飽和土液化破壞機理及防治的探討

許明遠 孔令強

(河南工程技術(shù)學(xué)校，河南焦作 454000)

0 引言

現(xiàn)代土力學(xué)著重研究土的本構(gòu)關(guān)系及土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立以損傷理論為基礎(chǔ)的損傷土力學(xué)，引入土體損傷變形量，作為評價土體發(fā)生破壞的重要指標。而飽和土液化及破壞理論無論在實際工程中還是在理論研究中都占有重要的地位，本文將介紹飽和土液化機理以及如何防止飽和土液化帶來的破壞。

1 飽和土體液化與土體破壞的區(qū)別

土體液化不等于土體破壞。土體液化是指土體在地震等震動作用下，原來自身所具有的剪切剛度和抗剪剛度消失，由固體變?yōu)橐后w的現(xiàn)象。由于抗剪強度趨于零，則粘聚力趨于零，而內(nèi)摩擦角一般不為零，故有效應(yīng)力趨于零，即孔隙水壓力增大到總應(yīng)力，孔隙水壓力的升高是引起土體液化的一個重要原因。另外，考慮粘性土的粘聚力一般不為零，所以大多情況下我們的研究對象是飽和無粘性土，如砂土和粘聚力很小的弱粘性土。當然，粘性土亦存在液化的可能。但是在實際工程中由于粘性土液化需要較長時間的荷載作用，因此在地震荷載作用下粘性土液化很少發(fā)生，所以本文主要以砂土為研究對象。

土體破壞一般為失穩(wěn)破壞，即極限平衡問題［1］。但有些時候還要考慮其他方面，如過大的變形與裂縫，盡管沒有發(fā)生失穩(wěn)，但也認定為破壞，類似于建筑工程中的正常使用極限狀態(tài)。在有些情況下，即使土體發(fā)生了液化，但由于時間短，土體產(chǎn)生一定的損傷，但并沒有發(fā)生危害工程安全的明顯跡象，沒有發(fā)生破壞。例如砂土在受到震動時反而會變得更加緊密。因此，在考慮破壞的時候，引入容許變形量的概念，包括裂縫，不均勻沉降等，只有當損傷變形量D＞Df，才視為破壞。

2 飽和無粘性土的主要破壞形式

區(qū)分了液化與破壞兩個不同的概念，就明白了土體液化不等同于土體破壞，而我們則更關(guān)心土體因液化而造成的破壞。無粘性土主要指砂土，最容易發(fā)生土體液化而導(dǎo)致土體破壞。它的常見破壞形式有砂沸與流滑兩種。砂沸就是主要在挖地基時，由于孔隙水壓力的不斷升高，當達到或超過上覆壓力時，就會發(fā)生上浮或沸騰，也即冒砂。發(fā)生的主要原因是動水壓力的升高，水就是罪魁禍首，也即工程中經(jīng)常說的治砂先治水。流滑是指飽和土體在受到一次性輕微擾動引起孔隙水壓力持續(xù)上升而導(dǎo)致的破壞。實際工程中，是指飽和松砂或靈敏度粘土在受剪切作用下呈現(xiàn)不可逆的體積壓縮，在不排水條件下引起孔隙水壓力增大和有效應(yīng)力減少，最終導(dǎo)致土體完全液化。流滑產(chǎn)生的土體變形較大，一般都超過土體的容許變形，應(yīng)視為破壞。

3 地震荷載作用下砂土液化破壞機理

一般來說，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壞有一半是土體液化破壞，由此可見，研究地震作用下引起土體液化的機理尤為重要［2］。地基土液化主要受土性條件，初始應(yīng)力條件，動載荷條件和排水條件等因素影響。

以砂土為研究對象，當?shù)卣鸢l(fā)生的時候，松散的砂土?xí)凶兠軐嵉默F(xiàn)象，但是對于飽和砂土來說，它的孔隙因為被水填滿，因此這種使砂土趨于密實的作用導(dǎo)致孔隙水壓力短時間內(nèi)迅速上升，而且來不及散去，這就使砂顆粒之間傳遞承載力減弱。當這種傳遞壓力完全消失時，砂土地基層就會完全喪失抗剪強度和地基承載力，當變形超過容許變形時，就發(fā)生破壞。砂土在地震作用下發(fā)生破壞的機理非常復(fù)雜，一般來說，砂土受到振動時，每個顆粒都受到其值等于振動加速度和顆粒質(zhì)量乘積的動力的反復(fù)作用，由于砂土顆粒間沒有內(nèi)聚力或內(nèi)聚力很小，慣性力周期性地反復(fù)作用，各顆粒都處于運動狀態(tài)，它們之間的相互位置產(chǎn)生調(diào)整，土體液化破壞主要是振動荷載引起的，所以對土的動力強度理論需要深入地研究。在這方面的研究中也有許多理論可以借鑒。對于砂土液化機理筆者認為:除傳統(tǒng)的孔隙水壓力和有效應(yīng)力理論外，更應(yīng)采用彈塑性動力分析方法來研究。還可以對土體液化后的應(yīng)力應(yīng)變性狀及飽和砂土液化后的剪切吸水效應(yīng)、剪切吸水率對飽和砂土液化后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響做一些研究。

