砂土液化后大变形的机理_张建民

第28卷 第7期 岩 土 工 程 学 报 Vol.28 No.7 2006年 7月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering July 2006砂土液化后大变形的机理张建民1，2，王 刚3（1.清华大学土木水利学院，北京 100084；2.清华大学水沙科学与水利水电国家重点实验室，北京 100084；3.二滩水电开发有限责任公司，四川 成都 610021）摘要：基于试验观察和机理分析，揭示了不排水往返加载条件下饱和砂土初始液化后的剪切大应变和三个体积应变分量(有效球应力变化引起的体变、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变)之间的内在联系，阐明了三个体积应变分量的组合变化规律控制了饱和砂土液化后大变形的产生和发展，界定了液化后循环剪切大变形过程中交替出现的三种物态（摩擦接触状态、临界接触状态和悬浮状态）及其产生条件，解释了液化后流滑和再固结体变形成的机理，给出了一个物理概念明确并具有普遍性的建立液化后大变形弹塑性本构模型的合理途径。

关键词：砂土；液化，液化后变形；循环加载中图分类号：TU435 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2006)07–0835–06作者简介：张建民(1960–)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土工程的教学、科研与咨询工作。

Mechanism of large post-liquefaction deformation in saturated sandZHANG Jian-min1, WANG Gang2(1. School of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Laboratory of Hydro-Sciences and Engineering, TsinghuaUniversity, Beijing 100084, China; 3. Ertan Hydropower Development Co., Ltd, Chengdu 610021, China) Abstract: Based on experimental observations and cause analysis of formation, an intrinsic relationship was revealed between the large post-liquefaction shear deformation of saturated sand under undrained cyclic loading and three types of volumetric strain components (i.e., a reversible component due to dilatancy, an irreversible component due to dilatancy and a component due to change in mean effective stress). It was found that the development of the large post-liquefaction shear deformation is governed by coupling variation of the three volumetric strain components and is accompanied with three physical states of soil particles (i.e., the frictional contact state, the critical contact state and the suspension state) that appear alternately. The above new knowledge provides a rational explanation why unstable flow slides and large reconsolidation deformation may take place after the initial liquefaction and also a rational approach to the establishment of an elasto-plastic constitutive model used to describe the large post-liquefaction deformation.Key words: sand; liquefaction; post-liquefaction deformation; cyclic loading0 前 言已有震害调查表明，饱和砂土地层液化引起的地基大变形（侧向变形和沉降）是导致强震区各种基础设施和生命线工程震害的主要原因。

评价地震液化引起的地基大变形的关键在于揭示循环荷载作用下饱和砂土液化后应力应变响应的规律。

Seed等[1]把不排水循环剪切试验中有效应力第一次为0的状态称为“初始液化”，从而将液化过程分为“液化前（初始液化前）”和“液化后（初始液化后）”两个阶段。

以往关于饱和砂土液化问题的绝大多数研究都集中在“初始液化”的产生条件、影响因素、评判准则以及液化前的应力应变响应，对于液化后的应力应变响应的研究则相对较少[2-4]，特别是对饱和砂土液化后大变形产生机理的深入研究则更少，迄今为止提出的绝大多数砂土的循环本构模型均不能够模拟液化后的应力应变响应。

Shamoto和张建民等[5]提出了饱和砂土液化后大变形的一种机理解释，并据此建立了描述饱和砂土液化后不排水单调剪切大变形的本构模型，发展了一套相对比较完整的可统一预测液化后地面侧向变形和竖向沉降的实用方法（Shamoto和张建民等[8-10]）。

张建民和王刚[7]根据该液化后大变形的机理在Ramberg-Osgood模型的基础上建立了一个能够统一───────基金项目：国家自然科学基金资助项目（50478016）；北京市自然科学基金重点资助项目（8061003）收稿日期: 2005–03–07836 岩 土 工 程 学 报 2006年模拟饱和砂土液化前后循环应力应变响应的非线性弹性模型。

本文试图进一步阐明饱和砂土液化后大变形的机理，为建立统一描述饱和砂土液化前后应力应变响应的弹塑性本构模型奠定合理的物理基础。

1 液化后大变形的宏观规律1.1 剪应力–剪应变规律为观察饱和砂土液化后的应力应变响应，对日本丰浦砂（3s 2.65 g/cm ρ=，500.18 mm d =，max e = 0.973，min 0.635e =）进行了不排水循环扭剪和单调扭剪试验。

