6不良地质现象及防治

土木工程地质学GeologyinCivilEngineering 6 1斜坡变形6 2崩塌6 3滑坡6 4泥石流6 5地面塌陷6 6地震与沙土液化 不良地质现象及防治 6 1斜坡变形 6 1 1拉裂斜坡岩土体在局部拉应力集中部位和张力带内行程张裂隙的变形形式成为拉裂 拉裂形成机制有三种类型 1 在坡面和坡顶张力带中拉应力集中形成拉裂 2 卸荷回弹或岩体初始应力 地应力 释放产生拉裂 3 因蠕滑形成局部应力集中产生拉裂 斜坡变形 由于应力状态的变化 当局部应力超过该部位岩土体的容许强度时 引起局部剪切错动 拉裂并出现小位移 但还未造成整体性的破坏 6 1 2蠕滑斜坡岩土体迎软弱面局部向临空方向的缓慢剪切变形称为蠕滑 蠕滑一般有三种形式 1 受最大剪应力面控制的蠕滑 在均质土坡中较为常见 2 受软弱结构面控制的蠕滑 在含有近水平或倾向坡外各种软弱结构面的岩坡常见 3 受软弱基座控制的蠕滑和塑流 6 1 3弯曲倾倒由陡倾或直立板 片 状岩体组成的斜坡 当岩层与坡面平行时 在重力作用下发生向临空方向弯曲 折裂并逐渐向内发展 此重变形称为弯曲倾倒 碎落 斜坡的表层岩石由于强烈风化 沿斜坡表面发生经常性的岩屑顺坡滚落现象 6 2崩塌 落石 陡峻斜坡上个别 少量岩块 碎石脱离坡体向下坠落的现象 山崩 规模巨大的山区崩塌 盐池河崩塌 崩塌的形成条件及影响因素 二 崩塌产生的条件1 岩性条件 一般发生于厚层坚硬岩体中 这类岩体常能形成高陡斜坡 2 地形地貌条件 一般发生于陡峻的斜坡地段 一般坡角大于45度 高度大于30米 坡面不平整 上陡下缓 3 构造条件 在岩体中各种软弱结构面 节理 裂隙 岩层层面 断层等 组合处易发生崩塌 4 气候条件 昼夜温差 季节变化促使岩石风化 5 水文地质条件 水的冲刷 溶解和软化裂隙充填物软弱面 水的渗透力 6 其它 地震及人类活动中的爆破 开挖高边坡破坏山体平衡 地形地貌条件 地形是引起崩塌的基本因素 斜坡坡度大于45 高度超过30m的地段有利于发生崩塌 软 硬岩相间发生的崩塌 岩性条件 岩性对崩塌有明显的控制作用 坚硬脆性的岩石组成的高陡边坡以及硬 软岩相间构成的边坡较易发生崩塌 层理 节理组合发生的崩塌 地质构造条件 岩体中各种不连续面的存在是产生崩塌的基本条件 当各种不连续面的产状和组合有利于崩塌时 就成为发生崩塌的决定性因素 水的条件 水是诱发崩塌的必要条件 气候条件 高寒地区冰劈作用广泛发育 干旱 半干旱气候区日温差及年温差较大 这些地区物理风化强烈 岩石易破碎成碎块 崩落极为盛行 其它条件 主要是人为因素和振动影响 如果在工程设计和施工中处理不当 会促使崩塌的发生 地震 列车 爆破施工引起的振动 也是诱发崩塌的因素 崩塌的防治 1 绕避为主对有可能发生大 中型崩塌的地段 有条件绕避时 有限绕避 2 防治结合对有可能发生小型崩塌或者落石的地段 应视地形条件进行经济比较 3 科学施工避免使用不合理的高陡边坡 避免大挖大切 维持山体平衡 对于落石和小型崩塌 1 清除危岩 2 支护加固 3 拦挡工程 拦石网 崩塌支护加固措施 对于大型崩塌 可采用棚洞或明洞等防护工程 若各种方法均不能解决问题时 只能采取绕避方案 或将线路内移作隧 或将线路改移到河对岸 防崩塌明洞 6 3 1滑坡及其形态特征6 3 2滑坡的形成条件及影响因素6 3 3滑坡分类6 3 4滑坡防治 6 3滑坡 滑坡及其形态特征 滑坡 斜坡上的岩土体 在重力的作用下 沿着斜坡内部一定的滑动面 或滑动带 整体下滑 且水平位移大于垂直位移的坡体变形 2004年6月23日 湖南怀化沅陵的五强溪库区重点移民区的北溶乡花园 侯家湾 朱红溪3个村发生山体滑坡 毁损的公路 27栋房屋被冲毁 