论土体液化与地基极限荷载和工程破坏的关系

廖辉辉

（广州华磊建筑基础工程有限公司，广东 广州510403）

1 综述

地基的极限荷载特指地基在外荷载作用下产生的应力达到极限平衡状态时的荷载。常规工程设计不仅不会允许外荷载达到极限荷载，还会预留足够的安全储备空间。地基极限荷载不仅与岩土的性质有关，还与建筑物或构筑物采用的基础外形、尺寸及埋深等因素有关，并非一个固定不变的数值。因受多种因素影响，在工程实践中并非完全通过荷载试验实测极限荷载，很大概率是通过各种土力学公式计算求得。

在土力学经典公式中，地基极限承载力Pu的计算公式都由几部分组成：首先是基础底面下滑动土体重量的影响，为基础宽度B 及基底以下土的容重γ 的函数；其次是基础两侧超载的影响；第三项是与土的内聚力c 相关，为土体内聚力c 的函数。其中基础的形状系数Sγ、Sq、Sc和承载力系数Nγ、Nq、Nc是土的内摩擦角的函数，在不同的土力学公式中承载力系数表达式不尽相同。

土力学经典公式计算极限承载力的各类公式都建立在一个假设的前提，就是地基土是不可压缩的刚塑性体，地基是存在整体剪切破坏的。一旦地基土体为软弱土层时，土体将存在局部剪切或冲剪破坏的可能性，在这种情况下土体实际是发生了压缩变形的，如果还继续采用地基土不可压缩假设建立起来的土力学公式计算极限承载力将会得到偏大的结果。在后来的研究中，太沙基（K.Terzaghi）提出了对局部剪切破坏情况近似地采用减小土的抗剪强度指标的办法进行修正，以及其他土力学研究者提出了各自的观点看法。

世界各国计算土体极限荷载的方式方法有很多，其中尤以沙太基（K.Terzaghi）公式、斯凯普敦（Skempton）公式、汉森（Hansen J.B）公式最为常用。在经典的土力学理论中，此三公式各自有其特定的适用条件：沙太基（K.Terzaghi）公式适用于条形基础、方形基础、圆形基础；斯凯普敦（Skempton）公式适用于内摩擦角φ=0 饱和软土地基中的浅基础；汉森（Hansen J.B）公式适用于倾斜荷载的情况。在满足各公式适用条件时，用其计算土体极限荷载的实用性、可行性已经工程实践证明，无需赘述。在此文中仅针对在土体发生液化的极端情况，分析探讨极限荷载的计算结果。

目前，对土体液化的定义不尽相同，尚未有标准定义。这从一个侧面反映出土液化性质的复杂性。但有一点是明确的，即土体在外力作用或其他一种或多种因素影响下从固态转为液态的行为和过程。这种土体由固态向液态转化是因为该土体受外部作用后，土体中的孔隙水压力逐步增大和有效应力逐步减小趋近为零以致抗剪能力急剧降低的结果。

2 计算分析

2.1 沙太基（K.Terzaghi）公式pu=γbNγ/2+cNc+qNq

式中：pu-地基极限荷载，kPa；γ-基础底面以下地基土的天然重度，kN/m3；b-基础宽度，m；c-基础底面以下地基土的粘结力，kPa；q-基础的旁侧荷载，其值为基础埋深范围土的自重压力γd，kPa；Nγ，Nc，Nq-地基承载力系数，均为tgα=tg（45°+φ/2）的函数，即φ 的函数，可以查有关图表或直接按Nγ=tg5α-tgα，Nc=2（tg3α+tgα），Nq=tg4α 计算确定。

在出现土体液化极限条件时，土体内摩擦角φ=0，将此值带入上述表达式计算可得出pu=4c+q。在土体发生液化时，土体粘结力完全丧失，即c=0，且q=γd，因此在土体液化时沙太基（K.Terzaghi）公式最终表达式可简化为pu=γd。

2.2 斯凯普敦（Skempton）公式pu=5c（1+0.2b/L）（1+0.2d/b）+γd

式中L 为矩形基础的长度，其他字母含义同沙太基公式。

在土体发生液化时，土体粘结力完全丧失，即c=0，因此在土体液化时斯凯普敦（Skempton）公式最终表达式可简化为pu=γd。

2.3 汉森（Hansen J.B）公式puv=γ1bNγSγiγ/2+cNcScdcic+qNqSqdqiq

式中puv-地基极限荷载的竖向分力，kPa；γ1-基础底面以下持力层土的重度，地下水位以下用有效重度kN/m3；Sγ，Sc，Sq-基础形状系数，可按以下近似公式计算：

