（岩土工程专业论文）唐山地震液化场地再调查及数据分析.pdf

摘要 摘要 地震液化是地震作用以后所引起的最显著的震害形式之一。中国1 9 7 6 年7 月唐山地震的液化面积约达2 4 0 0 k m 2 ，伴随产生大规模的地面沉陷、变 形、滑移、地裂和喷砂冒水，造成各种工程建筑、道路、农田及水利工程场 地失效，给国计民生带来严重灾害。 一些学者在2 0 世纪8 0 年代对唐山液化场地作过震害调查与原位测试， 并利用这些资料发展了中国的液化判别方法和修订了抗震规范。但是，当时 测试设备和手段有限，在数据指标方面还存在缺陷。同时，近些年来，国际 上液化预测方法取得很大进展，国外液化预测方法与我国的方法比较情况， 也是值得研究的问题。另外，现有唐山地区土层的基本性质如何，以及3 0 多年后现在该地区按新一代区划图设防水平下或再发生同样强度地震下的 原来场地情景如何。也是需要回答的科学和实际问题。 2 0 0 7 年7 月我们对唐山地震液化场地再次进行现场调查。在高烈度液化 场地选取了2 3 个测试点采用国际先进静力触探进行c p t 和波速实验。本文基 于这次调查做了以下工作： ( 1 ) 研究了砂土液化影响因素，讨论了常用的土体原位测试方法，回 顾和总结了1 9 7 6 年唐山大地震砂土液化背景，分析总结了国内外液化判别 方法的进展和发展趋势。 ( 2 ) 对唐山地震主要的液化和非液化场地再次进行调查，完成了c p t u 和剪切波速试验，通过新旧资料对比，给出了锥尖阻力和侧壁摩阻力这两项 新指标，完成了唐山地区剪切波速构造，建立了该地区剪切波速和静力触探 的锥尖阻力的关系。 ( 3 ) 采用本次现场勘察得到的新的静力触探数据，应用国内外多种方 法对现今唐山地区场地的液化进行了判别，给出了在7 度及新一代区划图规 定的设计地震动作用下现今唐山地区场地液化预测结果，给出了方法间的对 比分析，将唐山地震时场地液化情况与现今场地预测结果也进行了比较，分 析了异同性及原因。 关键词：唐山地震，液化场地，调查，预测，c p t u 试验 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 a b s t r a c t l i q u e f a c t i o ni s o n eo ft h et y p i c a ld a m a g e sc a u s e db ye a r t h q u a k e s t h e l i q u e f a c t i o na r e ai nt a n g s h a ne a r t h q u a k ei nc h i n ai nj u l y19 7 6h a sr e a c h e dt o 2 4 0 0k m 2 ，c a u s i n gal a r g e s c a l eg r o u n ds e t t l e m e n t ，d e f o r m m i o n ，s l i d i n g ，s a n d b o i l i n ga n ds e v e r ed a m a g e so f t h eb u i l d i n g s ，r o a d s ，f a r m l a n d sa n db r i d g e s s o m er e s e a r c h e r sh a v em a d ead e t a i l e di n - s i t ui n v e s t i g a t i o no nt h e l i q u e f a c t i o nd a m a g e sa n dt o o kt e s t i n go fl i q u e f i e ds i t e sd u r i n g19 7 7t o19 7 9 t h eo b t a i n e dd a t ah a v eb e e nu s e dt od e v e l o pl i q u e f a c t i o nc r i t e r i ao fc h i n e s e s e i s m i cc o d e h o w e v e r , t h et e s t i n ge q u i p m e n t se m p l o y e dt h e nw e r el i m i t e di n t h ef u n c t i o n m e a n w h i l e ，i nr e c e n ty e a r s ，t h ep r e d i c t i v em e t h o do fl i q u e f a c t i o n w o r l d w i d em a d eg r e a tp r o g r e s s ，a n df o r e i g nl i q u e f a c t i o np r e d i c t i v em e t h o d s a n dc h i n a sc o m p a r a t i v em e t h o d s ，a r ea l s ow o r t hs t u d y i n gt h ei s s u e 。