砂土液化不变性理论

陈国兴; 吴琪; Charng Hsein JUANG

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20250501002

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砂土液化不变性理论

专家特约稿 | 更新时间：2026-01-07

- 砂土液化不变性理论
- Invariance Theory of Sand Liquefaction under Cyclic Loadings
- 防灾减灾工程学报 2025年45卷第6期页码：1311-1370
- 作者机构：
  
  1.南京工业大学岩土工程研究所，江苏南京 210009
  2.江苏省土木工程防震技术研究中心，江苏南京 210009
  3.Emeritus College， Clemson University， SC 29634， USA
- 作者简介：
  
  陈国兴（1963—），男，教授，博士。主要从事土动力学与岩土地震工程研究。E‑mail: gxc6307@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52278503;52378346)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20250501002
  中图分类号： TU443
- 收稿：2025-05-01，
  
  修回：2025-05-09，
  
  纸质出版：2025-12-28
- 稿件说明：
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陈国兴,吴琪,Charng Hsein JUANG.砂土液化不变性理论[J].防灾减灾工程学报,2025,45(06):1311-1370.

CHEN Guoxing,WU Qi,JUANG Charng Hsein.Invariance Theory of Sand Liquefaction under Cyclic Loadings[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(06):1311-1370.
陈国兴,吴琪,Charng Hsein JUANG.砂土液化不变性理论[J].防灾减灾工程学报,2025,45(06):1311-1370. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20250501002.

CHEN Guoxing,WU Qi,JUANG Charng Hsein.Invariance Theory of Sand Liquefaction under Cyclic Loadings[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(06):1311-1370. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20250501002.

摘要

由于地震动和海浪的随机性、可液化土的多样性以及砂土液化机制的复杂性，当前对液化机理、多因素影响下超静孔隙水压力（

）的增长规律及液化触发准则等基础问题仍存在争议。陈国兴等基于数十年的研究，提出了砂土液化不变性理论。该理论揭示了循环加载下可液化土的状态阈值不变性及控制循环行为与固‑液相变的内在规律不变性，构建了基于物理力学关联不变性的场地液化评价的普适新范式。该理论包括以下四方面：（1）对初始物理状态确定的可液化土，门槛广义剪应变是区分土的非线性弹性与弹塑性状态的本征指标，其值为定值。单位体积累积耗散能（

）与广义剪应变幅值（

）之间服从幂律关系，体现了本构行为的物理不变性；（2）土颗粒‑组构系统的演化是可液化土中

增长的基本物理力学机制，其伴生的土的物理状态改变是驱动

增长的内因，且不同循环加载下

增长速率的差异主要源自剪应变率的差异。固‑液混合相向液相转变的边际峰值孔压比（

，pm

）兼具力学与物理双重不变性。

，pm

= 0.90可作为室内单元试验和现场土的液化触发判据。单元体循环应力比（USR）与液化触发（相应

，pm

= 0.90）所需循环次

数（

clt

）呈负幂律关系，构成固‑液混合相与液相的相变阈值线。USR‑

clt

曲线仅取决于可液化土的初始状态；（3）等效骨架孔隙比可作为粒状土物理状态的单变量表征指标。当细颗粒含量低于其阈值时，其与15次循环抗液化强度及应力修正的剪切波速呈负幂律关系。基于此，构建了基于物理状态指标的场地液化评价的普适新范式；（4）以广义剪应变作为等效剪应变（

）指标，以增量Δ

= 0作为所构建的广义非Masing非线性滞回本构模型的加/卸载判据。该应变反转判据与应力‑应变的滞回路径无关。最大剪切模量与极（最大、最小）孔隙比的物理关联性具有不变的数学形式。宽应变范围的等效割线剪切模量与阻尼比可通过剪应力/应变的自/互相关函数提取，其算法兼具数学形式与物理机制的不变性。峰值孔压比

