砂土液化概念的再認識?

許國輝, 陳志遠, 任宇鵬, 劉志欽,4

(1. 中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學 山東省海洋環境地質工程重點實驗室, 山東 青島 266100; 3. 中國海洋大學 海洋地球科學學院, 山東 青島 266100; 4. 自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266100)

具有固體性狀的砂土,當孔隙中飽含水時,在地震或波浪等循環動荷載作用下會轉變為流體性狀,此現象稱為飽和砂土液化,簡稱為砂土液化,是一種常見的工程地質災害,其結果是地基喪失強度,導致上部的建筑物失去支撐而失穩,造成損失。黃文熙在“砂基和砂坡的液化研究”一文中[1],指出沈括《夢溪筆談》中記述到的“活沙”,實際是河道上發生的砂土液化現象,說明砂土液化現象自古就已被人們關注到。在石原研而所著的《土質動力學基礎》中[2],砂質土的液狀化一章中,也提及砂土液化現象自古為人所知。這說明砂土液化問題自古就給人類活動造成影響。

謝爾蓋也夫在《水文地質工程地質》雜志上“土的液化及觸變性”一文的描述中提到較早對砂土液化研究產生重要影響的是太沙基(Terzaghi)[3]。太沙基于1920年,將土的流動性與靜水壓力建立聯系,即用有效應力原理來解釋土的液化問題[4]。黃文熙等在文章中[1,5],提及此前砂土液化“問題的實質(機理)還未徹底闡明”,進而在文中給出了描述性的闡述:“飽和松砂的振動壓密過程可以分成二個階段。首先振動使砂粒逐漸脫離相互間的接觸,變成懸浮在水中,在這一階段中,砂土原來所受的壓力逐步由砂粒骨架轉移到水上去,最后孔隙水壓力達到一最高值。在這個時候砂土的抗剪強度減低得很多,它可能開始像液體一樣發生流動。在第二階段中,由于孔隙水壓力的產生,部分孔隙水會陸續排走,浮動的砂粒也將重新堆積并且排列成比原來更緊密的狀態。”汪聞韶對砂土液化的機理也給出和黃文熙相近的描述[6]:“飽和砂土在振動作用下,由于顆粒骨架結構的變形、松動、破壞和趨向于進一步壓密,以及在此過程中孔隙水排出的遲后影響,原來由砂土顆粒骨架所承擔的荷裁,將部分或全部轉移給充滿在它孔隙中的水,從而造成孔隙水壓力的暫時升高和顆粒間有效壓力的相應降低,將在短時期內減弱砂土的抗剪強度。”石原研而[2]、謝定義[7]等對砂土液化機理解釋與黃文熙的相近,而謝定義增加有“土體的向下沉落受到孔隙水向上排出的阻礙,使土粒處于局部或全部懸浮的狀態”這樣的表述內容。在最新的《工程地質分析原理》教材[8]和《工程地質手冊》[9]中,對砂土液化機理描述延續了前述的內容。

從上述對砂土液化發生機理的解釋,可以看出,目前應用有效應力原理,將砂土液化發生時孔隙水壓力變化和土體強度喪失的現象進行了力學理論的描述。但是,原來彼此接觸鑲嵌的砂粒在振動作用下為何發生了懸浮?土顆粒骨架原來承擔的荷載怎樣轉移給了孔隙間的水?孔隙水壓力為何會升高,升高的部分是怎樣來的,在砂土液化進程中是原因還是結果?原來由砂和水所構成的材料的抗剪強度為何會減弱乃至喪失?這些問題在目前的砂土液化機理解釋中沒有進一步的明確表達,由此出現在科研與教學中,會遇到有研究者和學生對砂土液化發生的機理把握不清楚、砂土液化的概念理解不準確的現象。

對于某一事物,根據其表現出的現象,給出可被人們容易理解和接受的形象的稱謂詞語,一般較容易,但是以科學的概念形式進行定義[10]則較困難,因為概念要反映客觀事物的一般的、本質的特征,明確其內涵與外延[10-11]。目前對于飽和砂土液化概念的定義即存在此困難,砂土液化問題屬于土動力學的研究范疇[7],其概念需要在砂土顆粒和水的動力學角度進行說明,而以有效應力原理來解釋是基于靜力學理論的。本文從動力學角度對砂土液化的過程和機理進行分析,并對已有實驗數據進行了物理過程本質的剖析。聯系一些固體形狀物質在動力作用下變為流體的現象,引申出固形物體動力流化的概念。

