地震导致的区域性砂土液化.ppt

第七章 地震导致的区域性砂土液化,（1）基本概念及研究意义； （2）地震时砂土液化机制； （3）区域性砂土地震液化的形成条件； （4）砂土地震液化的判别； （5） 砂土地震液化的防护措施,7.1 基本概念及研究意义,一、基本概念,砂土无粘性土： 干砂土振动密实效应 饱水砂土振动液化,1、砂土液化,对于饱和砂土，在振动荷载的作用下，空隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时，砂体就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化。 饱水的粉细砂或轻亚粘土在地震力的作用下瞬时失掉强度，由固态变成液体状态的力学过程,砂水悬浮液在上覆土层压力作用下，可能冲破土层薄弱部位喷到地表，这就是喷水冒砂现象。,地震引起的砂土液化实例,1964年6.16，日本新寫发生7.5级地震，因地基土发生液化造成破坏。 1995年1.17，发生在神户的李氏7.2级地震造成桥梁地基及结构破坏。,二、砂土液化引起的破坏,涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃土盐碱化、砂质化，同时造成河床、渠道、径井筒等 淤塞，使农业灌溉设施受到严重损害。,1、涌砂,日本新泻1964年的地震引起的砂土液化，由于地基失效, 建筑物倒塌2130所，严重破坏6200所，轻微破坏31000所。 1976年唐山地震时，天津市新港望河楼建筑群，地基失效突然 下沉38cm，倾斜度达30。,2、地基失效,由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和流动，可引起大规模滑坡。,3、滑塌,1964年阿拉斯加地震，安科雷奇市就因敏感粘土层中的砂层透镜体液化而产生大滑坡。这类滑坡可以产生在极缓，甚至水平场地。,1964年阿拉斯加地震时，波特奇市即因震陷大而受海潮浸淹，迫使该市迁址。 1976 年,唐山地震时宁河县富庄村下沉2.6-2.9m，塌陷区边缘出现大量宽 1-2m的环形裂缝，全村变为池塘。,4、地面沉降及地面塌陷,地震液化机制远比一般振动液化复杂。 地震液化:先后相继发生的振动液化+渗流液化,7.2 地震时砂土液化机制,一、振动液化,如振动前砂土处于紧密排列状态 如果砂土位于地下水位以上的包气带中 如果砂土位于地下水位以下的饱水带,振动液化 受振动时，每个颗粒都受到其值为振动加速度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。颗粒间没有内聚力或内聚力很小，在惯性力周期性反复作用下，各颗粒就都处于运动状态， 振动前紧密状态，震后排列和孔隙度不会有很大变化， 振动前疏松状态，比紧密排列高得多的势能，在振动加速度的反复荷载作用下，必然逐步加密，以期最终成为最稳定的紧密状态。 砂土位于地下水位以下的饱水带，要变密就必须排水。 急速变化的周期性荷载作用下，产生的孔隙度瞬时减小都要求排挤出一些水，,砂的渗透性不良，排水不通畅，前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再减小又产生了。孔隙水必然承受由孔隙度减小而产生的挤压力，生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力(excess pore water pressure)。随振动持续时间的增长，剩余孔隙水压会不断累积而增大。,空隙水压力为pw0，振动过程中的剩余空隙水压力为pw 振动前 （-pw0）tg 振动时： -（pw0+pw）tg 随pw累积性增大，最终pw0+pw，此时砂土的抗剪强度降为零，完全不能承受外荷载而达到液化状态。,振动液化形成超空隙水压力,二、渗流液化,渗流液化：水自下而上形成水头差，并产生自下而上的渗流，动水压力推动砂粒向悬浮状态转化，砂粒处于失重状态，甚至向上运动。,渗流液化,饱和砂土，在强烈地震作用，振动液化，使空隙水压力迅速上升，产生上、下水头差和孔隙水自下而上的运动，动水压力推动砂粒向悬浮状态转化，形成渗流液化使砂层变松。 没有不透水盖层的情况下出现冒水，上部砂层松胀、强度丧失，但不喷水冒砂。裂缝处出现冒砂现象； 有不透水的粘土盖层，剩余水压由两个部分组成，液化层的骨架和盖层的压力。剩余空隙水压力超过盖层强度，或盖层裂隙才有沿裂缝产生喷水冒砂，渗流液化局限于喷砂口附近。,地表无覆盖层时，产生遍地冒水、上部砂层松胀 、强度丧失。不产生喷水冒沙。,地表有不透水粘土盖层，形成暂时承压水。一旦压力突破盖层，产生喷水冒沙。 剩余空隙水压力：Pwe=(r-rw)M1+rgM2,7.3 区域性砂土地震液化的形成条件,砂土层：砂土的成分、结构以及饱水砂层的埋藏条件。 地震方面主要是地震的强烈程度和持续时间。,从砂土地震液化机制的讨论，砂土层本身和地震这两方面具备一定条件才能产生砂土液化:,一、砂土特性和饱水砂层埋藏条件及成因时代特征,1、砂土特性,高的剩余空隙水压力形成的必要条件： 一是地震时，砂土必须有明显的体积缩小从而产生空隙水的排水 二是向砂土外的排水滞后于砂体的振动变密，即砂体的渗透性能不良，不利于剩余空隙水压力的迅速消散， 随荷载循环的增加, 空隙水压力因不断累积而升高。