地震砂土液化研究现状及展望

摘要：总结地震作用下饱和砂土的液化机理、影响因素，归纳和评述了国内外砂土液化的判别方法和研究现状，并提出砂土液化的研究趋势及值得关注的问题，为今后砂土液化的研究和治理提供的理论依据。

关键词：地震作用，砂土液化，液化机理，判别方法

中图分类号：TU411文献识别码：A

基金项目（IS201356135）

Research Status and Expectation of Seismic Liquefaction on Sand Soils

HU Qing

（1. Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, Wuhan, 430071, China2. Wuhan Institute of Earthquake Engineering, Wuhan, 430071, China）

Abstract：In this paper, the advances in seismic liquefaction research on sand soils are reviewed. This study involves the mechanism of liquefaction, the influence factors of liquefaction and the criteria of liquefaction. Then the Author proposes liquefaction research trends and notable issues, in order to provide theoretical basis for the future research and governance.

Keywords：seismic action, liquefaction on sand soil, mechanism of liquefaction, criteria

液化是地基基础震害的重要原因之一。砂土液化现象作为地震灾害的一种主要形式，常常会引起建筑物基础的不均匀沉降及结构的破坏，造成严重灾害和人员伤亡。近几十年来国内大震（1975年海城地震、1976年唐山地震、1999年台湾集集地震[1]、2008汶川地震等）都发生了严重的液化破坏，大规模的液化造成无数建筑物、桥梁、道路与管线等的严重损坏，引起了工程界对土壤液化的高度重视，并在液化研究领域取得丰硕的成果。合理判别场地砂土液化情况，对于建筑场地的选择及液化防护措施的选取至关重要。

1 砂土液化机理及影响因素

1.1 砂土液化的定义

砂土液化明确的定义最早由美国土木工程师协会岩土工程分部土动力学委员会（1978年）[2]提出，其对“液化”的定义为，“液化是任何物质转化为液体的行为或过程”。日本土力学与基础工程学会（1985）给出的液化定义是，“饱和砂土由于孔隙压力的升高而引起剪切强度丧失和有效应力降低，这种状态称为液化” 。汪闻韶给无粘性土液化的定义是，“物质从固体状态转化为液体状态的行为和过程”。土体液化主要在饱和无粘性土或稍具粘性的土中发生。在不排水条件下，在重复或单方向的荷载作用下，其超孔隙水压力增加，有效应力减小，抗剪强度降低甚至消失， 由固体状态转变为液体状态。

1.2 砂土液化机理

一般认为可液化土层在遭受地震等震动载荷的反复作用后，松散的土体颗粒将重新排列，振动密实，同时引起土体内孔隙水压力不断的累积增大，使土体的有效应力降低，当超静孔隙水压力增大到与上覆非液化土层压力相等时，土的抗剪强度就完全丧失，发生液化。目前，砂土液化的典型机理主要有三种：

砂沸(soil liquefaction)：砂沸是当饱和砂沉积体中的孔隙水压力，由于地下水头变化而上升到等于或超过它的上覆压力时，该饱和砂沉积体就会发生上浮或“沸腾”现象，并且全部丧失承载能力，这个过程与砂的密实程度和体积应变无关，而是渗透压力引起的液化。

流滑（flow slide）：流滑是饱和松砂的颗粒骨架在单程剪切作用下，呈现出不可逆的体积压缩，在不排水条件下，引起孔隙水压增大和有效应力减小，最后导致“无限度”的流动变形，主要发生在疏松而排水不畅的饱和无粘性土中。

（3）循环活动性(cyclic mobility)：循环活动性主要曾被发现于相对密度较大（中密以上到紧密）的饱和无粘性土的固结不排水循环三轴或循环单剪切和循环扭剪试验中。它主要与试件在循环作用中的剪缩和剪胀交替变化有关，从而形成了间歇性瞬态液化和有限度断续变形的格局。

最近研究表明：土体液化破坏是渐进发生，即当土体内部局部区域发生液化时，抗剪强度迅速下降，故应力发生重分布，随后附近区域也发生液化，最终导致建筑物破坏。因此，上述液化机理既有所差别，又相互联系，在液化研究中需全面考虑。

1.3 砂土液化影响因素

土在地震作用下是否液化，主要与土的性质、地震前的应力状况、震动的特性等因素有关。图1总结了土体液化的已知因素。由图可见，地基液化影响因素众多，且众因素对地基液化的影响呈高度的非线性。现在还很难用统计、简化的模型、单一弹性体理论或塑性理论甚至包括弹塑性理论准确判别地基液化和评估危害程度。

图1 地震液化影响因素

2砂土液化判别方法

2.1 经验法

经验法是根据过去地震的实测资料，将液化土层的反应与原位测试指标之间建立相关的经验公式，或将其资料类推到新的情况下进行判别，利用标准贯入试验、剪切波速法、静力触探试验法等原位试验指标均可进行可液化土层的液化判别。

