論土體液化與地基極限荷載和工程破壞的關系

廖輝輝

（廣州華磊建筑基礎工程有限公司，廣東 廣州510403）

1 綜述

地基的極限荷載特指地基在外荷載作用下產生的應力達到極限平衡狀態時的荷載。常規工程設計不僅不會允許外荷載達到極限荷載，還會預留足夠的安全儲備空間。地基極限荷載不僅與巖土的性質有關，還與建筑物或構筑物采用的基礎外形、尺寸及埋深等因素有關，并非一個固定不變的數值。因受多種因素影響，在工程實踐中并非完全通過荷載試驗實測極限荷載，很大概率是通過各種土力學公式計算求得。

在土力學經典公式中，地基極限承載力Pu的計算公式都由幾部分組成：首先是基礎底面下滑動土體重量的影響，為基礎寬度B 及基底以下土的容重γ 的函數；其次是基礎兩側超載的影響；第三項是與土的內聚力c 相關，為土體內聚力c 的函數。其中基礎的形狀系數Sγ、Sq、Sc和承載力系數Nγ、Nq、Nc是土的內摩擦角的函數，在不同的土力學公式中承載力系數表達式不盡相同。

土力學經典公式計算極限承載力的各類公式都建立在一個假設的前提，就是地基土是不可壓縮的剛塑性體，地基是存在整體剪切破壞的。一旦地基土體為軟弱土層時，土體將存在局部剪切或沖剪破壞的可能性，在這種情況下土體實際是發生了壓縮變形的，如果還繼續采用地基土不可壓縮假設建立起來的土力學公式計算極限承載力將會得到偏大的結果。在后來的研究中，太沙基（K.Terzaghi）提出了對局部剪切破壞情況近似地采用減小土的抗剪強度指標的辦法進行修正，以及其他土力學研究者提出了各自的觀點看法。

世界各國計算土體極限荷載的方式方法有很多，其中尤以沙太基（K.Terzaghi）公式、斯凱普敦（Skempton）公式、漢森（Hansen J.B）公式最為常用。在經典的土力學理論中，此三公式各自有其特定的適用條件：沙太基（K.Terzaghi）公式適用于條形基礎、方形基礎、圓形基礎；斯凱普敦（Skempton）公式適用于內摩擦角φ=0 飽和軟土地基中的淺基礎；漢森（Hansen J.B）公式適用于傾斜荷載的情況。在滿足各公式適用條件時，用其計算土體極限荷載的實用性、可行性已經工程實踐證明，無需贅述。在此文中僅針對在土體發生液化的極端情況，分析探討極限荷載的計算結果。

目前，對土體液化的定義不盡相同，尚未有標準定義。這從一個側面反映出土液化性質的復雜性。但有一點是明確的，即土體在外力作用或其他一種或多種因素影響下從固態轉為液態的行為和過程。這種土體由固態向液態轉化是因為該土體受外部作用后，土體中的孔隙水壓力逐步增大和有效應力逐步減小趨近為零以致抗剪能力急劇降低的結果。

2 計算分析

2.1 沙太基（K.Terzaghi）公式pu=γbNγ/2+cNc+qNq

式中：pu-地基極限荷載，kPa；γ-基礎底面以下地基土的天然重度，kN/m3；b-基礎寬度，m；c-基礎底面以下地基土的粘結力，kPa；q-基礎的旁側荷載，其值為基礎埋深范圍土的自重壓力γd，kPa；Nγ，Nc，Nq-地基承載力系數，均為tgα=tg（45°+φ/2）的函數，即φ 的函數，可以查有關圖表或直接按Nγ=tg5α-tgα，Nc=2（tg3α+tgα），Nq=tg4α 計算確定。

在出現土體液化極限條件時，土體內摩擦角φ=0，將此值帶入上述表達式計算可得出pu=4c+q。在土體發生液化時，土體粘結力完全喪失，即c=0，且q=γd，因此在土體液化時沙太基（K.Terzaghi）公式最終表達式可簡化為pu=γd。

2.2 斯凱普敦（Skempton）公式pu=5c（1+0.2b/L）（1+0.2d/b）+γd

式中L 為矩形基礎的長度，其他字母含義同沙太基公式。

在土體發生液化時，土體粘結力完全喪失，即c=0，因此在土體液化時斯凱普敦（Skempton）公式最終表達式可簡化為pu=γd。

2.3 漢森（Hansen J.B）公式puv=γ1bNγSγiγ/2+cNcScdcic+qNqSqdqiq

式中puv-地基極限荷載的豎向分力，kPa；γ1-基礎底面以下持力層土的重度，地下水位以下用有效重度kN/m3；Sγ，Sc，Sq-基礎形狀系數，可按以下近似公式計算：