m o r e o v e r , t h ep r e s e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o i li nt a n g s h a na r e aa n dt h es i t u a t i o no ft h i s r e g i o n w h i c ha r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef o r t i f i c a t i o nl e v e ln e wg e n e r a t i o n o f z o n i n gm o p o ra r es u b j e c t e dt ot h es a m ei n t e n s i t ye a r t h q u a k ea f t e r3 0y e a r s ， a r ec r u c i a la n da p p l i c a b l ei s s u e st ob ei n v e s t i g a t e d i nj u l y2 0 0 7 ，w eg ot ot h el i q u e f a c t i o ns i t e so ft a n g s h a ne a r t h q u a k ea n d i n v e s t i g a t et h es c e n e sa g a i n 2 3t e s t i n gb o r e h o l e sw e r es e l e c t e dt oc o n d u c t s c p ta n dv st e s t e sb yu s i n gi n t e r n a t i o n a la d v a n c e de q u i p m e n t sw h i c ha r e q u i t ed i f f e r e n tw i t ht h o s eu s e d3 0y e a r sa g o s o m es a l i e n tp o i n t sc a nb e o u t l i n e d ： ( 1 ) i nt h et h e s i s ，t h ee f f e c tf a c t o r so fl i q u e f a c t i o nh a v eb e e np r e s e n t e d ， a n dt h ec o m m o ns o i li n s i t u t e s t i n gm e t h o d sh a v e b e e nd i s c u s s e d t h e l i q u e f a c t i o nb a c k g r o u n do ft a n g s h a ne a r t h q u a k eh a sb e e nr e v i e w e da n d s u m m e du p t h ep r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fl i q u e f a c t i o ne s t i m a t i o n m e t h o do fl i q u e f a c t i o nh a v eb e e ns u m m e du pa n da n a l y z e d ( 2 ) t h el i q u e f i e da n dn o n 1 i q u e f i e ds i t e si nt a n g s h a ne a r t h q u a k eh a v e b e e nr e i n v e s t i g a t e dw i t hc p t ua n ds h e a rw a v ev e l o c i t yt e s t c o m p a r i n gt h e h i s t o r i ca n dp r e s e n ti n f o r m a t i o n ，t h ef a c t o r so ft i pr e s i s t a n c ea n df r i c t i o n r e s i s t a n c eh a v eb e e ng i v e n t h es h e a rw a v ev e l o c i t ys t r u c t u r eo ft a n g s h a n r e g i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h e a rw a v ev e l o c i t ya n dt h ec o n et i p r e s i s t a n c ei nt h er e g i o nh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ( 3 ) l i q u e f a c t i o ne s t i m a t i o nb yu s i n gt h en e wi n s i t uc p td a t aa n dn e w m e t h o d sh a sb e e np r e s e n t e d t h ep r