我国地震液化的判别多采用经验法，例如我国现行《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[3]推荐的方法，就是通过比较临界标贯锤击数和实际标贯锤击数的大小，从而判断场地土是否液化。该方法是根据我国建国后的几次大地震( 1966 年的邢台地震、1975 年的海城地震以及1976 年的唐山地震) 和国外大地震的现场实测资料，以及对地震区土层进行取样，进行室内液化试验，用统计学的方法建立起来的经验公式判别法。此方法的缺陷是缺乏理论基础，没有考虑到砂土层埋深对砂土液化难易程度的影响；没有反映上覆土层对砂土层产生液化与否的作用；没有考虑土体自身的性质对液化的作用；不能反映地震持续时间对砂土层液化的影响。该方法对浅层土判别结果与实际接近，对深层土判别结果则偏于保守。

2.2 动剪应力对比法

该方法是通过比较现场地震剪应力( 等效循环应力比) 与实验室测定的抗液化剪应力( 砂土抗液化强度) 的大小来判断土体是否发生液化。这种方法综合考虑震级、地震烈度、上覆应力及剪应力随深度的变化等因素的影响，是目前欧美国家采用最广泛的方法之一。

其中最有代表性的是seed简化判别方法[4]。Seed分析法简单明了，使用广泛，但确定比较粗略，且不考虑孔隙水压力的发展水平；另一方面判别结果的正确与否依赖于试验结果的准确性。

2.3 土层反应分析法[5]

该法不仅可以考虑地震动特性、地形地质条件、荷载作用及边界条件等多种因素的影响，还可研究地震过程中和地震发生后地基土液化区的发生和发展过程。土层反应分析法考虑的因素可以很多, 计算较严密, 其关键是材料参数和荷载参数要选择适当、合理。

2.4 室内实验分析法

该法通过随机加载的三轴试验、振动台试验、离心机试验来模拟在地震时土的应力状态。但此方法的主要缺陷是：所要求的试样应为原状土样，取原状土样相当困难,土体的抗液化强度试验结果受到土样扰动。不同方法制备的试样或是不同的方法,对液化结果影响很大。

2.5 其他判别方法

由于地震作用及土体本身抗液化能力的不确定性，许多学者尝试将模糊数学理论[6]、人工神经网络[7]和概率分析法[8]等应用到地震砂土液化的判别中。

其中刘汉龙等人[8]引入的概率法，运用累积疲劳规律表示剪应力循环的累积效应对自由平坦场地的液化势进行判别，并可进一步进行动力反应分析。该法基于震害调查资料，对地震后曾液化和未曾液化的土层进行大量的研究和统计工作，确定影响液化的主要因素。缺点是孤立地考虑单个或多个指标对液化的影响，没有详细深入考虑各种条件、因素的影响。

3 结语及展望

从液化机理、影响因素、判别方法等研究方面，总结近几十年来地震砂土液化研究成果，提出以下几个值得关注的趋势和研究方向：

砂土液化研究是岩土工程和地震工程中重要课题，尽管以往研究取得重大进展，但因其复杂性和不确定性，从理论研究到工程应用仍存在许多值得探讨的问题，在未来仍是重要的研究方向。

从砂土液化判别深度上，以往对于砂土液化的研究主要集中在浅层土，但目前有不少大震（如2008年汶川地震）导致深层液化的实例，而国内外尚无关于深层砂土液化具体判定的统一方法，因此对于深层土液化的研究（特别是判别方法的建立）需引起重视；从液化土类型上，过去的研究主要认为饱和砂土或粉土等无粘性土才有地震液化的可能，然而集集地震、汶川地震等导致的液化区大规模卵砾石的液化颠覆了这一认识，故对可液化土类型的研究可能需要拓宽。

（3）以往的液化研究主要涉及液化区桥梁、铁路、码头、水利设施、地下结构与生命线工程等结构。近年来随着高层、超高层建筑的规模日益扩大，对高层建筑的理论和实践问题相继得到了开展，但是目前国内外关于液化区上部结构破坏的报道仍很少，因此地震区液化对上部结构尤其是高层建筑的影响应给予足够的关注和重视。

参考文献

[1] 陈跃庆, 吕西林. 几次大地震中地基基础震害的启示[ J] . 工程抗震, 2001, 17( 2) : 8 - 15.

[2] 钱家欢, 殷宗泽, 主编. 土工原理与计算[M ] . 北京: 中国水利水电出版社, 1996.

[3] 中华人民共和国国家标准编写组，《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4] SEED H B，IDRISS I M. Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1971，97(9)：1 249–1 273.

[5] Finn, WD. Critical review of dynamic effective stress analysis[A]. Stanford University Proc. 2nd U. S.Nat. Conf. On Earthquake Engineering[C]. Standford: Stanford University, 1996, 853-867.

[6] 翁焕学. 砂土地震液化模糊综合评判实用方法[J]. 岩土工程学报, 1993( 35) : 38-41.

[7] 任文杰, 苏经宇, 窦远明. 砂土液化判别的神经网络方法[J]. 河北工业大学学报, 2002( 13) : 72-75.

[8] 刘汉龙, 陆兆臻, 钱家欢. 土石坝非线性随机反应及动力可靠性分析[J]. 河海大学学报,1996, 24 ( 03 ):

105-109.