另外，考慮地震作用的隨機性，以及砂土本身的抗液化強度由于受多種復(fù)雜因素的影響也存在嚴重的不確定性，所以概率理論引入土體液化理論就顯得尤為重要，同時模糊數(shù)學(xué)理論也在研究中獲得應(yīng)用，其中，就有利用剪切波速來考慮抗液化強度的相關(guān)研究。對大量原狀砂土且為同一類土，在同一固結(jié)壓力作用下，研究原狀土與重塑土樣抗液化強度與初始剪切波速之間的相關(guān)性。結(jié)果表明:當判別液化強度的應(yīng)變標準不超過6%時，土的抗液化強度與初始剪切波速之間存在良好的對應(yīng)關(guān)系。同時得出結(jié)論:飽和砂土剪切波速與抗液化強度之間的對應(yīng)關(guān)系是滿足一定前提條件才成立的。另外，可以加大地震液化判別專家系統(tǒng)的研發(fā)，這將大大提高地震液化判別的客觀性和科學(xué)性，為解決復(fù)雜的工程問題創(chuàng)造了條件。

4 防止土體發(fā)生液化破壞的有效措施

當?shù)卣鹨鹜馏w液化而破壞大量出現(xiàn)后，土體液化引起了巖土工程界的普遍關(guān)注，并同時出現(xiàn)了多種處理方法:如換土與加密，采用樁基，加入固化劑，設(shè)置地下墻和碎石樁等。筆者將重點介紹碎石樁的加固方法。該方法具有無可比擬的優(yōu)點:加固效果好，成本低，施工方便，而且在實際工程中已得到廣泛使用，并且這種加固技術(shù)在地震中得到檢驗，證明是非常有效的［3］。碎石樁又稱為粗顆粒土樁，是指用振動，沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔，再將礫石、卵石或碎石等壓入已成的孔中，形成大直徑的，由碎石等所構(gòu)成的密實樁體。我國常用的抗液化碎石樁施工技術(shù)主要有振沖法和干振法。

碎石樁抗液化機理:首先振沖碎石樁在成孔和擠密碎石過程中，將土體擠得密實，從而提高了地基的抗剪強度和抗液化性能;其次，碎石樁是以透水性好的碎石構(gòu)筑，可改善排水條件，因此在地震期加速孔隙水壓力消散，使孔壓消散與增長同時發(fā)生，降低由于循環(huán)荷載作用而產(chǎn)生的超孔隙水壓力，防止地基液化提高地基抗液化能力;最后，碎石樁復(fù)合地基中樁體的剛度遠大于樁間天然土體，因此在地震作用時，地震剪應(yīng)力在相對剛度較大的碎石樁上產(chǎn)生地震剪應(yīng)力的集中，因而減小了作用在樁間上的剪應(yīng)力，從而起到了減震的作用。但是，就我國目前的碎石樁復(fù)合地基的抗液化設(shè)計方法仍然具有一定的盲目性，僅考慮加密作用，過于保守，仍需進一步研究?？傊?，土體液化而導(dǎo)致破壞理論以及抗液化因素與措施在實際工程中顯得越來越重要，本文分析了地震作用下飽和砂土液化破壞的機理，也提出碎石樁這一有效的防治措施，對工程實踐具有一定的借鑒意義。

［1］ 汪聞韶.土體液化與極限平衡和破壞的區(qū)別與聯(lián)系［J］.巖土工程學(xué)報，2005，27(1):66-67.

［2］ 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算［M］.北京:中國水利水電出版社，2005:260-263.

［3］ 黃春霞，張鴻儒，白順果.碎石樁復(fù)合地基抗液化設(shè)計方法的分析［J］.巖土工程技術(shù)，2004，18(6):111-112.