试样为控制落高的砂雨法制备，采用先通CO 2气体排除试样中空气、后填充脱气水、然后再施加反压的方法饱和。

所有试样的B 值都大于0.95。

试样在均压c σ′作用下固结完成后施加f ＝0.01 Hz 的非常缓慢的循环扭剪作用，以减少粘滞性对测得的应力应变曲线的影响。

图1给出了一个典型的不排水循环扭剪试验输入的剪应力τ和测得的超静孔隙水压力u 、循环剪应变γ的变化过程。

随着循环剪切次数的增大，试样中的超静孔隙水压力在不断累积而呈现出平均单调增长的同时也随着剪应力的变化而周期性地起伏变化，在第4.5周时有效应力路径第一次达到零有效应力状态点（简称零点），这时试样达到初始液化状态。

图2给出了初始液化后的剪应力剪应变曲线和有效应力路径。

从图可看出，在初始液化后的等应力幅值的循环剪切过程中，试样的有效应力路径几乎完全重合，循环剪应变随着循环剪切周次的增加而增大；在一个剪切循环中，试样的有效应力两次通过零点，各周的剪应变的差别主要产生在有效应力通过零点的时刻。

基于上述的分析，初始液化后产生的剪应变γ可以根据产生时所对应的有效应力状态将其分解为两个分量（如图3）：一个非零有效应力状态时产生的剪应变分量d γ和一个零有效应力状态时产生的剪应变分量o γ，即d o γγγ=+ 。

(1)从图2可看出，初始液化后非零有效应力状态的应力应变滞回曲线形状相似、互相平行。

如果从总的剪应变γ中扣除o γ，则各循环的应力应变滞回曲线几乎完全重合，各循环所对应的有效应力路径也几乎完全重合。

上述试验现象表明，初始液化后d γ的变化只依赖于当前剪应力的变化，与应力应变历史几乎无关。

图4给出了零有效应力状态时产生的剪应变分量o γ随循环剪切次数累积的曲线。

由图可以总结出o γ的变化特点：①o γ只在液化后有效应力过0点时产生；②o γ的大小与当前的剪应力大小无关，只依赖于应力应变历史；③o γ的绝对值随着剪切循环次数的增加而增大，但其增加速率逐渐变小；④o γ的方向取决于后续剪应力的方向；⑤随着初始液化后循环剪切次数的增加，o γ间歇性的增大决定了剪应变γ的发展。

图1 不排水循环扭剪试验结果 Fig. 1 Undrained torsional shear test results图2 液化后的应力应变响应Fig. 2 Typical post-liquefaction strain-stress response图3 液化后剪应变的分解Fig. 3 Decomposition of post-liquefaction shear strain图5给出了具有不同循环剪切历史的试样在不排水单调扭剪作用下的应力应变响应。

图中的曲线1和2的试样在前期的剪切过程中未达到初始液化，曲线3～6的试样则进入了液化后阶段，图中在各曲线旁标出了试样前期经历的最大循环剪应变max γ。

从图中可以看出，除了曲线1和2的试样在剪切初始阶段有差别外，各试样的有效应力路径几乎一样；各试样的剪应力剪应变曲线几乎平行，各曲线的差别也主要在零有效应力状态，试样经历的前期最大剪应变越大，零有效应力状态发生的剪应变o γ就越大。

该试验现象也第7期 张建民，等. 砂土液化后大变形的机理 837表明，非零有效应力状态的剪应力剪应变关系是由有效应力路径决定的，而零有效应力状态的剪应变是由前期剪切历史决定的。

图4 剪应变分量γo 的累积变化过程 Fig. 4 Development of shear strain componentγo图5 具有不同循环剪切历史的试样在不排水单调剪切下的应力应变响应Fig. 5 Stress-strain response in monotonic undrained shear test ofsamples with different shear strain histories综上所述，饱和砂土液化后的剪应变由一个在非有效零应力状态下产生的、依赖于现时剪应力大小的剪应变分量d γ和一个在零有效应力状态下产生的、依赖于应力历史的剪应变分量o γ组成，评价饱和砂土液化后应力应变响应的关键在于揭示o γ的产生机理和发展规律。