e d i c t i o no fl i q u e f a c t i o ni sg i v e nw h e nt h e s e i s m i ci n t e n s i t yi s7a n dt h ed e s i g n e dg r o u n dm o t i o np a r a m e t e ri sp r e s c r i b e d b yt h en e wg e n e r a t i o no fz o n i n gm a p c o m p a r i s o no fl i q u e f a c t i o ns i t e sc a u s e d i i a b s t r a c t b yt a n g s h a ne a r t h q u a k ea n ds i t e sp r e d i c t e d t h e s i s ，l i q u e f a c t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tt o c a u s e s b yt h em e t h o dd e s c r i e di nt h i s a n a l y z et h ed i f f e r e n c ea n dt h e k e y w o r d s ：t a n g s h a ne a r t h q u a k e ，l i q u e f i e ds i t e s ，i n v e s t i g a t i o n ，p r e d i c t i o n ， c p t ut e s t s i i i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得主国丝震屋王猩 力堂婴塞逝或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢意。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 签字日期：2 二星：z ；夕 学位论文版权使用授权书 本人完全了解主国丝震屋王猩左堂班塞题有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权史国丝震屋王猩左堂硒究逝可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) -厂一7 论文作者签名：乡季二k导师签名：三色业 签字隰妒丑幽 签字日期：卅，扮 第一章绪论 i i i i i i i i i i i 第一章绪论 l 。l 砂土液化 地震液化是平原强震地区在经历一次强烈地震作用以后所引起的最显 著的震害形式之一。地震液化通常伴随产生大规模的地面变形，震陷、滑移、 地震与喷水冒砂，造成各种工程建筑、道路、农田及水利工程场地地基的失 效，给匡计民生带来很大损失。 砂土液化已成为并且一直是地震中造成破坏的主要原因。1 9 6 4 年新泻地 震和1 9 6 4 年阿拉斯加地震中发生了大面积的砂土液化，导致了建筑物的整 体倾覆。自此之后，人们才开始重视和研究砂土液化。1 9 6 6 年邢台地震中， 沿滏阳潺及其支流两岸广大地区，出现了大量的喷水霹砂、地裂缝现象，造 成堤防、岸坡大规模滑塌和桥、涵、闸等溺道建造物的严重破坏。1 9 7 5 年海 城地震中，喷水留砂淹盖了大量农田，淤塞了很多渠道，在盘锦地区，估计 淤塞渠道四百余万米，农田淤砂三百余万立方米，覆盖农田六万余亩，喷砂 冒水严重的农场，农田淤砂面积约占耕地两积的2 5 。砂土液化严重的地区， 大量桥梁遭到严重破坏。1 9 7 6 年的唐出地震喷沙营水地区达2 4 0 0 0 平方子 米，其中严重者达3 0 0 0 平方千米，淹盖了大量农田，堵塞了大量排灌渠道 和井管，破坏了数万口农用机井；广泛地引起了房屋、桥、坝的地基失效。 砂土液化最主要的最直接的宏观表现就是喷水冒砂，地面喷水冒砂通常开始 予圭震过后凡分钟。除了喷水霉砂之外，砂液化还能从其他侧面反映出来， 如地面下沉、建筑物某些不均匀倾斜或沉降、某些地裂缝等。但是如何区分 是因为砂土液化导致还是其他原因引起的破坏，还有待更进一步的研究。 1 1 1 砂土液化定义 砂土液化的概念是人稍在生产、工程实践以及不断总结震害经验中得到 的。对砂土液化现象的认识经过了一个很长的历史过程。 液化的定义有多种。我豳古代就有“活砂”之说。太沙基( 1 9 2 5 ) 提出有 效应力原理对液化现象的解释，这一说法至今仍有很多人引用。 c a s a g r a n d e ( 1 9 3 6 ) 曾试图爰临界孔隙眈解释液纯现象，认为砂土在液化与非液 化之间存在一个临界孔隙比，若砂土的孔隙比大于该临界孔隙比则液化，否 则不液化。s e e d ( 1 9 6 6 ) 通过室内动三轴试验模拟砂土液化现象时，称超孔隙 水压力达到初始固结压力时为“初始液化”。 美国岩土工程学会土动力学会1 9 7 9 年在经过广泛地讨论后，给出液化 定义为：任何物质转化为液体的过程。就无粘性土丽畜，这静由匿态到液态 的转化，是孔压增加，有效应力减小的结果，该定义在工程界有广泛的影响。 