地基土液化判別標準簡述

程 超

(中國石油天然氣華東勘察設計研究院巖土工程處，山東青島266071）

地基土液化判別標準簡述

程 超*

(中國石油天然氣華東勘察設計研究院巖土工程處，山東青島266071）

多年來，對于液化的評價，實驗室和現場研究大多數采用美國加州大學伯克利分校Seed和ldriss等人提出的初始液化方法。哈佛大學的Casagrande、Castro、Poulos認為初始液化并不意味著實際液化,它也可以產生循環液化而不產生實際液化,他們認為可以采用穩態強度作為判別能否發生實際液化的標準。如何將理論微觀的液化判別標準，應用于具體的各種規范中，提高液化判別的適用性和準確性，將是一個非常有意義的研究課題。

地基土；液化判別標準；初始液化；穩態強度

1 概述

合理的確定液化破壞標準是討論液化強度的基礎，液化通常伴隨著大規模的地面沉陷變形、地裂滑移、噴水冒砂和房屋震陷等現象，這些現象是確定現場是否液化的主要標志。目前，作為各種判別液化的依據，也就是這類宏觀調查資料。另一方面，長期以來，人們普遍認為，產生上述宏觀液化現象時，土層的孔隙水壓力均等于有效覆蓋壓力，即超孔壓比等于1。但是，試驗研究表明，粉土的孔隙水壓力小于1時，飽和土層就開始對地面運動、地裂、滑移、房屋下沉產生影響，就可能出現通常所謂的液化現象，而此時土體的變形已經較大。與之相對應的是，有時地震過程之中并沒有產生液化，反而是地震過后一段時間里，大量地基遭到破壞。因此，選擇液化判別的標準就成為液化研究中一個十分重要的課題。

砂土液化分析的方法漸趨成熟化，但有關粉土液化問題，僅僅從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視，目前對粉土液化分析的資料相對較少。1968年D’Appoloni第一次考慮了粉粒和粘粒含量的影響后，1969年Iee和Fitton，1973年Gupta和Gangadhyay相繼提出了粘粒和粉粒對土的動強度的影響，才引起人們的關注。Seed[1]等(1985)以及Youd和Driss等[2](2001)相繼開展了細粒含量對抗液化強度的影響研究，得出了有益的成果。

2 液化判別標準的發展

自從1936年Casagrande提出砂土臨界孔隙水的概念算起，砂土液化的研究經歷了經驗階段（20世紀70年代以前），半經驗階段（20世紀70～80年代），目前正形成一個較完整的理論體系。有關粘土的液化問題的研究，則只是近幾年才開始的。

關于液化標準，最初時研究的大多是砂土，因此Seed提出的初始液化判別標準成為主要的液化判別標準。后來，人們逐漸發現粉土甚至粘性土也可以發生液化，因此在初始液化中又在孔壓標準的基礎上發展出了應變判別標準。20世紀80年代以后，國際學術界將注意力集中于液化后的力學性狀，因為“更為適當和經濟的方法是在液化已發生的前提下,確保邊坡和路堤抵抗流動破壞的穩定性,而不是去防止液化的觸發”。并在此基礎上，利于穩態強度理論發展形成穩態強度液化判別標準。

3 液化判別標準的主要分類

3.1 初始液化判別標準

對于液化的評價，實驗室和現場研究大多數采用美國加州大學伯克利分校Seed和ldriss等人提出的初始液化方法[3]。這種方法致力于研究由循環剪應力作用引起的孔隙水壓力增長，通過與工程實際建立起相關關系，來預測超靜孔隙水壓力和判斷液化是否能被觸發。

初始液化判別標準強調發生液化的應力條件，認為液化發生的條件為土的法向有效應力為零，土不具備任何抗剪切能力。當第一次出現這種零應力狀態時就認為土達到了初始液化條件，此后在動荷載的往復作用下，土體不斷出現初始液化狀態，表現出土的往返活動性，土的動變形逐漸累積，直至出現土的整體強度破壞或超過容許變形失穩值。

判斷土是否達到初始液化的標準可以是孔壓比也可以是應變。在室內液化試驗研究中，經常采用的液化破壞標準有：孔壓標準，即孔隙水壓力等于有效固結側壓力；極限平衡標準，即孔壓達到極限平衡狀態時的臨界孔隙水壓力；應變控制標準，即以應變達到一定值作為破壞點，對于粉土，工程上一般應用5%應變作為破壞標準。

3.2 穩態強度液化判別標準

Seed提出以初始液化作為液化判別標準,并以此為基礎通過動三軸試驗確定出動循環強度。但哈佛大學的Casagrande、Castro、Poulos[4]認為初始液化并不意味著實際液化,它也可以產生循環液化而不產生實際液化,因而初始液化后的結果到底怎樣并不清楚。他們認為可以采用穩態強度作為判別能否發生實際液化的標準。另外,穩態線還可作為判別飽和砂土是否可能產生實際液化或循環液化的標準。Poulos、Castro等(1985)[5]提出了利用穩態強度和穩態線判斷砂土是否發生實際液化。