,表征砂土的液化条件的指标： (1) 砂土的相对密度 Dr=(emax-e)/(emax-emin) 相对密度愈大，需要愈大的震动强度或更多的振动循环次数N才能使它液化。,(2) 砂土的粒径和级配 相对密度低并不是砂土地震液化的充分条件， 有些颗粒比较粗的砂，相对密度虽然很低但却很少液化。 具备一定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。,2、饱水砂土层的埋藏条件,直接在地表出露的饱水砂层最易于液化。(Pz=r-rw) *Z,如果饱水砂层埋藏较深，上覆土层的盖重足以抑制地下水面附近产生液化，液化也就不会向深处发展。 Pz= rh+(r-rw)(Z-h),3、饱水砂层的成因和时代,颗粒细、结构疏松、上覆非液化盖层薄和地下水埋深浅等条件，而又广泛分布的砂体。 近代河口三角洲砂体和近期河床堆积砂体，其中河口三角洲砂体是造成区域性砂土液化的主要砂体。,动力-地震加速度，地震愈强、加速度愈大，愈容易引起砂土液化。 按不同烈度评价某种砂土液化的可能性。,二、地震强度及持续时间,根据观测得出，在、度烈度区可能液化的砂土的D50分别为0.05-0.15， 0.03-0.25，0.015-0.5mm。 地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。又如，烈度不同的可液化砂土的相对密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相对密度值也愈大。,确切评价砂土液化的地震强度条件,需实测出地震时最大地面加速度，计算在地下某一深度处由于地震而产生的实际剪应力，再用以判定该深度处的砂土层能否液化。,地震条件-地质条件-埋藏条件-土质条件,7.4 砂土地震液化的判别,一、地震液化的初判条件,1、地震条件,震级(M)与液化最大震中距(D max)有如下关系： Dmax 0.82100.862(M-5) 由上式可以判定：如M5，则液化范围限于震中附近1km之内。,（1） 液化最大震中距,我国地震文献中没有地震震级小于5级的喷水冒砂记录。震级5级震中烈度为VI度，故液化最低烈度为VI度。,（2）液化最低地震烈度,近年来历次地震震后调查发现，发生液化处所多为: 全新世乃至近代海相及河湖相沉积平原，河口三角洲，特别是洼地、河流的泛滥地带、 河漫摊、古河道、滨海地带及人工填土地带等。,2、地质条件,喷砂冒水严重的地区，地下水埋深一般不超过3m，甚至不足1m ，深为 3-4m时喷砂冒水现象少见，超过5m没有喷砂冒水实例,3、埋藏条件,(1) 最大液化深度：,一般认为液化判别应在地下15 m深度范围内进行。最大液化深度可达20m，但对一般浅基础而言，即使15m以下液化，对建筑物影响也极轻微。,(2) 最大地下水位深度：,平均粒径(D50)为0.01-1.0mm； 粘粒(粒径0.005)含量不大于10；或15 。 不均匀系数()不大于10； 相对密度(Dr)不大于75； 级配不连续的土粒径 1mm的颗粒含量大于40 ； 塑性指数( I p )不大于10。,液化土的某些特性指标的限界值为:,4、土质条件,凡经初步判别认为有可能液化或需考虑液化影响的饱和砂土或粉土，都应进行以现场测试为主的进一步判别。,二、现场测试法,标贯判别（常用方法） 静力触探判别 剪切波速判别,液化临界标准贯入击数Ncr ：,1、标贯判别法,Ncr=N01+0.1(ds-3)-0.1(dw-2)(3/pc)0.5 =N0 0.9+0.1(ds-dw)(3/pc)0.5,式中：pc 为粘粒含量百分数，小于3或砂土时取3。 ds 为砂土层埋深。 dw 为地下水埋深。,将砂层埋深（ds）为3m、地下水埋深（dw）为2m作为基本情况，求出不同烈度情况下液化与不液化的标准贯入击数基准值N0。,工业民用建筑抗震设计规范 GBJ11-89,2、剪切波速判别,利用剪切波速Vs与标贯击数N值之间的相关性（Vs100N0.2 ），可以将以N为判据的判别式转换为以Vs为判据的判别式。,为液化临界剪切波速；,为液化临界剪切波速基准值,与N0的对应值,三、理论计算判别,HB希德所提出的判别方法及准则,土的动三轴试验求出的应力比 (da）,能引起该砂土层液化的剪应力 砂土层抵抗液化的抗剪强度,据地震加速度求得的等效平均剪应力(a ),土层的实际应力状态 （土层有效上覆压力）,a 则可能液化,7.5 砂土地震液化的防护措施,一、良好场地的选择,为全部消除地基液化沉陷的措施，如采用桩基、深基础、深层处理至 液化深度以下或挖除全部液化层； B. 为部分消除地基液化沉陷的措施，如处理或挖除部分液化土层等； C. 为基础结构和上部结构的构造措施，一般包括减小或适应不均匀沉陷的各项构造措施； D. 为可不采取措施 。,二、人工改良地基,1、增加盖重 2、 换土 3、改善饱水砂层的密实程度 爆炸振密法 强夯与碾压水冲振捣 回填碎石桩法( 振冲法 ) 4