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 另外还有实际液化和循环液化等定义。实际液化是指在外载荷作用下，松散 饱和砂土的强度极大地降低，累积孔隙水压力达到围压，从而导致土体破坏。 循环液化是指在外载荷作用下，具有膨胀趋势的较密实的砂样中孔隙水压力 在每一循环中瞬时达到围压的结果。 对饱和砂土的液化可作如下的描述：饱和砂土的液化是在固定静载之外 的外载作用下，抵抗有效应力的能力( 即砂土的强度) 下降甚至丧失的一种 过程。饱和砂土的有效应力能力来自砂粒间的结构，其值不仅取决于初始状 态，还取决于偏应变和体应变的历史。由于体应变等于从单元流出或流入单 元的液体量，所以在饱和砂土的动力学过程中，应力一应变历程与液体的渗 流是紧密藕合的，而且液体以压力的形式承担着部分外载。在运动过程中， 荷载在液体与砂之间的分配随时间发生着变化。液体承担液压的能力十分 大，砂抵抗偏应力的能力却非但十分有限，而且随着应力和应变带来的损伤， 这个能力不断下降，于是在一定条件下出现了这样的情况，即荷载向液体转 移，其表现为有效应力下降，水压增加，直到砂上的强度全部丧失，这就是 液化。 1 1 2 影响因素 砂土液化是一种相当复杂的现象，是多种因素共同作用的结果，它的产 生、发展和消散主要由土的物理性质、受力条件和边界条件所制约。从现场 震害的调查可以将砂土液化的影响因素归纳为三大类：一类是动荷条件；一 类是埋藏条件：另一类是土性条件。 ( 1 ) 动荷条件 主要指的是震动强度和持续时间，震动强度以地面加速度来衡量，震动 强度大，地震地面加速度就大，相同条件下的饱和砂土层就容易液化。震动 持续时间长，往往意味往复加荷次数多，因此地震持续时间越长，砂土越可 能液化，在地震地面加速度相同的条件下，持续时间短不液化的砂土层，在 经受较长时间的震动后可能会发生液化。震动强度、持续时间在一定程度上 是跟震级、震中距一致的，即可以用震级和震中距来表示动荷条件。王其允 ( 2 0 0 5 ) 收集了大量的地震液化资料，给出了在一定震级下砂土液化最大震 中距，如图1 1 。从图上可以看出，液化只发生在一定区域内，超过这一范 围，就可以认为不会发生砂土液化了，因为超过这一范围，地震的作用强度 已经很低了，充分地说明了震动强度对液化的影响。由于其无法考虑土性因 素，所以只能利用该规律作为砂土液化的一个初判条件。 ( 2 ) 埋藏条件 包括上覆土层厚度、应力历史等。上覆土层厚度的影响。理论上讲，上 覆土层厚度较大时，上覆土层有效压力仃：越大，若使其下部砂土层液化， 则需要砂土层内能够聚集起较大的超静孔隙水压力以承担上覆土层重量，而 上覆土层厚度小时，砂土层内只需具有较小的超静孔压即可顶托起上覆土 第一覃绪论 重。另一方面，从s e e d ( 1 9 7 1 ) 对土层反应分析可知，土层所受到的地震作用 强度随深度的增加而减少。因此，埋深大的饱和砂土层较埋深小的饱和砂土 层难于液化。建筑抗震设计规范g b 5 0 0 1 2 0 0 1 将上覆非液化土层的厚度 作为液化判别的一个初判条件。 10 0 0 置 工 i o o 壬 楼 1 0 4 56 7 8 91 0 震级 图1 1 震级与液化最大震中距的关系 ( 3 ) 应力历史 应力历史的影响是指历史上砂层曾经遭受过的地震的影响。遭受过历史 地震的砂土比未遭受地震的砂土难液化，但曾发生过液化又重新被压密的砂 土却较容易液化。c l d b s h e n gk u ( 2 0 0 4 ) 曾在集集地震后的不同时期对同一 地点进行了c p t 试验，发现非液化随着时间的变化，土的强度变化不大，震 后升高一些。但是对于已经液化场地测试结果却得到与以往不同的认识。以 往普遍认为，震后砂土会更不易液化，因而像现场试验中，液化场地的c p t 值在震后应该高一些。但是，集集地震中现场c p t 试验结果则给出了不同的 答案，即液化场地的c p t 值在震后明显低于震前。从这次地震中，历史地震 对砂土抗液化强度的影响为，对于非液化场地，历史地震会提高砂土的抗液 化能力，对于液化场地则恰恰相反，地震液化之后强度反而更低。 针对这一异常现象，我们进行了分析，发现w d lf i n n ( 1 9 7 0 ) 的室内液 化试验给出了相同的结果。他的试验中，在液化试验之前使饱和砂土样在不 排水条件下受到一定大小的往返剪切作用，然后排水，当孔隙水压力消散后 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 再进行液化试验。试验结果表明，液化试验之前的预剪作用对液化应力比的 影响很大，当预剪的往返剪应变较小时，预剪使液化应力比增大，当预剪的 往返剪应变大于某一界限值时，预剪使液化应力比减少。这一结果与集集地 震现场结果类同。 因此，应力历史对液化的影响有必要进行更多研究。 ( 4 ) 土性条件 土性条件包括砂土的颗粒级配、密实程度、粘粒含量等。 从我国历史上几次大地震的宏观考察资料表明，除砂土外，含有细颗粒 的轻亚粘土( 粉土) 和含有粗颗粒的砂砾石也会液化，甚至喷出地面。一般 来说，随着地震烈度的增高，可液化土的粒径范围也变宽。t s u c h i d a ( 1 9 7 0 ) 根 据过去地震时已知液化和未液化土的筛分试验结果，提出了容易液化土的颗 粒尺寸分布边界曲线，如图1 3 。另外室内试验证明，平均粒径d ；。