1 飽和砂土液化的過程與機理分析

通過動三軸進行飽和土體液化的實驗,一般地,對均一圍壓下正常固結均質砂土,會得到如圖1給出的動應力、動應變、孔壓變化的過程曲線[6]。該曲線表達的是在周期和振幅不變的以正弦波加載的動力作用下的實驗過程。初期,土樣的動應變僅有彈性變形響應,孔壓變化也僅是對動力荷載的加載響應(圖1中的階段Ⅰ);持續動力作用下,土顆粒之間產生變位發生結構破壞后,土樣變形開始不斷加大,此時孔隙水壓力波動幅度不斷加大并出現累積性升高(圖1中的階段Ⅱ);當土樣整體強度喪失后(圖1中的階段Ⅲ),土樣變形和孔壓對施加的動力的響應,變形呈現振幅不斷加大,孔壓變為在總體高壓力水平下的大幅度振蕩。波浪水槽實驗[12]和現場監測中[13]對土體各個層位的孔壓監測也出現如圖1相似的孔壓變化過程。

圖1 飽和土體液化實驗動應力、動應變、孔壓變化時程圖

首先需要說明的是,通常開展砂土液化的動三軸實驗,施加的動應力幅值要小于土體原始狀態下的靜強度,并大于某一個低的臨界值。其原因在于:動應力大于了土的靜強度,僅施加1次荷載土體就已經破壞;動應力低于臨界值時,土體僅限于彈性變形響應,不發生液化。

其次必須確認一點,現實的砂土,不是直徑、強度完全一致的球體緊密排列而成。飽和砂土的結構,顆粒的大小、形狀以及強度有差異,排列不均勻,內部孔隙大小有不同(見圖2),孔隙被水所充填。

(A:土體受到向右的加速度為a的動力作用,左側有冗余空間的M1、M2、M3受到周圍顆粒C的約束;B:在A圖中的動力作用下,左側有冗余空間的M1、M2、M3脫離開原來位置,其右側出現冗余空間。A: The soil is subject to the dynamic action of acceleration a to the right, and M1, M2, M3 with redundant space on the left are constrained by the surrounding particle C; B: Under the dynamic action in A, M1, M2 and M3 with redundant space on the left side are separated from the original position, and redundant space appears on the right side.)

下面,結合飽和砂土的結構性,按照動力引起土顆粒變位是慣性離散和側向擠出方式的不同,對圖1的典型動三軸實驗曲線給出機理分析。

1.1 動力引發土顆粒慣性離散的液化

因為內部結構存在差異性,土體中的某些顆粒(見圖2中的M1、M2顆粒)或某些顆粒集合體(見圖2中的M3),因結構排列的位置及臨近存在冗余空間,在施加諸如地震或者振動臺高頻振動等強度較大、頻率較高的動力荷載時,其離散力與約束力相比于其他的顆粒或顆粒集合體是不同的,具有容易脫離開其原來位置的優勢。以具有圖2所示結構的砂土為例,顆粒M1、M2和顆粒集合體M3受到周圍接觸的顆粒C的約束,但是其左側具有容納其發生位移來占據的冗余空間。當土體整體上受到向右側的動力作用時,具有較緊密接觸聯系的顆粒相互進行力的傳遞,土體整體向右側運動(見圖2A);但是,M1、M2、M3因為左側無接觸顆粒,僅依靠旁側位置顆粒C的約束力向右拉動,當促使其停留在原地的慣性力(離散力的一種)大于了其周圍顆粒C的約束力,M1、M2、M3將脫離原來的位置進入到其左側的冗余空間,發生與周圍接觸顆粒的分離運動。當M1、M2、M3與原來接觸顆粒分離后,其所空出的原來空間,成為其周圍接觸顆粒的冗余空間(見圖2B),導致周圍顆粒也將在不斷的動力作用下,與其周圍約束的顆粒發生分離運動,產生顆粒相互分離運動的鏈式反應過程,土顆粒不斷離散。在持續動力作用下,土顆粒彼此之間因為受到隨機的相互碰撞作用,土體形成以顆粒之間碰撞支撐并傳遞應力的顆粒流動。

