這些，就必須從工程實際出發(fā)，把自然地基可資利用的潛力發(fā)揮到適當?shù)某潭?，使樁土各自的出力水平達到合理的分擔。建筑荷載通過剛性基礎傳遞到復合地基上，在滿足沉降協(xié)調條件下，樁土應力比受到諸多因素及條件的影響和制約，如模量比、應力應變水平與關系。

樁土應力比應力水平

應力水平是指實際所受應力與破壞強度的比值。一般也稱為應力比，定義為作用在試件上的最大荷載應力與材料的極限承載能力的比值（混凝土試件可取抗折強度）。

樁土應力比力學性質差異

在剛性基礎下面，樁土共同出力、滿足沉降變形協(xié)調，在相同的條件下，由于樁土的應力應變關系不同，其發(fā)揮的水平就不同，一般通過三軸實驗和無側限壓縮實驗來證明。樁土中的應力水平?jīng)Q定于各自的模量和應變值。樁體模量值與加固前土的物性指標、加固的水泥滲合比、加固后的密度、含水量、養(yǎng)護期等有關。對于特定的加固土，養(yǎng)護期達到一定值后，模量值與應力水平有關，但關系較為穩(wěn)定。天然土模量的影響因素，除土性外，還有應力條件，應力水平、排水固結條件和時間等 。

樁土應力比變形模量

變形模量是通過現(xiàn)場載荷試驗求得的壓縮性指標，即在部分側限條件下，其應力增量與相應的應變增量的比值。能較真實地反映天然土層的變形特性。其缺點是載荷試驗設備笨重、歷時長和花錢多，且深層土的載荷試驗在技術上極為困難，故常常需要根據(jù)壓縮模量的資料來估算土的變形模量。2100433B

動荷載作用下飽和土中超靜孔隙水壓力首次上升至與初始固結有效應力相等時的狀態(tài)稱為初始液化。初始液化表示的是一種臨界狀態(tài)，它的發(fā)生不涉及隨后土可能產(chǎn)生多大變形；然而它對評價隨后土行為的各種可能形式是一個有用的基礎。

飽和松砂和密砂在均等固結壓力條件下受到循環(huán)剪應力作用都有可能發(fā)生初始液化，但兩者產(chǎn)生初始液化的過程和初始液化后的變形性態(tài)不同。