对砂土的 抗液化强度有明显的影响，并不是粒径越小就越容易液化，如图1 2 ，d 蚰在 0 0 7 m m 附近的土最容易液化，大于该值时，平均粒径越大，抗液化强度越 高，若小于该值时，则随着平均粒径的减少抗液化强度反而增高。图中的 o 0 7 m m 恰好接近砂土和粉土的分界线，很显然，对于粗颗粒的土来说，颗 粒越大透水性越好，地震作用时所产生的孔隙水压力很快就能消散，因而就 很难液化。而对于细颗粒的土来说，由于地震作用时间比较短，地震作用时 所产生的孔隙水压力来不及消散，粒径在一定范围内减少对孔压的消散不会 产生太大的影响，都可以看作是不排水条件，相反，随着粒径的减少，细粒 含量或粘粒含量则增大了，土的抗剪强度相应地也就增大了，因而抗液化强 度也就提高了。我国抗震规范和n c e e r 所建议的液化判别式中都考虑了粘 粒( 细粒) 含量对抗液化强度的影响，且强度都是随着粘粒( 细粒) 含量的 增高而增强。 一 1 、 n = 1 0 周 、n = 3 0 周 1o 1 平均粒径d 图1 2 液化应力比与平均粒径的关系 4 第一章绪论 谷 、- ， 籁 焱 磁 删 搂 鼎 黛 撩 m ， 气， 圈1 3 砂土容易液化的粒径范围 室内试验表明，松砂在剪切作用下会发生体积缩小，即剪缩现象，而密 砂则会发生剪胀现象。从前西液化产生酶机制分析来看，只有当砂土在地震 俸用下发生体积缩小时，才能产生孔压上升，才有可能发生液讫。因此砂土 的密实程度对液化的影响非常大。而目前还没有现场直接测定密实程度的仪 器或方法，只能间接测定其他参数来反映。s p t 、c p t 、v s 得到的相应指标 与砂土的密实程度有良好的对应关系，且其测试技术相对比较成熟，因焉目 前世界范围内普遍采用这些指标来麓量砂土的抗液纯强度，采用这些指标来 建立液化判别式。 研究砂土液化机理和规律的一个重要的手段就是室内试验，而目前有多 种液化试验设备和方法。由于设备本身的一些特点和采用不同的试验方法， 因丽在液化机理试验研究中崧然会出现许多因素的影响，其中有些确实与机 理有关并在不同场合表现出不同的形式，有的则可能在特定条件下才会出 现。如常规动三轴试验中的孔压总是表现为波动状上升，但在循环荷载简单 剪切液化试验中却没有反映。有些因素在实验室内是无法模拟的，而有些因 素在现场根本不存在，只是试验本身固有的，因此所得试验结果不能代表现 场的真实情况，霹时，匿蘸也无令人信服的把室内试验结果定量地转换至现 场实际情况的可靠方法。 1 2 土体原位测试 岩土工程勃察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 孛描述原位测试方法疲根据岩 条件、设计对参数的要求、地区经验和测试方法的适用性等因素选用。根 据原位测试成果，利用地区性经验估算岩土工程特性参数和对岩土工程问题 中国地震局t 程力学研究所硕士学位论文 做出评价时，应与室内试验和工程反算参数作对比，检验其可靠性。原位测 试的仪器设备应定期检验和标定。分析原位测试成果资料时，应注意仪器设 备、试验条件、试验方法等对试验的影响，结合地层条件，剔除异常数据。 在岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 中介绍的土体原位测试有载荷试 验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验、十字板剪切试验、 旁压试验、扁铲侧胀试验、现场直接剪切试验、波速测试、岩体原位应力测 试、激振法测试。下面篱单介绍下在工程中应用于砂液化判别比较多的三 种测试方法。 1 2 1 静力触探试验 静力触探试验( e f t ) ( c o n ep e n 晚撕o nt e s t ) 是用静力匀速将标准规格的探 头压入土中，同时量测探头阻力，测定土的力学特性，具有勘探和测试双重 功能；孔压静力触探试验 e z o e o n ep e n e t r a t i o nt e s t ) 除静力触探原有功能外， 在探头上附加孔隙水压力量测装置用于量测孔隙水压力增长与消散。 静力魅探技术自1 9 1 7 年问世以来，迄今已有8 0 年的历史。8 0 年来，这 项原位测试技术无论是在测试设备的研制和生产、测试方法的改进和完善， 还是在测试成果的解释和应用方面，都取得了长足的进步。目前，许多国家 都把静力触探列入国家规程或规范，并且对静力触探机理进行了深入的研 究，力图从理论上对静力触探过程中发生的现象侔如科学合理的解释，使 c p t 成果的分析不再仅仅依赖于经验关系。根据孔压消散曲线可估算土豹固 结系数和渗透系数。 静力触探实验可以用于下列目的： ( 1 ) 根据贯入阻力曲线的形态特征或数值变换幅度划分土层： ( 2 ) 估算地基土层的物理力学参数； ( 3 ) 评定地基的承载力； ( 4 ) 选择桩基持力层、估算单桩极限承载力，判定沉桩可能性； ( 5 ) 判定场地地震液化势。 静力触探的基本原理就是用准静力( 相对于动力触探而言，没有或很少 有冲击荷载) 将一个内部装有传感器豹探头以匀速压入土中。由予地层中各层 土的强度不同，探头在贯入过程中所受到的阻力也就不同，传感器将这种大 小不同的阻力通过电信号输入到记录仪记录下来，再通过贯入阻力与土的工 程地质性质之间的相关关系以及统计关系，来实现取得层剖蕊、提供浅基 承载力、判别场地土液化、选择桩端持力层、预估单桩承载力等目的。