液化應(yīng)力比液化機(jī)理

一般來說，液化的發(fā)生是由于孔隙水壓力的增大，有效應(yīng)力的減小導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度（無粘性土的抗剪強(qiáng)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(guān)于液化的機(jī)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(dǎo)致介質(zhì)質(zhì)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(qiáng)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(yīng)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?nèi)咧g并不是一個發(fā)生另一個一定要發(fā)生的關(guān)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(guān)于液化判別的方法歸結(jié)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(chǔ)（有效應(yīng)力原理），在動荷載作用下，有效應(yīng)力為 0時的應(yīng)力狀態(tài)被認(rèn)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(kuò)大使得土體的整體強(qiáng)度被破壞或者是發(fā)生變形失穩(wěn)；另一種是 Castro 和 Robertson 強(qiáng)調(diào)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(yīng)變，以此作為判斷是否液化的依據(jù)，而這并不要求必須達(dá)到初始液化的應(yīng)力條件，因此，普遍認(rèn)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(zhì)條件（顆粒特征和結(jié)構(gòu)特征，）；二是動載荷條件（震動強(qiáng)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(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史?，F(xiàn)大多數(shù)文獻(xiàn)是就這四種因素進(jìn)行土體抗液化強(qiáng)度的研究和液化判別 。2100433B

固結(jié)是飽和土體在應(yīng)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(jié)過程中，開始作用的應(yīng)力全部由孔隙水所承擔(dān)，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(yīng)力相應(yīng)增長，直至超孔隙水壓力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力為止。固結(jié)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(jié)過程慢。所有粗粒土和低飽和度的細(xì)粒土，在應(yīng)力作用下的固結(jié)過程極快;而對飽和或接近飽和的細(xì)粒土則需考慮固結(jié)過程中其力學(xué)性質(zhì)的相應(yīng)變化。主固結(jié)與次固結(jié)。主固結(jié)是超孔隙壓力消散和有效應(yīng)力增長的過程。在主固結(jié)結(jié)束后，在有效應(yīng)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(jié)。對軟黏土、淤泥等土層，次固結(jié)引起的沉降量可占較大比重，不可忽視。先期固結(jié)壓力和超固結(jié)比。土體內(nèi)某點在歷史上曾經(jīng)受過的最大垂直壓力稱為先期固結(jié)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(jié)比OCR。OCR=1為正常固結(jié)，表示土體在上覆土重壓力下正好完全固結(jié)；OCR>1為超固結(jié)，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(jié)，表示土體在上覆土重壓力下尚未完全固結(jié)。這3種不同固結(jié)歷史的土的固結(jié)和壓縮特性有很大差別。

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(biāo)。一般認(rèn)為含礫量增大將增大礫性土的抗液化能力，但認(rèn)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(rèn)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(rèn)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(guān)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(dāng)含礫量小于 0%時，含礫量的增大對礫性土的動強(qiáng)度影響不大；Ishihara、Haga 根據(jù)試驗結(jié)果總結(jié)認(rèn)為當(dāng)含礫量大于某值(約 50%)時，其動強(qiáng)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(biāo)。Xenaki 等的三軸試驗結(jié)果表明礫性土的動強(qiáng)度與相對密度密切相關(guān)；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(yīng)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(diào)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(guān)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(yīng)變幅度、密實度。含水量以及應(yīng)力條件、應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響，同時和加載歷史、顆粒結(jié)構(gòu)和級配、時間效應(yīng)等密切相關(guān)。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(zhì)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(qiáng)度也將發(fā)生變化，飽和砂土由于地震作用可導(dǎo)致孔隙水壓力上升，而使抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(guān)，一般稱為振動效應(yīng)。

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?qiáng)度是指飽和土在一定振次作用下產(chǎn)生液化破壞所要求的動剪應(yīng)力幅，土的抗液化強(qiáng)度與土的組成、密度、 結(jié)構(gòu)、振前應(yīng)力狀態(tài)以及應(yīng)力歷史等有關(guān)。液化應(yīng)力比是指土的抗液化強(qiáng)度與土固結(jié)壓力之比，是土抗震性的一個重要指標(biāo)。飽和黃土的液化應(yīng)力比隨動應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增長逐漸減小，軸向動應(yīng)變分別達(dá)到 3%，5%，10%時的液化應(yīng)力比比較接近，即是說，飽和黃土一旦發(fā)生液化，其強(qiáng)度迅速喪失。

樁土應(yīng)力比一般是指樁頂?shù)钠骄鶓?yīng)力與樁間土表面的平均應(yīng)力的比值 ，一定的荷載水平可以分解為樁體承擔(dān)荷載和樁間土承擔(dān)荷載兩組， 樁頂、 樁間土表面平均應(yīng)力是有明確界限的。樁土應(yīng)力比是復(fù)合地基優(yōu)化計的重要內(nèi)容，優(yōu)化是指設(shè)計的復(fù)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(dāng)?shù)某潭龋箻锻粮髯缘某隽λ竭_(dá)到合理的分擔(dān)。建筑荷載通過剛性基礎(chǔ)傳遞到復(fù)合地基上，在滿足沉降協(xié)調(diào)條件下，樁土應(yīng)力比受到諸多因素及條件的影響和制約，如模量比、應(yīng)力應(yīng)變水平與關(guān)系。

樁土應(yīng)力比應(yīng)力水平

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

樁土應(yīng)力比力學(xué)性質(zhì)差異

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

樁土應(yīng)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(biāo)，即在部分側(cè)限條件下，其應(yīng)力增量與相應(yīng)的應(yīng)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(shè)備笨重、歷時長和花錢多，且深層土的載荷試驗在技術(shù)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(jié)有效應(yīng)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(chǔ)。

飽和松砂和密砂在均等固結(jié)壓力條件下受到循環(huán)剪應(yīng)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。