（1）Sγ=1-0.4b/L；

（2）Sc=Sq=1+0.2b/L；

（3）对条形基础Sγ=Sc=Sq=1

dc，dq-基础埋深系数，按以下近似公式计算：dc=dq=1+0.35d/b；iγ，ic，iq-倾斜系数，与作用荷载倾斜角δ0有关，可根据δ0与φ 查表得到。当基础中心受压时，iγ=ic=iq=1。

其他字母含义同沙太基、斯凯普敦（Skempton）公式。

在出现土体液化极限条件时，土体内摩擦角φ=0，土体粘结力丧失，即c=0。

∵Nγ=tg5α-tgα

上式中的dq=1+0.35d/b，d 为基础埋深系数，如在埋深范围内存在强度小于持力层的软弱土层时，应将此软弱土层的厚度扣除。当土体发生液化现象时，埋深范围内的土体强度显然小于持力层，此时软弱土层的厚度应予扣除，即土体发生液化现象时dq=1+0.35d/b 中的d=0，所以此时dq=1。

汉森（Hansen J.B）公式适用于基础埋深d＜b 基础底宽的情况，并考虑了基础埋深与基础宽度之比值的影响。对于中心受压的条形基础有Sq=1，iq=1。所以，当土体发生液化时，汉森（Hansen J.B）公式在中心受压的条形基础可以得出以下结论：puv=q=γd。

综上所述在土体发生液化的极端情况，即便采用适用于不同土体情况、不同荷载作用、不同水文环境、不同外界荷载类型及错综复杂的各种因素的不同计算极限荷载值的太沙基（K.Terzaghi）公式、斯凯普敦（Skempton）公式、汉森（Hansen J.B）公式计算极限荷载值具有统一性，即在土体液化状态下pu=γd。

3 土体液化时的极限荷载值与工程破坏的关联性

土体液化、极限荷载值和工程破坏是三个不同范畴的界定标志。液化是物态转化意义上的表现，即由固体状态转化为液体状态的过程。极限荷载值是荷载与承载能力即剪应力与抗剪强度间达到临界平衡的界限值，它的主要标志和准则是土体中的剪应力等于该处土的抗剪强度，是力量抗衡在平衡状态的极大值。破坏是从工程或环境使用安全角度，人为地选定的安全度评价标准，它的标志和准则可以是土体的位移、变形、裂缝、漏水、管涌等等的安全容许界限的出现。所以此三者是完全不同的概念，有明显区别的，在工程应用中必须分清，而不能互换和错用的。

当土体出现液化时，由第二部分的计算分析章节可知无论采用沙太基（K.Terzaghi） 公式还是斯凯普敦（Skempton）公式又或是汉森（Hansen J.B）公式计算极限荷载值最终都可表达为pu=γd，显然土体出现液化时极限荷载值显著降低，极易诱发工程破坏。由此可见，三者之间存在一定的关联性。

在岩土工程界所关心的是土体液化其实质是由土体液化所引起的工程破坏或相关的灾害。岩土工程界口中说的“防止液化”，实则内涵为“防止土体液化引发的工程破坏致使灾害事件发生”，而非土体液化与否。目前，《建筑抗震设计规范》《水利水电工程地质勘察规范》等很大一部分的国家规范和行业规范在抗震设计中所判定土层是否有可能发生液化的判定标准大部分是以工程现场是否出现管涌、冒沙、井喷、流滑等现象作为判定标准。换句话说，这些规范中的判别土体液化的标准都是土体液化产生明显肉眼可见的破坏现象为裁判准绳。因此，容易造成一种假象，即土体液化就意味工程破坏。然而，真实情况并非完全如此。当土层埋深较大，上面被较厚非液化土层所覆盖，或者被人工严密围封的土体，这些处于封闭状态的土层即便发生了液化致使极限荷载值显著降低，也不一定呈现出宏观破坏现象。另外，具相关文献资料显示的研究成果表明，有的较密实的砂砾料，在实验室的循环三轴试验中可以出现“初始液化”，但在现场未必会呈现出宏观破坏现象。所以可以认为，土体液化时的极限荷载值显著降低与破坏并非具有完全关联性。

4 结束语

土体的极限荷载值是评价地基承载能力与地基稳定性的重要参数指标，工程实践中常常用工程荷载值与其比较大小，作为判定是否会发生工程破坏的依据，很大程度上有其现实作用。然而，在土体发生液化时致使极限荷载值显著降低，在特定条件下也不会发生工程破坏。因此，不能单纯用工程荷载值与极限荷载值进行数值大小比较就判定是否会发生工程破坏。这对于岩土工程设计与工程实施有现实意义，应给予重视。