静力 触探既是一种位测试手段，同时又是一种勘探手段，它和常规的钻探一取样 一室内试验等勘察程序相比，具有快速、准确、经济、节省人力等优点。特 别是对于地层变化较大的复杂场地以及不易取得原状士样的饱和砂土、高灵 敏度的软粘主地层和桩基工程的勘察，静力触探更有其独特的优越性。但是， 静力魅探也有不足之处：不能对层进行直接豹观测、鉴别；由予稳固的反 力问题没有解决，测试深度不能超过8 0 m ；对于含碎石、砾石的土层和很密 第一荦绪论 实的砂层一般不适合应用等。 1 2 2 标准贯入试验 标准贯入试验创始于1 9 0 2 年。之后，由美国雷蒙尤混凝土公司加以发展， 四十多年后由太沙基和佩克向世界公开推广。此后，这项技术在世界范围内 迅速推广，我国于1 9 5 3 年开始引进这项原位测试技术。 标准贯入试验( s p t ) ( s t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s t ) 是动力触探的一种，它是用 质量为6 3 5 k g 的穿心锤，以7 6 c m 的落距将标准规格的贯入器，自钻孔底部预 打1 5 c m ，记录再打入3 0 c m 的锤击数，判定土的力学特性。标准贯入试验一 般结合钻探进行，钻杆直径4 2 m m 。标准贯入试验具有设备简单、操作方便、 土层适用性广等优点。它的缺点是离散性较大，故只能粗略地评定土的工程 性质。 标准贯入试验的技术要求应符合下列规定： ( 1 ) 标准贯入试验孔采用回转钻进，并保持孔内水位略高于地下水位。 当孔壁不稳定时，可用泥浆护壁，钻至试验标高以上1 5 c m 处，清除孔底残 土后再进行试验： ( 2 ) 采用自动脱钩的自由落锤法进行锤击，并减小导向杆与锤间的摩 阻力，避免锤击时的偏心和侧向晃动，保持贯入器、探杆、导向杆联接后的 垂直度，锤击速率应小于3 0 击m i n ； ( 3 ) 贯入器打入土中1 5 c m 后，开始记录每打入1 0 e m 的锤击数，累计 打入3 0 e m 的锤击数为标准贯入试验锤击数n 。当锤击数己达5 0 击，而贯入 深度未达3 0 c m 时，可记录5 0 击的实际贯入深度，按下式换算成相当于3 0 c m 的标准贯入试验锤击数n ，并终止试验。 岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 中描述标准贯入试验成果n 可 直接标在工程地质剖面图上，也可绘制单孔标准贯入击数n 与深度关系曲线 或直方图。统计分层标贯击数平均值时，应剔除异常值。标准贯入试验锤击 数n 值，可对砂土、粉土、粘性土的物理状态，土的强度、变形参数、地基 承载力、单桩承载力，砂土和粉土的液化，成桩的可能性等做出评价。应用 n 值时是否修正和如何修正，应根据建立统计关系时的具体情况确定。标准 贯入试验判别液化方法是我国规范规定的判别方法。 1 2 3 波速测试 波速测试适用于测定各类岩土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速，可 根据任务要求，采用单孔法、跨孔法或面波法。 在进行工程勘察时，浅层地震勘探具有明显的优点，其精度和分辨率较 高。波速测试就是浅层地震勘探的一种。由震源出发，直接到达各接收点的 波称直达波。它反映了浅层介质的弹性特点，广泛用于了解地基岩土的弹性 模量、泊松比等动力参数；也可根据动静参数对比，进一步求出静力参数。 与纵波相比，横波的特点是波速低。在用敲击大板作为振源的条件下， 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 横波还具有振幅大、衰减慢、频率低的特点；如果进行正、反向敲击时，直 达横波还具有反相位特点。但是，对于反射横波来说，因受反射面条件的影 响，正、反向敲击的相位关系则比较复杂，并不总是反相位。对横波勘探资 料解释，首先要对横波的时间剖面进行解释，并计算出各层波速，然后利用 波速计算出弹性参数。 依不同的现场条件和设备条件，以及欲测动力参数，可选择不同的方法 进行直达波( 波速) 测试。在同一个试验深度上，应重复试验，以保证测试质 量。 ( 1 ) 单孔法：利用单一钻孔，孔内激发地面接收或地面激发孔内接受 直达波，测得地表至测点间地层的平均波速。 单孔法多用地面激发，激发装置应尽量靠近孔口，以减少测量误差。由 于波会随深度衰减，因而单孔法的测试深度有限，一般不超过8 0 m 。波速静 力触探测试中的波速测试，就属于单孔法。它自行钻孔，检波器紧贴孔壁， 测试精度高，费用低，速度快，适宜用在层次少或土层软硬变化大的场地。 单孔法也常先用钻探一次成孔，然后下入塑料套管：在套管壁与孔壁之间的 孑l 隙中填入砂子，并加以密实：然后将电缆、检波器及空气囊一起放入套管： 达到预定测试深度后，立即对气囊充气，以便将检波器固定贴紧在套管壁上。 然后在地表用大锤敲击压有重物的厚木板，用地震仪( 或动测仪) 接受，和波 速静力触探测试波速方法类似。从孔底向上，按预定测试深度依次作完。如 果在不会塌孔的硬粘性土等地层中测试，也可不下套管，用泥浆护壁进行测 试，测试精度比下套管要好。由于单孔法多在地面激振，波会随深度增加而 衰减，使接受讯号变弱。