程 超

(中國(guó)石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院巖土工程處，山東青島266071）

地基土液化判別標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)述

程 超*

(中國(guó)石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院巖土工程處，山東青島266071）

多年來(lái)，對(duì)于液化的評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)研究大多數(shù)采用美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Seed和ldriss等人提出的初始液化方法。哈佛大學(xué)的Casagrande、Castro、Poulos認(rèn)為初始液化并不意味著實(shí)際液化,它也可以產(chǎn)生循環(huán)液化而不產(chǎn)生實(shí)際液化,他們認(rèn)為可以采用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度作為判別能否發(fā)生實(shí)際液化的標(biāo)準(zhǔn)。如何將理論微觀的液化判別標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于具體的各種規(guī)范中，提高液化判別的適用性和準(zhǔn)確性，將是一個(gè)非常有意義的研究課題。

地基土；液化判別標(biāo)準(zhǔn)；初始液化；穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度

1 概述

合理的確定液化破壞標(biāo)準(zhǔn)是討論液化強(qiáng)度的基礎(chǔ)，液化通常伴隨著大規(guī)模的地面沉陷變形、地裂滑移、噴水冒砂和房屋震陷等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是確定現(xiàn)場(chǎng)是否液化的主要標(biāo)志。目前，作為各種判別液化的依據(jù)，也就是這類宏觀調(diào)查資料。另一方面，長(zhǎng)期以來(lái)，人們普遍認(rèn)為，產(chǎn)生上述宏觀液化現(xiàn)象時(shí)，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(yàn)研究表明，粉土的孔隙水壓力小于1時(shí)，飽和土層就開(kāi)始對(duì)地面運(yùn)動(dòng)、地裂、滑移、房屋下沉產(chǎn)生影響，就可能出現(xiàn)通常所謂的液化現(xiàn)象，而此時(shí)土體的變形已經(jīng)較大。與之相對(duì)應(yīng)的是，有時(shí)地震過(guò)程之中并沒(méi)有產(chǎn)生液化，反而是地震過(guò)后一段時(shí)間里，大量地基遭到破壞。因此，選擇液化判別的標(biāo)準(zhǔn)就成為液化研究中一個(gè)十分重要的課題。

砂土液化分析的方法漸趨成熟化，但有關(guān)粉土液化問(wèn)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(duì)粉土液化分析的資料相對(duì)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(duì)土的動(dòng)強(qiáng)度的影響，才引起人們的關(guān)注。Seed[1]等(1985)以及Youd和Driss等[2](2001)相繼開(kāi)展了細(xì)粒含量對(duì)抗液化強(qiáng)度的影響研究，得出了有益的成果。

2 液化判別標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)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(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)階段（20世紀(jì)70年代以前），半經(jīng)驗(yàn)階段（20世紀(jì)70～80年代），目前正形成一個(gè)較完整的理論體系。有關(guān)粘土的液化問(wèn)題的研究，則只是近幾年才開(kāi)始的。

關(guān)于液化標(biāo)準(zhǔn)，最初時(shí)研究的大多是砂土，因此Seed提出的初始液化判別標(biāo)準(zhǔn)成為主要的液化判別標(biāo)準(zhǔn)。后來(lái)，人們逐漸發(fā)現(xiàn)粉土甚至粘性土也可以發(fā)生液化，因此在初始液化中又在孔壓標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)展出了應(yīng)變判別標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)80年代以后，國(guó)際學(xué)術(shù)界將注意力集中于液化后的力學(xué)性狀，因?yàn)椤案鼮檫m當(dāng)和經(jīng)濟(jì)的方法是在液化已發(fā)生的前提下,確保邊坡和路堤抵抗流動(dòng)破壞的穩(wěn)定性,而不是去防止液化的觸發(fā)”。并在此基礎(chǔ)上，利于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度理論發(fā)展形成穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度液化判別標(biāo)準(zhǔn)。

3 液化判別標(biāo)準(zhǔn)的主要分類

3.1 初始液化判別標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于液化的評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)研究大多數(shù)采用美國(guó)加州大學(xué)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(huán)剪應(yīng)力作用引起的孔隙水壓力增長(zhǎng)，通過(guò)與工程實(shí)際建立起相關(guān)關(guān)系，來(lái)預(yù)測(cè)超靜孔隙水壓力和判斷液化是否能被觸發(fā)。