2003年5月11日贵州省三穗县平溪特大桥滑坡致使35人死亡 毁坏桥墩 滑坡的形态特征 滑坡体 沿滑动面向下滑动的那部分岩土体 滑动面 滑坡体沿其下滑的面 滑坡的形态特征 滑动面的形态 滑坡床 滑动面下稳定不动的岩土体 滑坡周界 平面上滑坡体与周围稳定不动的岩土体的分界线 滑坡的形态特征 滑坡壁 滑体后缘与母体脱开的分界面 平面上多呈围椅状 滑坡的形态特征 滑坡台阶 由于滑坡体上 下各段运动速度的差异 滑坡体断开或沿不同滑面多次滑动 在滑坡上构成多级台阶 每一台阶由滑坡平台及陡壁组成 滑坡的形态特征 滑坡舌 滑坡体前缘形如舌状伸入沟堑或河道中的部分 滑坡鼓丘 滑坡体前缘受阻 被挤压鼓起成丘状的部分 滑坡的形态特征 滑坡裂隙 滑坡体内出现的裂隙 滑坡的形态特征 2003年7月13日三峡库区沙溪镇发生千将坪滑坡 致使24人失踪 新沙溪镇 滑坡常见的各种地貌 地物特征 滑坡体上房屋开裂甚至倒塌 滑坡周界处双沟同源现象 滑坡体表面坡度比周围未滑动斜坡坡度变缓 滑坡体上的 醉林 马刀树 等现象 5 1 2滑坡的形成条件及影响因素 滑坡的形成条件影响滑坡形成和发展的因素 滑坡的形成条件 必备条件 令k为稳定系数显然 k 1时 斜坡稳定 k 1时 斜坡处于极限平衡状态 k 1时 滑体下滑 力学条件 抗滑力矩 滑动力矩 a 影响滑坡形成和发展的因素 由此 我们可以得出滑坡产生的力学条件是 在贯通的滑动面上 总下滑力 抗滑力 地形地貌斜坡的高度 坡度和形态影响着斜坡的稳定性 高而陡峻的斜坡较不稳定 因为地形上的有效临空面提供了滑动的空间 是滑坡形成的重要条件 地层岩性沉积物和岩石是产生滑坡的物质基础 地质构造滑坡的产生与地质构造关系极为密切 滑动面常常是构造软弱面 如层面 断层面 断层破碎带 节理面 不整合面等 另外 岩层的产状也影响滑坡的发育 如果岩层向斜坡内部倾斜 斜坡比较稳定 如果岩层的倾向和斜坡坡向相同 就有利于滑坡发育 特别是当倾斜岩层中有含水层存在时 滑坡最易形成 地下水绝大多数滑坡的发生发育都有地下水的参与 因为地下水进入滑动体 到达滑动面 会使滑动体自重增大 使滑动面抗剪强度降低 再加上对滑动体的静 动水压力 都成为诱发滑坡形成和发展的重要因素 人为因素及其它因素人工切坡 开挖渠道 露采矿坑等人类的工程活动 如设计施工不当 也可破坏斜坡平衡 引起滑坡 此外 地震 大爆破和各种机械震动常诱发滑坡 因为地面震动不仅增加了土体下滑力 而且破坏了土体的内部结构 当上述条件同时具备时 滑坡几乎是难以避免的 一个突出的例子是 1983 3 7 在甘肃省东乡县洒勒山南坡第四纪黄土与下覆第三纪红土层中发生了大型灾害性滑坡 使公路摧毁 河道堵塞 水库淤积 附近4个生产队的71户被掩埋 220人死亡 三千多亩农田被毁 5 1 3滑坡分类 按滑坡力学特征分类按滑动面与地质构造特征分类 按滑坡力学特征分类 均质滑坡 顺层滑坡 切层滑坡 按滑动面与地质构造特征分类 5 1 4滑坡防治 应当是以防为主 整治为辅 查明影响因素 采取综合整治方案 一次性根治 不留后患 防治原则 防治方法 滑坡地表排水系统示意图 截水沟断面构造图 排除地表水 对滑坡体地表水要截流旁引 不使它流入滑坡内 排水 支撑盲沟 截水盲沟 排除地下水其中水平排水设施有盲沟 盲洞 水平钻孔 垂直排水设施有井 钻孔等 刷方减载 对于头重脚轻的滑坡 高而陡的斜坡 可将滑坡上部或斜坡上部的岩土体削去一部分 并将其堆放在坡脚处 抗滑桩 修建支挡工程 锚固滑体 挡土墙 支挡工程的作用主要是增加抗滑力 直到不再滑坡 抗滑桩 改善滑动面或滑动带的岩土性质 土质改良的目的在于提高岩土体的抗滑能力 主要用于土体性质的改善 一般有电化学加固法 硅化法水泥胶结法 冻结法 焙烧法 