因此，单孔法测试深度有限，浅层效果好，最深不 超过8 0 m 。测试深度与激振能量有关。 ( 2 ) 跨孔法：在相距仁5 m 的两个平行钻孔的相同深度上，在- - 孑1 , 中 激发，在一孔中接收直达波。从波形图上读到从激发讯号至横波初至信号之 间的时间差，除以两钻孔的中心距，即可求得该地层的横波波速。宣布置两 个检波孔，以便校核平均。跨孔法测试深度较大，且须试前钻2 - - 3 孔，测 试成本较单孔法高。在求分层波速上，精度高于单孔法。 波速资料可应用在以下几个方面： ( 1 ) 划分建筑场地类别； ( 2 ) 计算土的最大模量： ( 3 ) 判别砂土或粉土的地震液化。 目前已经证实土层中的剪切波速和抗液化能力受许多相同因素的影响， 比如孔隙比、有效应力、应力历史、和地层年代等，因此同类型的土在相 同的应力条件下有相同的剪切波速，也就可能有相同的抗液化能力，使得剪 切波速作为一种液化判别指标成为可能。同时具有很多独特的优点： ( 1 ) 像碎石土这样比较难取样的土层以及不允许钻孔和测深的地方， 测量剪切波速则是十分方便； 第一蕈绪论 ( 2 ) 室内也能测土样的剪切波速，因此可将室内和现场试验直接进行 比较； ( 3 ) 剪切波速与最大剪切模量g 一是直接关联的，而g 一在进行土的 动剪应变分析时是必不可少的参数； ( 4 ) 对于比较大的地震和比较长的振动持续时间，砂土液化所需要的 循环剪应变也就随之降低，使得剪切波速和最大剪切模量g 。作为基本的液 化判别参数是可行的； ( 5 ) 剪切波速有明确的物理意义。 以往韵地质调查和土工试验数据证明土体的剪切波速随着土层埋深的 增加以及土的密实的增加呈现出增加的趋势。由于剪切波速表示土的软硬程 度，因此对于同一类型的砂性土在同一埋深不同的密实度时会有较大的差 别。静力触探试验的锥尖阻力和标准贯入试验的标数也时表示土体的软硬程 度的，它们之间必然存在一定的关系。 1 3 本文的主要工作 本文主要工作包括： ( 1 ) 研究砂土液化影响因素，讨论常用的土体原位测试方法。 ( 2 ) 回顾和总结1 9 7 6 年唐山大地震砂土液化背景。 ( 3 ) 分析总结国内外液化判别方法的进展和发展趋势。 ( 4 ) 对唐山地震主要的液化和非液化场地再次进行调查，进行c p t u 和剪切波速试验。 ( 5 ) 通过新旧资料对比，给出锥尖阻力和侧壁摩阻力这两项新指标。 ( 6 ) 研究唐山地区剪切波速构造，建立该地区剪切波速和静力触探的 锥尖阻力的关系。 ( 7 ) 采用新数据，应用国内外典型液化方法对现今唐山地区进行液化 预测，进行不同方法的对比分析。 ( 8 ) 将唐山地震时场地液化情况与现今场地预测结果进行比较，分析 异同性及原因。 ：! 彗至呈三垒耋茎竺垒至窒；：茎兰耋圣 第二章唐山地震砂土液化背景及震害 2 1 唐山地震简介 1 9 7 6 年7 月2 8 日北京时间凌晨3 时4 2 分，在中国河北省境内、人口 达百余万的工业城市唐山市发生了里氏78 级的地震。震中位置适在市 区东南部，震源深约1 l 千米，有明显的地震断裂贯穿全市。市区大部分陷 入地震烈度高达十一度的极震区，房屋建筑普遍倒塌，幸存无恙者甚少。震 害遍布唐山外围十余县，波及百余千米之外的北京、天津、秦皇岛等重要城 市。环绕唐山的道路桥梁以及公用设施破坏严重，以致顷刻之间交通梗阻， 讯息不通，供应断绝。同日1 8 时4 5 分，在唐山东北4 5 千米的滦县境内商 家林发生7 1 级地震，同年1 1 月1 5 日2 l 时5 3 分，在天津市宁河县又发生 6 9 级地震。这两次地震在局部地区加重了震害。据统计，在唐山地震中死 亡人数达2 4 万2 千，重伤达1 6 万4 千，灾情之重，为世界地震史上所罕见。 图2l 唐山地震引起的建筑物破坏 唐山地震发生在人口稠密、工业发达的城市里，使各类工业与民用建筑， 特别是城市的多层砖混结构住宅和煤矿的地面建筑物，遭到了严重破坏。在 茎三耋星堂彗至茎圭鎏兰茎茎釜耋至 极震区，经过正规设计的各类工业厂房和结构物有7 0 一8 0 倒塌或主体结构 遭到严重破坏。巨额投资的生产设备许多遭到毁坏。多层砖混结构房屋有 9 0 倒塌或遭到严重破坏。砖烟囱几乎全部倒平，砖简壁水塔从根部倾倒； 有的矿井井塔被震得歪斜或下沉，井下巷道内有大量地下水涌入。广大震区 内路基塌陷裂缝铁轨变形，毁坏或严重破坏的各种大中型桥梁占三分之一 左右；喷砂冒水地区达2 4 0 0 0 平方千米，其中严重者达3 0 0 0 平方千米，淹 盖了大量农田( 如图22 ) ，堵塞了大量排灌渠道和井管，破坏了数万口农用 机井：广泛地引起了房屋、桥、坝的地基失效。有的地方还发生了严重的次 生灾害，如因房屋倒塌而引起剧毒气体扩散，易燃易爆物品爆炸燃烧等。震 时正在生产的平炉、转炉、电炉、化铁炉因停电使钢水、铁水凝固炉内；煤 矿井下园通风中断，濒临窒息及瓦斯爆炸的危险。所有这些严重的现象，在 我国是前所未有的，亦为地震历史上所罕见。这次地震灾害之所以如此严重 主要是由于过去对这个地区的基本烈度估计过低，解放后新建工程( 除个别 外) 均未按抗震要求设防，对老旧建筑亦缺乏检查加固。建筑物本身的弱点， 如砖砌体强度不足、装配式结构的整体性欠佳等等，也加重了破坏。在南部 滨海平原上，则由于第四纪沉积厚、地下水位浅，地基失效的影响占了主要 地位。