与

存在普适性关联形式；基于物理的峰值孔压增量（Δ

）模型呈现本构行为‑数学形式‑循环加载条件的三重不变性。广义非Masing本构模型与Δ

模型的耦合形构成新的有效应力本构模型。提出了两种基于

的场地液化评价的通用新方法：基于

模型的总应力法和基于Δ

模型的有效应力法。该理论可为科学界与工程界重新诠释液化机制、改进液化评价范式及制定液化灾害防控策略提供统一的理论基础。

Abstract

Due to the uncertainties in seismic motions and storm waves

the diversity of liquefiable soils

and the complexity of sand liquefaction mechanisms

fundamental issues such as fundamental physico-mechanical mechanisms behind excess pore water pressure (

) generation in a liquefiable soil

the collective effects of multifactorial interactions on ue generation

and liquefaction triggering criteria remain unclear. Based on decades of studies

Chen et al. proposed an invariance theory of sand liquefaction

incorporating invariant state thresholds and intrinsic laws governing cyclic behavior and solid-liquid phase-transitions

which lead to a universal paradigm for site liquefaction evaluation rooted in invariant physical and mechanical correlations. This novel theory of sand liquefaction mainly includes the following four aspects. (1) For a liquefiable soil at a specific initial physical state

the threshold generalized shear strain is an intrinsic index that distinguishes nonlinear elastic and elastoplastic states

with a constant value. A power-law relationship

is observed between cumulative dissipated energy per unit volume (

) and generalized shear strain amplitude (

)

reflecting the invariance in constitutive behavior. (2) The evolution of soil particle-fabric system governs ue generation in liquefiable soils through physico-mechanical mechanisms

with physical state changes serving as the intrinsic mechanism driving

generation. Differences in

generation rates under various cyclic loadings primarily stem from corresponding differences in shear strain rates. The marginal peak excess pore pressure ratio (

)

marking the transition from a solid-liquid mixed phase to a transiently viscous fluid phase

exhibits dual invariance in mechanics and physics. A

value of 0.90 can be used as a liquefaction triggering criterion for soils both in laboratory element tests and field conditions. The relationship between USR (unit cyclic stress ratio) and

clt

(number of cycles required to trigger liquefaction defined by

=0.90) follows a negative power-law

thereby forming the threshold state line between the solid-liquid mixed phase and the liquid phase. This USR-

clt

curve depends solely on the initial state of the soil. (3) The equivalent skeleton void ratio (

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) serves as a single-variable proxy for the physical state of granular soils. For soils with fines particle content below a threshold

negative power-laws exist in the correlations between liquefaction resistance (CRR

or URR

) in 15 cycles and

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and between the stress-corrected shear-wave velocity (

) and

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. Based on the principle of mapping transitivity

a unique correspondence between CRR

and

i.e.

liquefaction triggering curve

can be established through the index

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indicating a novel and universal paradigm for site liquefaction potential evaluation. (4) The generalized shear strain serves as an equivalent shear strain (

) proxy for reflecting the 2D and 3D stress-strain state. A shear strain reversal at the irregular stress-strain loops of cycles in the Chen et al.'s generalized non-Masing

nonlinear

and hysteretic constitutive model of soil will occur when the incremental shear strain Δ

=0. This strain reversal criterion is independent of the stress-strain hysteretic paths. The physical correlation between the maximum shear modulus and the extreme (maximum and minimum) void ratios exhibits an invariant mathematical form. Equivalent secant shear modulus and damping ratio across a wide strain range can be calculated through the shear stress/strain autocorrelation/cross-correlation functions

with algorithms invariant in mathematical form and physical mechanism. The physics-based model for the peak pore pressure increment (Δ

) demonstrates triple invariance in constitutive behavior

mathematical form

and cyclic loading conditions. A universal correlation links the

peak pore pressure ratio (

) to

. The coupling of the Chen et al.'s non-Masing constitutive model and the Chen et al.'s Δ

model yields a novel effective stress-strain constitutive model of soil. Consequently

two novel universal site liquefaction potential evaluation methods are established: a total stress method (

model-based) and an effective stress method (Δ

model-based). The invariance theory provides a unified basis for refining liquefaction mechanisms

improving evaluation methodologies

and advancing mitigation strategies in geotechnical earthquake engineering. The insights derived from decades of research

as reported in this study

will potentially enable the scientific and engineering communities to reinterpret the liquefaction mechanism

its evaluation paradigms

and liquefaction mitigation strategies.

关键词

Keywords

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