初始液化判別標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)發(fā)生液化的應(yīng)力條件，認(rèn)為液化發(fā)生的條件為土的法向有效應(yīng)力為零，土不具備任何抗剪切能力。當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)這種零應(yīng)力狀態(tài)時(shí)就認(rèn)為土達(dá)到了初始液化條件，此后在動(dòng)荷載的往復(fù)作用下，土體不斷出現(xiàn)初始液化狀態(tài)，表現(xiàn)出土的往返活動(dòng)性，土的動(dòng)變形逐漸累積，直至出現(xiàn)土的整體強(qiáng)度破壞或超過(guò)容許變形失穩(wěn)值。

判斷土是否達(dá)到初始液化的標(biāo)準(zhǔn)可以是孔壓比也可以是應(yīng)變。在室內(nèi)液化試驗(yàn)研究中，經(jīng)常采用的液化破壞標(biāo)準(zhǔn)有：孔壓標(biāo)準(zhǔn)，即孔隙水壓力等于有效固結(jié)側(cè)壓力；極限平衡標(biāo)準(zhǔn)，即孔壓達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的臨界孔隙水壓力；應(yīng)變控制標(biāo)準(zhǔn)，即以應(yīng)變達(dá)到一定值作為破壞點(diǎn)，對(duì)于粉土，工程上一般應(yīng)用5%應(yīng)變作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度液化判別標(biāo)準(zhǔn)

Seed提出以初始液化作為液化判別標(biāo)準(zhǔn),并以此為基礎(chǔ)通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)確定出動(dòng)循環(huán)強(qiáng)度。但哈佛大學(xué)的Casagrande、Castro、Poulos[4]認(rèn)為初始液化并不意味著實(shí)際液化,它也可以產(chǎn)生循環(huán)液化而不產(chǎn)生實(shí)際液化,因而初始液化后的結(jié)果到底怎樣并不清楚。他們認(rèn)為可以采用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度作為判別能否發(fā)生實(shí)際液化的標(biāo)準(zhǔn)。另外,穩(wěn)態(tài)線還可作為判別飽和砂土是否可能產(chǎn)生實(shí)際液化或循環(huán)液化的標(biāo)準(zhǔn)。Poulos、Castro等(1985)[5]提出了利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)態(tài)線判斷砂土是否發(fā)生實(shí)際液化。

Casagrande、Castro和Poulos等人提出的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度理論，強(qiáng)調(diào)工程結(jié)構(gòu)物的破壞表現(xiàn)為過(guò)量的位移、變形或應(yīng)變。即使土體沒(méi)有達(dá)到初始液化的應(yīng)力條件，只要土體結(jié)構(gòu)破壞和孔壓上升引起強(qiáng)度弱化，出現(xiàn)具有液化狀態(tài)的流動(dòng)破壞，就認(rèn)為土已液化。

關(guān)于液化準(zhǔn)則的選擇問(wèn)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(xiàn)[6]中,Seed已經(jīng)接受了Casagrande學(xué)派利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度判別實(shí)際液化的觀點(diǎn),后來(lái)Seed父子與Castro共同發(fā)表文章(1992),利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度分析地震后Lower San Fernado壩滑移[7],進(jìn)一步證實(shí)Seed已接受穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度的概念。

以前在國(guó)內(nèi)很少有人討論過(guò)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度及其在飽和砂土液化中應(yīng)用的問(wèn)題。直到近幾年才有文章討論這一問(wèn)題[8-10]。20世紀(jì)90年代以后，國(guó)內(nèi)外砂土液化的研究逐漸集中到對(duì)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度的探討上來(lái)，這種觀點(diǎn)主要強(qiáng)調(diào)土的流動(dòng)性，提出實(shí)際液化和循環(huán)液化的劃分，他們指出液化單元的強(qiáng)度由峰值降為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度，只有當(dāng)靜荷載產(chǎn)生剪應(yīng)力大于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度，才可能出現(xiàn)流動(dòng)液化。據(jù)此，提出了用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)態(tài)線來(lái)判斷砂土是否出現(xiàn)液化流動(dòng)，該方法在評(píng)估液化問(wèn)題后危害問(wèn)題上提供更加切合實(shí)際的方法。