以上僅考慮了土體的固相顆粒,下面對土孔隙中水的作用加以分析。水可以瞬時傳遞壓力但是不能傳遞和承受剪應力。對于圖2中上部存在水可以流動的空間的情境來說,當受到向右側的動力作用時,因為慣性停留作用,水體在施加力的圖2A的左側邊界處將向上部流動,中間及右側位置處的水體向左流動。M1、M2、M3周圍的水體將相對向左運動,施加給土顆粒向左的拖曳力作用。同樣的孔隙水的拖曳力也施加給了約束M1、M2、M3的周圍的土顆粒C,使得C也與M1、M2、M3一樣相對向左運動,這樣孔隙水對M1、M2、M3的分離運動似乎沒有幫助。但是,左側水體向上流動帶動土顆粒向上的流出,導致左側土體疏松產生冗余空間;水的壓縮系數(一般是10-4MPa-1量級)要比砂粒的壓縮系數(一般是10-5～10-6MPa-1量級)大,M1、M2、M3左側較大空間中充填的水通過更多的壓縮給土顆粒的分離運動提供冗余空間。這樣,孔隙水將為土顆粒的分離運動提供幫助。

1.2 動力引起土顆粒側向擠出的液化

對于大小顆粒混雜且排列結構不均勻,尤其是有眾多細粒組成的土體,由于顆粒形狀多樣,難以密實,會形成很多大小不一的孔隙結構。當土體受到諸如波浪的循環動力,在波峰時施加在土體表面的力會以力鏈形式傳遞到土體內部[14-15]。力鏈是由于土顆粒有相對緊密和相對疏松的土顆粒非均勻排列所造成,力鏈形成于緊密排列的顆粒方向上(見圖3A)。若應力較大的力鏈上,某位置處的傳遞力的土顆粒(見圖3A中的2個標有箭頭的顆粒),其側向有冗余空間,并且冗余空間恰好處于該顆粒力鏈方向轉折凸出方向,則該顆粒容易向冗余方向擠出,進入到疏松的孔隙中。由于力鏈上某位置顆粒向冗余空間的運動,力鏈上該顆粒位置又成為冗余空間,繼而相鄰力鏈上的某些顆粒可以向新形成的冗余空間變位,形成顆粒變位的鏈式反應。當土體處于波谷作用時,土體表面垂向施加的力減小,由于相鄰的2個波峰對土體的側向擠壓作用,波谷處土體將處于以水平向力作用為主的狀態,可以形成大致水平方向的力鏈(見圖3B)。同樣,近于水平方向的力鏈上的某些顆粒,若處于如前波峰壓力作用下易于向冗余空間變位的位置,則同樣發生土顆粒變位的鏈式反應過程。進一步分析,在波谷處因為以水平向力鏈作用為主,而土顆粒向上部變位需要克服的阻力更小(土體表面為自由邊界,水平擠壓作用下更容易向上變位),所以土體在波谷作用時更容易變疏松,呈液化態。

(A:波峰時土體中產生近垂向力鏈;B:波谷時土體中產生近水平向力鏈。A: Near-vertical force chain in soil during wave crest; B: Near-horizontal force chain in soil during wave trough.)

2 飽和砂土液化孔壓增高的解釋

黃文熙所述“振動使砂粒逐漸脫離相互間的接觸,變成懸浮在水中,在這一階段中,砂土原來所受的壓力逐步由砂粒骨架轉移到水上去,最后孔隙水壓力達到一最高值。”描繪了砂土液化過程中的現象,給出了依據有效應力原理的孔隙水壓力增高的解釋,而增高的孔隙水壓力實質來源并未給出清晰解答。下面以增高的孔壓實質是已經懸浮的土顆粒的浮重觀點來加以解釋。

針對圖1所給的飽和土體液化實驗的動應變、孔壓的變化過程,可以給出顆粒發生相互分離運動的鏈式反應過程的機理解釋。階段Ⅰ,土體顆粒結構未發生任何變化,或僅有零星顆粒發生與周圍顆粒的分離運動,土體在宏觀上未呈現出變化,此階段動應變和孔壓僅是對外部施加的動力呈現彈性響應變化。階段Ⅱ,某些顆粒或顆粒集合體發生與周圍顆粒的分離運動并產生鏈式反應,脫離開原來位置的土顆粒或顆粒集合體懸浮于水中,但是土體依然具有整體上相互支撐的結構性,此階段土體要有更大的變形才能達到對施加動力的響應;由于土體顆粒相互分離的漸進發展,變形會不斷增加,由于不斷出現更多的土體顆粒脫離懸浮在水中,某一深度測量的孔壓值,因水附加承擔了上部懸浮土顆粒的浮重而加大,超出靜水壓力值。階段Ⅲ,顆粒或顆粒集合體不斷分離懸浮于水中,土體失去了整體的結構性,土顆粒之間不再具有鑲嵌支撐結構而喪失抗剪強度,土體呈現流體性質,完全液化,此階段動應變因為土的結構強度完全喪失而進一步加大,孔壓則在平均值上反映為水與土的浮重壓力之和(見圖4),孔壓波動幅度則與外部的動力作用值相對應。

(a.液化土層無蓋層;b.液化土層上有蓋層。a. Liquefied soil layer without overburden; b. Liquefied soil layer with overburden.)

