部分饱和状态在液化评估中的应用：理论、试验研究与现场案例的综合评述

《Natural Hazards》：A review of partial saturation in liquefaction assessment: theory, laboratory studies, and field case histories

　　

液化触发分析通常假定地下水位（GWT）以下的土体完全饱和。对于松散粒状土沉积层，该假定意味着液化势的增加。然而，由于孔隙水中截留空气的存在，GWT以下的土体可能仅处于部分饱和状态，这将显著改变其抗液化性能。室内试验研究表明，抗液化强度随饱和度（Sr）的降低而增大。P波波速（VP）是评估室内及现场条件下饱和状态的有效参数。在完全饱和土中，压缩波以与水相近的速度（约1500 m/s）传播，而低于该阈值的VP值则表明土体处于部分饱和状态。室内试验结果显示，VP与抗液化强度之间存在显著的近似指数经验关系，且抗液化强度随VP的降低而显著增大。该关系可用于建立部分饱和修正系数，并将其应用于抗液化触发安全系数，从而通过考虑部分饱和带来的附加抗液化强度来提高预测精度。本文为研究人员和工程实践者提供了理解和考虑液化评估中部分饱和影响的综合基础，内容涵盖从理论与试验基础到现场识别与应用的完整脉络。本综述整合了分散于各项独立研究中的成果，并在统一框架内对现场案例历史进行了新的综合，从而实现了一致性比较以及对部分饱和对液化响应影响的统一解释。研究结果强调了考虑部分饱和有助于开展更具代表性的液化灾害与风险评估。

1 引言

地震震动引起的土体液化是一种现象，导致无黏性饱和土因超孔隙水压力累积而丧失刚度和抗剪强度。1964年日本新潟（M_W 7.5）和美国阿拉斯加（M_W 9.2）两次大地震造成了前所未有的液化破坏，促使了对该现象的深入研究。液化可因地基承载力丧失、大面积不均匀地面变形和侧向扩展而对关键基础设施造成严重破坏。

常用的液化势评估框架是基于应力法，通过比较地震引起的循环应力比（CSR）与土体固有的循环抗力比（CRR）来确定特定深度土体是否发生液化触发。CRR受饱和度（S_r）等因素影响。在液化触发分析中，地下水位（GWT）以下任何深度通常被视为完全饱和。然而，GWT以下的土体并非总是完全饱和。在互层和均质土剖面中，部分饱和状态可能延伸至GWT以下数米。导致部分饱和状态的主要因素包括极端季节性GWT波动和有机物质分解产生的天然气。互层可液化粉质沉积层常在GWT以下表现出部分饱和区域，这一现象在新西兰基督城等地已有观测记录。

2 部分饱和与抗液化强度：室内试验数据

2.1 饱和度降低导致抗液化强度增大的机制

由于液化触发与超孔隙水压力累积相关，降低S_r可抑制孔隙水压力产生并提高土体抗液化强度。部分饱和土中的封闭气泡被截留在孔隙空间中，与周围水处于平衡状态，不与土颗粒直接接触，因此基质吸力（负孔隙水压力）可忽略不计。主要机制在于孔隙中流体相体积压缩性的增强。在完全饱和条件下，孔隙水不可压缩，在不排水加载下无法改变体积或从孔隙中逸出，施加的应力主要由孔隙水承担，导致超孔隙水压力迅速增加，有效应力趋近于零。而当气泡占据部分孔隙空间时，不排水循环加载过程中空气的压缩限制了超孔隙水压力的产生，维持了颗粒间的接触，防止有效应力降至零。

2.2 抗液化强度与B值

在室内试验中，S_r通常通过Skempton孔隙水压力参数B值定性评估。B值在实验室中易于测量，是部分饱和状态的可靠指标。研究表明，当S_r从100%降至80%时，B值可从1变化至0.1。归一化抗液化强度（CRR_PS/CRR_FS）随B值降低而增大，表现出强烈的非线性依赖关系：B值高于0.8时基本保持不变，0.8至0.3之间略有增加，低于0.3时显著上升。循环三轴试验中，通常采用5%双幅轴向应变作为液化或循环软化起始的判定准则，CRR定义为20次荷载循环对应的CSR值。

2.3 P波波速作为饱和度的度量指标

B值在野外现场条件下并非可靠的饱和度指标，因为自由场地中难以维持真正的不排水条件，现场测量B值实际不可行。V_P是推断现场部分饱和区域的有效替代指标，可通过多孔弹性介质中波传播理论与B值建立关系。在完全饱和土中，P波以约1500 m/s或更高的速度传播；在非饱和土中，P波沿更长的迂曲路径传播，导致整体测量速度降低。V_S不随饱和度变化，因为水不能承受剪切。V_P对B值的小幅变化敏感，是S_r的可靠估计指标，但V_P与B值的关系可能受孔隙流体特性、试验条件、土体密度和围压等因素影响。

2.4 从V_P解释抗液化强度的提高

多项研究利用V_P作为循环三轴试验中饱和度的指标，建立了归一化抗液化强度与V_P之间的关系。结果表明，当V_P低于1500 m/s时，抗液化强度随V_P降低呈近似指数增长。该关系不受相对密度（D_r）、制备方法、初始有效围压和细粒含量（FC）的显著影响。归一化抗液化强度可作为修正系数应用于CRR、CSR或抗液化安全系数（FS），从而提高现场液化触发预测的准确性。将室内控制条件的结果推广至现场条件面临若干挑战，包括土体不均匀性、状态参数变化、空间变异的饱和条件和孔隙流体特性、边界效应及尺度差异。