土的动力特性

土的动力特性（二）

———振动液化特性1液化是土动力学中一个非常实际、也非常重要的问题。面对土和土体的液化，必须面对如下5个问题作出回答：什么是液化？土在什么条件下容易液化？容易液化的土是否会在实际上启动液化？液化的启动会不会导致破坏与危害？防止和减小液化的危害可采取什么样的对策？涉及振动液化的基本概念与影响振动液化的主要因素。2一、液化发生的机理振动液化就是饱和土在动荷载作用下丧失其原有强度而转变为一种类似液体状态的现象。它是一种特殊的强度问题，以强度的大幅度骤然丧失为特征。比如饱和砂土表现出的喷砂冒水、长距离的迅速滑移、土体中轻型结构物的上浮或土体上建筑物的下陷等现象。3当振动作用到土上时，土骨架会因振动的影响而受到一定的惯性力和干扰力。由于各个土粒的质量不同，各处土粒的排列状况不同，或者各点作用的起始应力和传递到达的动荷载强度不同，作用它们在各个土粒上的力，其在大小、方向和所产生的实际影响等方面就会有明显的差异，从而在土粒的接触点引起新的应力。当这种应力超过一定的数值时，就会破坏土粒之间原来的联结强度与结构状态，使砂粒彼此之间脱离接触。原先由砂粒通过它的接触点所传递的压力（有效压力），就要传给孔隙水来承担，引起孔隙水压力的骤然增高。4此时，一方面是孔隙水在一定超静水压力的作用

下力图向上排除，另一方面是土颗粒在其重力作用下又力图向下沉落，这就有可能使土在结构破坏的瞬间或一定时间内，土粒因其向下的沉落为孔隙水的向上排除所阻碍，处于局部或全部悬浮（孔隙水压力等于有效覆盖压力）状态，土的抗剪强度局部地或全部地丧失，出现不同程度的变形或完全液化（振动液化）。此后，随着孔隙水逐渐挤出，孔隙水压力就逐渐减小，土粒又逐渐沉落，重新堆积排列，压力重新由孔隙水传给了土粒承受，砂土即达到新的稳定状态（振动压密）。5振动液化的发生和发展必须同时具备的两个基本条件：1.振动作用足以使土体的结构发生破坏（即振动荷载较大或砂土的结构强度较小），这是土中产生动孔压的先决条件；2.在土体结构发生破坏后，土粒发生移动的趋势不是松胀而是压密，这是使动孔压迅速大幅增长的充分条件。所以说疏松的饱和砂土比密实砂土容易发生振动液化。（结构不易破坏、孔压下降）6二、流动液化与循环液化当土中孔压发展到等于上覆有效压力时，我们称土发生了初始液化。此后，在动荷载的作用下土中可能会引起两种不同的情况：1.流动液化：每一个振次均能使土发生迅速而持续发展的变形，表现出无限流动的特征，它的移动具有突发性和持续性，只能在饱和剪缩性土中发生。72.循环液化：每一个振次只能产生一定的有限变形，这种变形具有随振动而逐渐增加的特性或者趋于稳定往复变化的趋势，它发生在具有剪胀行或有一定阻力或在荷载作用下有硬化趋势的土中。剪胀的出现会导致土体出现非液化状态，使动力过程表现出液化状态与非液化状态的交织变化。每一次应力循环产生有限变形，变形不断增长，最终导致土体破坏。当土体在荷载作用下具有的硬化较强时，甚至只会产生往返活动性的液化，而不再有变形增长的发生。8三、剪缩性土和剪胀性土大量的试验表明，密实的砂土在剪切破坏时会发生剪胀而疏松的砂土会发生剪缩。临界孔隙比：与土上作用的法向固结应力有关。（土在剪切破坏时既不剪胀也不剪缩）根据前面所述振动液化发生的条件可知剪缩性砂土容易发生振动液化。相态转换点：孔压先升高后降低时应力路径上所对应的转折点。不同应力路径上这类点的连线即为相态转换线。9四、流动结构与稳态线流动结构：在发生大变形的情况下，土会得到一种所谓的“流动结构”，处于常值剪应力、常值有效应力、常值体积和常速度的流动状态。此时，土的变形只依赖于密度并称之为稳态。稳态时的土所具有的抗剪强度称为稳态剪切强度。稳态剪切强度虽然一般很低，但却不会等于零。如果将对应于此情况的密度e、法向有效应力和剪切强度τ在e--τ的三维空间坐标内绘出，它就会形成一条稳态强度线。将其绘于平面内时，可以得到一条直线并称之为稳态线。10稳态线的垂直位置主要受粒度的影响，斜率主要受颗粒形状的影响。如果土所受的静剪应力超过了稳态强度，土易发生流动液化，但循环液化可以在静剪应力超过稳态强度的时候发生，也可以在未超过稳态强度的时候发生，视静、动剪应力大小间的情况而定。11五、影响土振动液化的主要因素（为了了解土在什么条件下容易液化）研究表明，影响饱和砂土振动液化可能性的主要因素有土性条件、起始应力条件、动荷载条件以及排水条件。1.土性条件土性条件主要指土的粒度特征、密度特征和结构特征。12（1）从土的粒度特征即平均粒径d50、不均匀系数cu和粘粒含量pc来看，它们均与土的抗液化强度成正比。（2）从土的密度特征即相对密度Dr或孔隙比e及干重度rd等来看，Dr，e，rd