圖4中所示各個深度位置處在土體完全液化時孔壓傳感器測量的壓力值,可以用如下公式給出:

P1=γwh1+γ*h1,P2=γw(h1+h2)+γ*(h1+h2),P3=γw(h1+h2+h3)+γ*(h1+h2),P4=γw(h0+h4)+γ*h4+γ0*h0。

其中:P1、P2、P3、P4為孔壓探頭所在深度處的孔壓值;γw、γ*、γ0*為水的容重、液化土的浮容重、蓋層土的浮容重。

3 砂土液化發展過程孔壓變化案例分析

3.1 振動臺砂箱液化實驗

本節以石原研而所做的砂箱振動臺液化實驗為例[2],對實驗過程中所記錄的孔隙水壓力時間變化曲線進行分析(見圖5)。實驗砂箱尺寸為長70 cm×寬30 cm×高65 cm,飽和疏松的砂鋪設高度為47.7 cm,水面與砂面齊平,在振動臺上做水平往復振動,測量記錄設置在砂面以下8.0、23.2和37.8 cm深度處的水頭,獲得液化砂土的超孔隙水壓力值。

(虛線表示各深度液化時所對應的時刻與超孔壓值。The dotted line indicates the corresponding time and excess pore pressure value of liquefaction at each depth.)

(γ*為土體浮重度。γ*is the floating weight of soil.)

砂箱振動實驗相當于施加于砂土上一種體力,動力同時施加于不同深度土顆粒上,使得不同深度的土顆粒幾乎在同時間發生變位運動而液化。

3.2 海床土體液化波浪作用水槽實驗

波浪荷載是施加在海床表面并向下傳遞的面力。室內水槽實驗結果表明對于均一海床,其液化發展具有自上而下漸進發展的特點(見圖7紅色虛線所示)[12],這種漸進性在海床液化的現場監測中也已被證實[13]。處于海床表面的土體,因受周圍約束力最小,在波荷載引起的循環正應力和剪應力作用下,最先發生土顆粒朝向冗余空間的變位運動并引發鏈式反應(見圖8a),最終使5.2 cm深度范圍內土體骨架完全潰散,土顆粒分散到水體中導致孔隙水壓力的升高,即有效應力原理判斷的液化(見圖7)。已經液化的土體會隨波浪一起波動并對其下伏穩定土體施加額外的波動力作用[16-18],在波浪和液化土體波動力的聯合作用下,5.2 cm深度以下的土體顆粒也會發生變位運動并引起鏈式反應使土骨架失效,土顆粒分散后隨波浪一起波動,并引起超孔壓的增高,這一過程持續進行直至達到海床最大液化深度(見圖8b—e)。

(紅色虛線為各深度液化時刻對應超孔壓水頭。The red dotted line is the corresponding excess pore water head at the time of liquefaction at each depth.)

圖8 海床波浪水槽液化實驗進程示意圖

4 砂土液化概念的再描述

4.1 砂土液化的本質原因及概念描述

由前面液化過程和機理分析,砂土液化的本質原因在于砂粒在振動作用下脫離了原來彼此相互支撐的位置,懸浮在水體之中,性狀呈現流體性質,這是黃文熙對砂土液化概念所描述的第一階段,而第二階段的孔隙水排出,砂粒壓密則是太沙基固結理論可以描述的固結過程。而黃文熙所提的砂土液化“問題的實質(機理)還未徹底闡明”,應該是為何“振動使砂粒逐漸脫離相互間的接觸,變成懸浮在水中”這一問題,解讀清楚此問題才說明了砂土液化的本質原因。

因此,飽和砂土液化的概念可以描述為:在地震或波浪等循環動力作用下,某些砂粒周圍有冗余空間時,因其向冗余空間運動的慣性離散力大于其周圍約束力而向冗余空間產生分離運動,懸浮于水中,進而其原來占據空間成為周圍砂粒產生同樣分離運動的冗余空間,周圍顆粒也向冗余空間分離并懸浮于水中,產生砂粒分離懸浮的鏈式反應過程,最終使砂土呈現出離散的流動現象。砂粒脫離開原來位置主要是因為振動的慣性力作用,而孔隙水的流動對砂粒脫離原來位置有協助作用,同時砂粒在水介質中沉降速度慢,孔隙水還為砂粒提供懸浮條件。土體主要是依靠土顆粒之間的鑲嵌支撐提供抗剪切能力來承擔荷載,顆粒逐漸懸浮于水體中呈現流體性質將逐漸失去抗剪能力。某深度位置的超孔隙水壓力(測量的孔隙水壓力減去靜水壓力)是由其上部懸浮的土體浮重所形成,超孔隙水壓力出現說明土體已經液化,孔壓升高為砂土液化之結果。但是根據圖3中的孔壓值分析,不妨礙利用有效應力原理以孔壓值來表征土體液化的判斷問題。

