一种用于评估改良石柱地基液化潜力的新型非线性模型，该模型综合考虑了多种因素

《Soil & Environmental Health》：A novel nonlinear model for liquefaction potential assessment of stone column-improved ground incorporating multiple factors

地震液化下石柱复合地基非线性渗流与固结沉降机理研究。摘要：

　　本文探讨了在地震作用下，松散饱和砂土发生液化现象时，石柱加固地基中孔隙水压力（EPWP）变化的非线性特性。液化是松散砂土在地震等周期性荷载作用下的一种常见地质灾害，其特征是土颗粒因失去有效应力而悬浮于孔隙水中，导致土体强度显著降低。在这一过程中，砂土的压缩性和渗透性会发生显著变化，表现出强烈的非线性行为。然而，现有的液化评估模型普遍假设土体的渗透性和压缩性为常数，未能充分考虑这些非线性变化对孔隙水压力累积和液化风险的影响。因此，本文提出了一种新的理论模型，将土体非线性纳入其中，以增强石柱加固地基液化防控设计的理论基础。

石柱加固是一种广泛采用的措施，通过在松散砂土中插入石柱，不仅可以改善土体的密实度，还能提供快速排水通道，从而减少孔隙水压力的累积。孔隙水压力的演变是评估液化风险的关键指标，因此，准确预测石柱加固地基在地震作用下的孔隙水压力变化对于提高工程安全性至关重要。然而，当前模型在考虑土体非线性方面存在明显不足，这导致了在实际工程中对液化风险的低估。本文通过引入非线性模型，分析了土体在液化过程中的渗透性和压缩性变化，以及这些变化对孔隙水压力消散和地震后沉降的影响。

在现有模型中，一些研究仅考虑了径向排水，而忽略了竖向排水的影响。例如，Seed和Booker在1970年代提出的模型基于达西定律，仅考虑了径向流动，忽略了石柱本身的有限渗透性。尽管后续研究指出，石柱的渗透性可能高达周围土体的400倍，但其对孔隙水压力消散的影响仍然不可忽视。因此，一些模型开始考虑石柱的有限渗透性，以提高预测的准确性。此外，安装石柱过程中可能会产生“ smear effect”（泥浆效应），即石柱周围的土体被压实，导致径向渗透性降低。这一现象在液化过程中对孔隙水压力的累积有显著影响，因此，模型中需要纳入这一因素。

在液化过程中，砂土的渗透性通常会显著增加，而压缩模量则会减少。这一现象源于砂土颗粒在地震作用下失去接触，导致孔隙结构发生变化。例如，Haigh等研究发现，液化过程中砂土的渗透性可能增加1.2到5倍，而压缩模量可能减少至初始值的5到10倍。这些变化不仅影响孔隙水压力的累积速度，还对地震后的再固结沉降产生深远影响。因此，传统的线性模型在预测孔隙水压力和沉降时存在较大偏差，无法准确反映土体在液化过程中的真实行为。

本文提出的非线性模型采用了半对数形式，以描述土体渗透性和压缩性在有效应力变化下的非线性演化。此外，模型还考虑了径向与竖向流动的耦合作用、石柱的有限渗透性以及泥浆效应的不同表现形式。这些因素的综合考虑，使得模型在预测孔隙水压力消散和地震后沉降时更加精确。通过与现有模型的对比，本文发现，非线性模型在预测孔隙水压力和沉降时表现出更高的可靠性，尤其是在高地震烈度条件下，线性模型的预测结果往往严重低估了实际的孔隙水压力值和沉降量。

进一步的研究表明，当地震强度参数（如等效循环剪切比）较小时，土体非线性的影响相对较弱，此时线性模型的预测结果仍可接受。然而，当等效循环剪切比下降至0.1以下时，非线性影响变得可以忽略不计。这意味着，在地震烈度较低的情况下，使用线性模型进行液化风险评估可能不会产生显著误差。然而，在高烈度地震条件下，土体的非线性特性对孔隙水压力和沉降的预测具有决定性作用，因此，必须采用非线性模型以确保工程设计的安全性。

为了验证模型的有效性，本文还通过实验数据进行了对比分析。例如，Wang等在实验中发现，假设土体渗透性为常数的模型在预测地震后孔隙水压力时存在较大偏差，预测值远高于实际测量值。这表明，忽略土体非线性会导致对孔隙水压力消散过程的严重低估，从而影响对液化风险的判断。因此，将非线性因素纳入模型对于提高预测的准确性具有重要意义。

在实际工程应用中，本文还提供了设计图表，以便工程师能够根据已知的土体和石柱的物理特性，快速确定石柱的布置间距。这些图表基于模型的预测结果，结合地震作用下的最大孔隙水压力比，为石柱加固设计提供了直观的参考依据。此外，模型还考虑了地震后的再固结过程，分析了在孔隙水压力消散后，土体可能发生沉降的情况。通过这一分析，模型能够更全面地评估石柱加固地基在地震后的稳定性。

总体而言，本文的研究成果对于提高石柱加固地基在地震作用下的安全性具有重要意义。传统的线性模型在评估液化风险和预测地震后沉降时存在局限性，而本文提出的非线性模型则能够更准确地反映土体在液化过程中的复杂行为。通过引入半对数形式的非线性模型，结合径向与竖向流动、泥浆效应和石柱有限渗透性等因素，本文为液化防控设计提供了新的理论支持和实践指导。研究结果表明，土体非线性对孔隙水压力和沉降的预测具有显著影响，因此，在工程设计中必须充分考虑这一因素，以确保结构的安全性和稳定性。