[科普中国]-初始液化

简介

初始液化是指孔隙水压力达到有效应力大小。土的振动液化是土的动强度中最主要的问题。砂土地基液化造成的大量破坏引起了工程界的广泛重视。无粘性土振动液化的基本原因是循环剪切作用产生残余孔隙水压力积累的结果。孔隙水压力上升导致有效应力下降，土骨架由于应力释放而回弹。孔隙水压力的增长和颗粒滑移产生的体积缩减与土结构回弹的相互作用有关。对于松砂，剪应力循环作用的次数达到一定数量以后，有效应力趋于零，全部应力由骨架转移到水，土的抗剪强度个抗变形的能力，几乎完全丧失，而且变形的增长具有突发性质，土转化为液化状态，也称初始液化。

影响因素土的动力特性和静力特性相似，也受到诸如围压、应变幅度、密实度。含水量以及应力条件、应力状态等因素的影响，同时和加载历史、颗粒结构和级配、时间效应等密切相关。土的动力特性又具有其本身的特点。它主要受以下两种因素：加载速率的影响，地震作用为短时荷载，土的性质和长期加载相比，有所变化；循环加载的影响，在地震等循环荷载作用下，土的强度也将发生变化，饱和砂土由于地震作用可导致孔隙水压力上升，而使抗剪强度降低，饱和松砂甚至可能发生液化破坏。软弱粘土由于地震产生的循环剪切作用可使强度降低。循环荷载作用对土产生的影响和振动次数有关，一般称为振动效应。

土类范围粘性土由于有粘聚力，即使孔隙水压力等于全部总应力，抗剪强度也不会全部丧失，因而不具备液化的内在条件。粗粒砂土由于透水性好，孔隙水压力易于消散，在周期荷载作用下，孔隙水压力亦不易累积增长，因而一般也不会产生液化。只有没有粘聚力或粘聚力很少的处于地下水位以下的粉细砂或粉土，渗透系数较小不足以在第二次荷载施加之前把孔隙水压力全部消散掉，才具有积累孔隙水压力并使强度完全丧失的内部条件。因此，土的粒径大小是一个重要因素。实测资料表明：粉细砂土、粉土比中，粗砂土容易液化；级配均匀的砂土比级配良好的砂土易发生液化。

土的密度松砂在振动中体积易于缩小，孔隙水压力上升快，故松砂较密砂容易液化。

土的初始应力状态在地震力作用下，土中孔隙水压力等于固结压力是产生液化的必要条件。如果固结压力越大，则在其它条件相同时不易发生液化。试验表明，对于同样条件的土样，发生液化所需的动应力将随着固结压力的增大而增大。地震前地基土的固结压力，可以用有效覆盖压力和侧压力系数来表示，所以地震时砂土的埋藏深度，即覆盖压力的大小就成了影响砂土液化的直接因素。

判别标准合理的确定液化破坏标准是讨论液化强度的基础， 液化通常伴随着大规模的地面沉陷变形、 地裂滑移、喷水冒砂和房屋震陷等现象，这些现象是确定现场是否液化的主要标志。作为各种判别液化的依据，也就是这类宏观调查资料。另一方面，长期以来，人们普遍认为，产生上述宏观液化现象时，土层的孔隙水压力均等于有效覆盖压力，即超孔压比等于1。但是，试验研究表明，粉土的孔隙水压力小于1时，饱和土层就开始对地面运动、地裂、滑移、房屋下沉产生影响，就可能出现通常所谓的液化现象，而此时土体的变形已经较大。与之相对应的是，有时地震过程之中并没有产生液化，反而是地震过后一段时间里，大量地基遭到破坏。因此，选择液化判别的标准就成为液化研究中一个十分重要的课题。对于液化的评价，实验室和现场研究大多数采用美国加州大学伯克利分校Seed和ldriss等人提出的初始液化方法。这种方法致力于研究由循环剪应力作用引起的孔隙水压力增长，通过与工程实际建立起相关关系，来预测超静孔隙水压力和判断液化是否能被触发。初始液化判别标准强调发生液化的应力条件， 认为液化发生的条件为土的法向有效应力为零， 土不具备任何抗剪切能力。当第一次出现这种零应力状态时就认为土达到了初始液化条件，此后在动荷载的往复作用下，土体不断出现初始液化状态， 表现出土的往返活动性，土的动变形逐渐累积，直至出现土的整体强度破坏或超过容许变形失稳值。判断土是否达到初始液化的标准可以是孔压比也可以是应变。在室内液化试验研究中， 经常采用的液化破坏标准有：孔压标准，即孔隙水压力等于有效固结侧压力；极限平衡标准，即孔压达到极限平衡状态时的临界孔隙水压力；应变控制标准，即以应变达到一定值作为破坏点，对于粉土，工程上一般应用5%应变作为破坏标准1。