4.2 對類似砂土液化現象的擴展描述

工程地質災害中的滑坡、泥石流等,均存在土體從具有固體性質轉為松散流動的現象。比如降雨誘發土質滑坡,滑坡體在運動后土顆粒碎散與水結合,形成碎屑流,泥石流是碎散土石在水流作用下沿溝谷流動,最終與液化砂土一樣具有液體的流動性。

擴展一下具有固體性質的顆粒集合體在動力作用下轉變為流體的現象,可以給出動力流化的概念,同時也對前文中離散力、約束力、鏈式反應等概念給出清晰解釋。

固形性狀物體在動力作用下的流化現象的共同特點:(1)具有固形性狀的物體具有非均質的結構;(2)有足夠強度的動力作用,使得組成物體的顆粒或者物質團產生離散力,能夠使其與周圍約束體之間發生分離運動;(3)物體內部或其邊界存在發生分離運動的顆粒或物質團變位的冗余空間;(4)顆粒或物質團的分離運動,在持續動力作用下出現鏈式反應過程。

基于固形性狀的物體在動力作用下發生流化所具有的共同特點,可以總結給出動力流化這一概念,以概括發生此類現象的實質。

動力流化(Dynamic fluidization):具有非均質結構的固形物體,其結構組成的某個或某些物質團,在外部動力作用下,當其所受離散力大于其周圍約束力時向相鄰的冗余空間產生分離運動而離散,離散的物質團原來所占據空間成為其周圍物質團的冗余空間,隨著動力作用的持續,周圍物質團也進入分離運動的鏈式反應過程,最終使固形物體呈現出物質團的離散流動現象。

在動力流化的概念中涉及到幾個術語,解釋如下:

固形物體(Solid body):由物質團組成的具有固體物理力學性質的物體。該物體可由碎散的固體顆粒堆積形成,也可由物理力學性質有差異的固體顆粒以化學鍵聯結形成。

物質團(Matter mass):組成固形物體的基本單元,與其它物質團有弱連接界面,在動力作用下具有整體運動的能力。物質團是一個相對的概念,對于由碎散顆粒組成的固形物體,其物質團可以是單個顆粒,也可以是一些顆粒緊密連接的集合體,相對于動力作用下產生的離散力能夠使其保持整體運動的特征。

冗余空間(Redundant space):應用于動力流化的概念中,是指在固形物體的內部或邊界,可以提供給物質團變位移動的力學性質相對軟弱的空間。對碎散顆粒組成的固形物體,冗余空間可以是碎散固體顆粒堆積時產生的較大孔隙;對有差異的固體顆粒以化學鍵聯結形成的固形物體,冗余空間可以是力學性質軟弱的物質團所占據的部分空間;冗余空間也可以是固形物體邊界處空氣或水所占據的空間。

離散力(Dispersive force):是指使某物質團脫離開原來其所處結構位置的力。包括振動加速度形成的物質團的慣性力、顆粒接觸進行力的傳遞路徑中促使某個物質團側向擠出的力、流體運動對顆粒的拖曳力、顆粒之間相互碰撞的力等。

約束力(Constraint forces):是指某個物質團周圍促使其保持在原有結構位置處的力。一般是指某個物質團周圍接觸的物質團對其施加的力。

鏈式反應(Chain reaction):在動力流化的概念中,是指某個物質團在動力作用下與周圍約束的物質團發生向冗余空間的分離運動,該物質團原來所占據的空間成為其周圍物質團的冗余空間,使得周圍的物質團也容易發生在動力作用下的分離運動,在此稱這樣的反應為鏈式反應。

5 結語

本文從動力學角度對砂土液化進行了機理分析,相比于采用基于靜力學的有效應力原理來解釋土體的液化,能夠更加清晰地反映砂土液化的本質特征,同時也明晰了砂土液化研究中孔壓的變化是砂顆粒離散懸浮所導致的結果。在對砂土液化概念的本質分析基礎上,對類似砂土液化現象的擴展到動力流化的概念。建議后續在相關問題的研究中,開展從動力學角度解決固形物體發生動力流化的力學表達方面的工作。