此外主震之后，同日下午发生了71 级强余震，原来已经遭受破坏的 结构再受到第二次打击，这种因积累效应而使灾情加重的情况，在东部地区 最为显著。 图2 2 喷砂掩盖农田 2 2 唐山地震砂土液化背景 地震液化是平原强震地区在经历一次强烈地震作用以后所引起的最显 著的震害形式之一。地震液化通常伴随产生大规模的地面变形，震陷、滑移、 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 地震与喷水冒砂；造成各种工程建筑、道路、农田及水利工程场地地基的失 效，给国计民生带来很大损失。 唐山的地质概况。唐山地区的滦河流域在地质构造单元上属于华北地台 的燕山沉降带，河淮台向斜的北部。按照断块构造的学说，本区则属华北断 块的冀鲁断块，地跨燕山块陷和冀渤块陷两个词以及单元。本区基底为太古 界和元古界变质岩系、主要有片岩、片麻岩类及混合岩化黑云母变粒岩、磁 化石英片岩等。自晚元古代起燕山地区受近东西向基底断裂控制，产生了强 烈拗陷，沿海沉降带沉积了一套以海相碳酸盐岩为主的上前寒武系。早古生 代本区经历了广泛的海进，随之发生加里东运动，致使该区大面积上升，缺 失晚奥陶世至早石炭世地层。其后，晚古生代的震荡运动使这里沉积了海陆 交互相地层。中生代，特别是燕山运动以来，本区发生强烈的差异升降运动 及断裂和岩浆活动，从而奠定了本区构造的基本轮廓，其中北部地区为持续 上升区，受到剥蚀，除山间盆地外，大多缺失中、新生代地层，仅在现今燕 山南麓的山前地带覆盖薄层的第四系，而南部则不断沉降，发育了厚达数千 米的中、新生代沉积层，构成了伸入渤海盆地的巨厚沉积体，长期以来，这 种南降北升的构造活动形成了本区地形的基本轮廓，影响着滦河的变迁，使 滦河冲积扇三角洲具有明显的继承性。此外，广泛发育的断裂使本区构 造进一步复杂化，控制滦河冲积扇三角洲发育的断裂均为隐伏活动性断 裂，主要有三组：东西向、北东向和北西向，其中东西向断裂形成最早，往 往被其他方向的断裂所切割；北东向为主要断裂，控制着滦河冲积扇三 角洲的发育；北西向断裂往往对河流的走向具有明显的影响。 地貌概况。本地区可以分为四种地貌类型，由北向南依次为：低山丘陵、 山前准平原、山前倾斜平原、滨海平原。低山丘陵位于燕山南端侧，地势最 高不超过海拔5 0 0 m ，地表切割成为丘陵状态。丘陵间形成盆地与谷地，如迁 西盆地。河流以滦河、青龙河为主，河谷宽阔，但变化很大，河床中常有沙 洲出现。在接近平原部分，常有侵蚀残余的孤丘，在丰润、昌黎间比较普遍。 山前准平原北接低山丘陵区，南至玉田县、唐山市、兴隆庄、昌黎县一线。 地区轻微上升，地形受侵蚀后呈波状起伏。该区内的以丰润为顶点的冲积扇 和以西峡口为顶点的冲积扇部分都是各自扇体的顶部，均以颗粒不均，分选 较差的砾石沉积为主，分选较好的砂质沉积形成透镜体或夹层。山前倾斜平 原是滦河晚期冲积扇、河口三角洲、近代河流沉积组成的。它北接山前准平 原，南至苗庄子、唐坊桥、柏各庄、马头营、王滩一线。该地区相对沉降， 地势平坦，地面坡度1 2 0 旺1 2 5 0 0 ，倾向渤海。这里的地形主要由陡河、滦 河、青龙河以及其他小河的堆积构成，地表由黄土类亚砂土为主。这里包括 滦河的三个冲积扇，陡河以西是最老的冲积扇，这是以丰润为顶点的冲积扇 的延伸部分，陡河以东是以西峡口为顶点的冲积扇的延伸部分，以及以滦县 为顶点的冲积扇，此冲积扇内叠于以西峡口为顶点的老冲积扇内。倾斜平原 东端是现代滦河三角洲，这里的沉积物较细，为灰黄色和黄色含黏土粉砂， 第二章唐山地震砂土液化背景及震害 局部夹中细砂，坡度极小。滨海平原。本区由海积平原、泻湖、沼泽组成。 南临渤海，北接山前倾斜平原。滦河口以北为砂质海岸，海滩坡度为仁7 度， 发育有高大沙丘，高可达4 0 m 。河口至清河口为砂泥质海岸，发育有滨外沙 坝和泻湖，泻湖因堆积而日益缩小，边缘部分由淤积而成为沼泽洼地。滨外 沙坝向海坡的坡度为1 一度，泻湖滩坡的坡度约为1 ：1 0 0 0 。清河口以西为 淤泥质海岸，发育有宽广低平的淤泥质海滩，坡度为1 ：1 0 0 旺1 ：3 0 0 0 。 唐山地处冀东滨海平原，这里地势低平，平原上广泛覆盖第四纪晚期未 经固结的年轻沉积盖层，加上长期来唐山地区是一个构造活动带，孕震机制 异常活跃，因此，在这一地区的大部分面积上，具有形成场地液化的所有必 要条件。唐山大地震的实践证明：地震引起的场地液化，无论在形成规模上 还是在类型特征上都十分典型，这些特征反映了不同的液化形成了多次强烈 地震，以及由此产生的场地液化，在时间上，地震液化有明显的连续性与继 承性；此外，随着唐山活动断裂带西北盘逐渐上升引起的滦河冲击扇不断向 东改道和变迁，早期形成的冲积扇平原及遗弃河床沉积物，经过上升及历史 地震作用下的反复液化，地层不断增密和加强固结程度，而东部的冲积扇沉 积结构松散，形成年代较新，因此，在空间上，液化的最剧烈地段不断向东 南滨海方向推移。 2 3 唐山地震砂土液化及其震害 反映场地液化震害的直接指标可由液化喷( 水) 冒( 砂) 系数( 地面喷冒覆 盖面积与地区单元面积之比) 、震害率( 倒塌毁坏建筑占总建筑数的百分比) 及 震陷率( 地面正负垂直变形量) 来表示。根据以前调查资料表明这些指标与所 处地貌单元、第四系沉积年代( 沉积序次、物质组成与结构特征) 及液化类型 等因素有关。 由于不同液化形迹在很大程度上反映其受各种因素影响而显示出不同 的液化规模