（1）Sγ=1-0.4b/L；

（2）Sc=Sq=1+0.2b/L；

（3）對條形基礎Sγ=Sc=Sq=1

dc，dq-基礎埋深系數，按以下近似公式計算：dc=dq=1+0.35d/b；iγ，ic，iq-傾斜系數，與作用荷載傾斜角δ0有關，可根據δ0與φ 查表得到。當基礎中心受壓時，iγ=ic=iq=1。

其他字母含義同沙太基、斯凱普敦（Skempton）公式。

在出現土體液化極限條件時，土體內摩擦角φ=0，土體粘結力喪失，即c=0。

∵Nγ=tg5α-tgα

上式中的dq=1+0.35d/b，d 為基礎埋深系數，如在埋深范圍內存在強度小于持力層的軟弱土層時，應將此軟弱土層的厚度扣除。當土體發生液化現象時，埋深范圍內的土體強度顯然小于持力層，此時軟弱土層的厚度應予扣除，即土體發生液化現象時dq=1+0.35d/b 中的d=0，所以此時dq=1。

漢森（Hansen J.B）公式適用于基礎埋深d＜b 基礎底寬的情況，并考慮了基礎埋深與基礎寬度之比值的影響。對于中心受壓的條形基礎有Sq=1，iq=1。所以，當土體發生液化時，漢森（Hansen J.B）公式在中心受壓的條形基礎可以得出以下結論：puv=q=γd。

綜上所述在土體發生液化的極端情況，即便采用適用于不同土體情況、不同荷載作用、不同水文環境、不同外界荷載類型及錯綜復雜的各種因素的不同計算極限荷載值的太沙基（K.Terzaghi）公式、斯凱普敦（Skempton）公式、漢森（Hansen J.B）公式計算極限荷載值具有統一性，即在土體液化狀態下pu=γd。

3 土體液化時的極限荷載值與工程破壞的關聯性

土體液化、極限荷載值和工程破壞是三個不同范疇的界定標志。液化是物態轉化意義上的表現，即由固體狀態轉化為液體狀態的過程。極限荷載值是荷載與承載能力即剪應力與抗剪強度間達到臨界平衡的界限值，它的主要標志和準則是土體中的剪應力等于該處土的抗剪強度，是力量抗衡在平衡狀態的極大值。破壞是從工程或環境使用安全角度，人為地選定的安全度評價標準，它的標志和準則可以是土體的位移、變形、裂縫、漏水、管涌等等的安全容許界限的出現。所以此三者是完全不同的概念，有明顯區別的，在工程應用中必須分清，而不能互換和錯用的。

當土體出現液化時，由第二部分的計算分析章節可知無論采用沙太基（K.Terzaghi） 公式還是斯凱普敦（Skempton）公式又或是漢森（Hansen J.B）公式計算極限荷載值最終都可表達為pu=γd，顯然土體出現液化時極限荷載值顯著降低，極易誘發工程破壞。由此可見，三者之間存在一定的關聯性。

在巖土工程界所關心的是土體液化其實質是由土體液化所引起的工程破壞或相關的災害。巖土工程界口中說的“防止液化”，實則內涵為“防止土體液化引發的工程破壞致使災害事件發生”，而非土體液化與否。目前，《建筑抗震設計規范》《水利水電工程地質勘察規范》等很大一部分的國家規范和行業規范在抗震設計中所判定土層是否有可能發生液化的判定標準大部分是以工程現場是否出現管涌、冒沙、井噴、流滑等現象作為判定標準。換句話說，這些規范中的判別土體液化的標準都是土體液化產生明顯肉眼可見的破壞現象為裁判準繩。因此，容易造成一種假象，即土體液化就意味工程破壞。然而，真實情況并非完全如此。當土層埋深較大，上面被較厚非液化土層所覆蓋，或者被人工嚴密圍封的土體，這些處于封閉狀態的土層即便發生了液化致使極限荷載值顯著降低，也不一定呈現出宏觀破壞現象。另外，具相關文獻資料顯示的研究成果表明，有的較密實的砂礫料，在實驗室的循環三軸試驗中可以出現“初始液化”，但在現場未必會呈現出宏觀破壞現象。所以可以認為，土體液化時的極限荷載值顯著降低與破壞并非具有完全關聯性。

4 結束語

土體的極限荷載值是評價地基承載能力與地基穩定性的重要參數指標，工程實踐中常常用工程荷載值與其比較大小，作為判定是否會發生工程破壞的依據，很大程度上有其現實作用。然而，在土體發生液化時致使極限荷載值顯著降低，在特定條件下也不會發生工程破壞。因此，不能單純用工程荷載值與極限荷載值進行數值大小比較就判定是否會發生工程破壞。這對于巖土工程設計與工程實施有現實意義，應給予重視。