Casagrande、Castro和Poulos等人提出的穩態強度理論，強調工程結構物的破壞表現為過量的位移、變形或應變。即使土體沒有達到初始液化的應力條件，只要土體結構破壞和孔壓上升引起強度弱化，出現具有液化狀態的流動破壞，就認為土已液化。

關于液化準則的選擇問題,Casagrande 1975年的文章[4],和Seed 1985年的文章[6]有比較詳盡的敘述。在文獻[6]中,Seed已經接受了Casagrande學派利用穩態強度判別實際液化的觀點,后來Seed父子與Castro共同發表文章(1992),利用穩態強度分析地震后Lower San Fernado壩滑移[7],進一步證實Seed已接受穩態強度的概念。

以前在國內很少有人討論過穩態強度及其在飽和砂土液化中應用的問題。直到近幾年才有文章討論這一問題[8-10]。20世紀90年代以后，國內外砂土液化的研究逐漸集中到對穩態強度的探討上來，這種觀點主要強調土的流動性，提出實際液化和循環液化的劃分，他們指出液化單元的強度由峰值降為穩態強度，只有當靜荷載產生剪應力大于穩態強度，才可能出現流動液化。據此，提出了用穩態強度和穩態線來判斷砂土是否出現液化流動，該方法在評估液化問題后危害問題上提供更加切合實際的方法。

楊振茂[9]從穩態強度理論的理論的角度分析黃土的液化標準。在低圍壓下的應力控制固結不排水三軸試驗中，飽和原狀黃土試樣在軸向應變增長到20%左右以后達到變形的穩態。穩態線和穩態強度線在半對數坐標上均為直線且不受超固結比的影響。

余湘娟等[10]通過對2種不同砂土的試驗,討論了低密度飽和砂土試樣的固結不排水剪切試驗方法及由試驗得到的結果提出的應變軟化模型及穩態強度,并對試驗所得結果及提出的模型用于堤壩及地基地震后穩定分析提出建議。

3.3 規范中的液化判別標準

我國的一些規范對于現有的液化可能性判斷法主要有:標準貫入擊數法、靜力觸探法、數理統計法、模糊數學法、剪切波速法、地震反應分析法等。

其中《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）是按標準貫入擊數進行判別。《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）按靜力觸探指標進行液化判別。而《天津市建筑地基基礎規范》（TBJ1-88）的判別方法是按剪切波速。

標準貫入擊數法應用最為廣泛也已經為世界上許多的學者認可。靜力觸探試驗為勘察部門普遍采用，它能提供連續的地層剖面，是一種可靠和方便的野外原位測試方法。Olsen(1997)[11]為了提供只根據錐尖阻力和套管摩擦力估計液化阻力的方法，發展了土的分類圖技術。Robertson等人提出用土的性狀指數，來對土進行分類。1998年NCEER會議推薦了Robertson的CPT液化判別方法。但這種土性狀指數計算麻煩，Juang[12]等人提出了一個更簡單的計算公式。

自1980年Dorby與Powell首先按應變法原理提出用剪切波速預測砂土液化勢的方法以來[13]，剪切波速法逐漸被重視，StokoeⅡ、Sasitharan、Robertson分別應用剪切波速得到一些經驗公式[14]，或用直觀方法劃定液化的分界線，并用該經驗公式或分界線來判別所研究的土體是否發生液化。

4 存在的主要的問題

目前我國頒布的各類規范所使用的判別液化的方法，都是是以地震現場的液化調查資料為基礎,并按照一定的統計方法與一些勘查方法如SPT、CPT建立相關關系，給出了判別液化與不液化的條件與界限。而這些地震現場的液化調查資料通常以地面沉陷變形、地裂滑移、噴水冒砂和房屋震陷等震害現象為確定是否液化的主要標志。長期以來，人們認為，產生上述宏觀液化現象時，土層的孔隙水壓力均等于有效覆蓋壓力。但是，試驗研究表明，粉土的孔壓比小于1時，飽和土層就開始對地面運動、地裂、滑移、房屋下沉產生影響，就可能出現通常所謂的液化現象。

如何將理論微觀的液化判別標準，應用于宏觀具體各種規范中，提高各種液化判別的適用性和準確性，這將是一個非常有意義的研究課題。

[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]汪聞韶.土的動力強度和液化特性,北京:中國電力出版社, 1997:1-169.

[9]楊振茂,趙成剛,王蘭民,饒為國.飽和黃土的液化特性與穩態強度[J].巖石力學與工程學報.2004,23(22)：3853-3860. [10]余湘娟,姜樸,魏松.砂土的穩態強度試驗研究[J].河海大學學報，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.徐州市堂張鎮飽和粉土液化性能試驗研究[J].地震工程與工程振動，2004，24（6）.

[13]陳國興，等.南京粉質粘土與粉砂互層土及粉細砂的振動孔壓發展規律研究[J].巖土工程學報,2004，26（1）.

[14]天津大學.土力學與地基[M].北京:人民交通出版社,1986.

TU435

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1004-5716(2015)08-0015-03

2015-01-10

2015-01-15

程超（1980-），男（漢族），山東臨沂人，工程師，現從事巖土工程勘察與設計工作。