楊振茂[9]從穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度理論的理論的角度分析黃土的液化標(biāo)準(zhǔn)。在低圍壓下的應(yīng)力控制固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)中，飽和原狀黃土試樣在軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)到20%左右以后達(dá)到變形的穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)線和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度線在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上均為直線且不受超固結(jié)比的影響。

余湘娟等[10]通過(guò)對(duì)2種不同砂土的試驗(yàn),討論了低密度飽和砂土試樣的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)方法及由試驗(yàn)得到的結(jié)果提出的應(yīng)變軟化模型及穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度,并對(duì)試驗(yàn)所得結(jié)果及提出的模型用于堤壩及地基地震后穩(wěn)定分析提出建議。

3.3 規(guī)范中的液化判別標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)的一些規(guī)范對(duì)于現(xiàn)有的液化可能性判斷法主要有:標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法、靜力觸探法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、模糊數(shù)學(xué)法、剪切波速法、地震反應(yīng)分析法等。

其中《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）是按標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)進(jìn)行判別?！稁r土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）按靜力觸探指標(biāo)進(jìn)行液化判別。而《天津市建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》（TBJ1-88）的判別方法是按剪切波速。

標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法應(yīng)用最為廣泛也已經(jīng)為世界上許多的學(xué)者認(rèn)可。靜力觸探試驗(yàn)為勘察部門(mén)普遍采用，它能提供連續(xù)的地層剖面，是一種可靠和方便的野外原位測(cè)試方法。Olsen(1997)[11]為了提供只根據(jù)錐尖阻力和套管摩擦力估計(jì)液化阻力的方法，發(fā)展了土的分類圖技術(shù)。Robertson等人提出用土的性狀指數(shù)，來(lái)對(duì)土進(jìn)行分類。1998年NCEER會(huì)議推薦了Robertson的CPT液化判別方法。但這種土性狀指數(shù)計(jì)算麻煩，Juang[12]等人提出了一個(gè)更簡(jiǎn)單的計(jì)算公式。

自1980年Dorby與Powell首先按應(yīng)變法原理提出用剪切波速預(yù)測(cè)砂土液化勢(shì)的方法以來(lái)[13]，剪切波速法逐漸被重視，StokoeⅡ、Sasitharan、Robertson分別應(yīng)用剪切波速得到一些經(jīng)驗(yàn)公式[14]，或用直觀方法劃定液化的分界線，并用該經(jīng)驗(yàn)公式或分界線來(lái)判別所研究的土體是否發(fā)生液化。

4 存在的主要的問(wèn)題

目前我國(guó)頒布的各類規(guī)范所使用的判別液化的方法，都是是以地震現(xiàn)場(chǎng)的液化調(diào)查資料為基礎(chǔ),并按照一定的統(tǒng)計(jì)方法與一些勘查方法如SPT、CPT建立相關(guān)關(guān)系，給出了判別液化與不液化的條件與界限。而這些地震現(xiàn)場(chǎng)的液化調(diào)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(xiàn)象為確定是否液化的主要標(biāo)志。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為，產(chǎn)生上述宏觀液化現(xiàn)象時(shí)，土層的孔隙水壓力均等于有效覆蓋壓力。但是，試驗(yàn)研究表明，粉土的孔壓比小于1時(shí)，飽和土層就開(kāi)始對(duì)地面運(yùn)動(dòng)、地裂、滑移、房屋下沉產(chǎn)生影響，就可能出現(xiàn)通常所謂的液化現(xiàn)象。

如何將理論微觀的液化判別標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于宏觀具體各種規(guī)范中，提高各種液化判別的適用性和準(zhǔn)確性，這將是一個(gè)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(dòng)力強(qiáng)度和液化特性,北京:中國(guó)電力出版社, 1997:1-169.

[9]楊振茂,趙成剛,王蘭民,饒為國(guó).飽和黃土的液化特性與穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2004,23(22)：3853-3860. [10]余湘娟,姜樸,魏松.砂土的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，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(zhèn)飽和粉土液化性能試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2004，24（6）.

[13]陳國(guó)興，等.南京粉質(zhì)粘土與粉砂互層土及粉細(xì)砂的振動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004，26（1）.

[14]天津大學(xué).土力學(xué)與地基[M].北京:人民交通出版社,1986.

TU435

B

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(xiàn)從事巖土工程勘察與設(shè)計(jì)工作。