，抗液化强度。（3）从土的结构特征即土的排列和胶结状况来看，排列结构稳定和胶结状况良好的土均具有较高的抗液化能力。重塑土<原状土；遭受过地震的砂土比未遭受地震的砂土难液化（结构）；均匀级配的砂比良好级配的砂强，圆粒砂比角粒砂强。？132.初始应力条件（1）从初始的覆盖应力状态看，有效覆盖压力越大，液化的可能性越小。（2）从初始的剪应力状态看，在三轴试验条件下，初始固结应力比或起始剪应力比越大，土的抗液化能力也越大。Kc>1的动强度（剪应力可能只有大小的变化，而没有或较小有方向上的变化）大于Kc=1的动强度（剪应力发生反复的方向变化）。当然，如果初始固结应力比远远大于1，初始剪应力很大，则在动应力作用下的静、动剪应力有可能大于土的抗剪强度时，土的抗液化强度必将进一步降低。143.动荷载条件（1）从动荷载作用的波形条件看，砂土对于液化的抵抗能力在冲击波（仅在部分时间内具有相同的最大加速度，在它前只有1-2个峰的振幅超过最大振幅的60%）作用时最大，振动型波（在最大振幅的一侧波形内有3个以上的峰，其振幅超过最大振幅的60%）作用时次之，正弦型波作用时最小。（2）从动荷载的振幅A和频率f来看，它们与振动的最大加速度有直接关系，。试验表明，只要加速度不变，低频高幅和高频低幅的不同组合对土的动力效应一般并没有多大的差别。15（3）动荷载作用的持续时间对砂土液化的发展具有极大的影响。如振动的时间很长，幅值并不很大的动荷载也可能引起土的液化。（4）对于振动作用的方向，试验表明，振动方向接近土的内摩擦角时抗剪强度最低。4.排水条件排水条件是指土层的透水程度、排水路径、及排渗边界条件。当在多层地基中有可液化土层存在时，其他土层对可液化土层的影响主要表现在排渗能力（透水程度和实际厚度）和层位结构（不同液化势组成的土层）两个方面。16排渗能力越强，抗液化强度越大。成层地基中的可液化土层，即使其相邻土层并无显著的排渗条件，但由于动荷载作用下邻层土中所引起的动孔压很低，也可以对液化土层中本应产生的高孔