石灰灌浆法及电渗排水法等 6 4 1泥石流及其分布6 4 2泥石流形成条件6 4 3泥石流分类6 4 4泥石流地区道路位置选择6 4 5泥石流的防治措施 6 4泥石流 泥石流及其分布 泥石流 含有大量泥砂 石块等固体物质 突然爆发的 具有很大破坏力的特殊洪流 泥石流的危害 2004年7月 云南省德宏州盈江县先后发生了两次特大洪涝泥石流灾害 造成了巨大的经济损失和人员伤亡 5 3 2泥石流形成条件 松散固体物质 地质条件 在形成区内有大量易于被水流侵蚀冲刷的疏松土石堆积物 是泥石流形成的最重要的条件 地形条件 典型的泥石流流域可划分为形成区 流通区和沉积区三个区段 该区多为三面环山 一面出口的半圆形宽阔地段 周围山坡陡峻 沟谷纵坡降可达30 以上 斜坡常被冲沟切割 且崩塌 滑坡发育 坡体光秃 无植被覆盖 这样的地形 有利于汇集周围山坡上的水流的固体物质 形成区又可分为汇水动力区和物质供给区 形成区 该区多为狭窄而深切的峡谷或冲沟 谷壁陡峻而纵坡降较大 常出现陡坎和跌水 泥石流进入本区后极具冲刷能力 流通区形似颈状或喇叭状 非典型的泥石流沟 可能没有明显的流通区 流通区 一般位于山口外或山间盆地的边缘 地形较平缓 泥石流至此速度急剧变小 最终堆积下来 形成扇形 锥状堆积体 有的堆积区还直接为河漫滩或阶地 沉积区 水源条件 泥石流形成必须有强烈的地表径流 地表径流是暴发泥石流的动力条件 人为因素 人类工程活动的不当可促进泥石流的发生 发展 复活或加重其危害程度 泥流 泥石流 按所含固体物质成分 水石流 泥石流分类 沟谷型 按地貌特征 山坡型 按地貌特征 按流体性质分类 泥石流地区道路位置选择 掌握泥石流的独有特征和发生发展规律 选择好线路的位置是防治泥石流的最有效措施 一般来说 道路工程通过泥石流区 应遵循以下原则 绕避处于发育旺盛期的特大型 大型泥石流或泥石流群 以及淤积严重的泥石流沟 远离泥石流堵河严重地段的河岸 线路高程应考虑泥石流发展趋势 峡谷河段以高桥大跨通过 宽谷河段 线路位置及高程应根据主河床与泥石流沟淤积率 主河摆动趋势确定 线路跨越泥石流沟时 应避开河床纵坡由陡变缓和平面上急弯部位 不宜压缩沟床断面 改沟并桥或沟中设墩 桥下应留足净空 严禁在泥石流扇上挖沟设桥或作路堑 道路通过泥石流地区的具体位置 通常有五种方案可供比选 道路通过泥石流区的方案 泥石流的防治措施 对于大型的严重发育的泥石流地段 一般绕避为好 万一无法绕避的 在调查泥石流活动规律后 选择有利位置 采用适宜的结构物通过 拦挡工程主要用于上游形成区的后缘 主要结构物是各种形式的坝 其主要作用是拦泥滞流和护床固坡 谷坊群 格栅坝 排导工程主要用于下游的洪积扇上 目的是防止泥石流漫流改道 减小冲刷和淤积的破坏以保护附近的居民点 工矿点和交通线路 排导工程主要包括排导沟 渡槽 急流槽 导流堤 排洪道等 水土保持水土保持是泥石流的治本措施 其措施包括平整山坡 植树造林 保护植被等 维持较优化的生态平衡 6 5地面塌陷 地面塌陷是指地表岩 土体在自然或认为因素作用下 向下陷落 并在地面行程塌陷坑洞的一种地质现象 岩溶塌陷是指在可溶性岩石分布的浅覆盖区 由于浅部岩溶发育 当水文地质条件改变时 在地下水的作用下 松散图层的土颗粒发生运移 而逐步形成隐伏土洞 并向地面发展 最终导致地面塌陷 岩溶及其形态特征 岩溶 指可溶性岩石受地表水和地下水以化学溶蚀为主 机械侵蚀和崩塌为辅的地质营力的综合作用产生的各种现象的统称 又称喀斯特 karst 漓江两岸如诗如画的风景 岩溶的形态特征 溶沟 岩溶的形态特征 石芽 岩溶的形态特征 石林 岩溶的形态特征 漏斗 岩溶的形态特征 落水洞 岩溶的形态特征 溶蚀洼地 岩溶的形态特征 峰丛 岩溶的形态特征 峰林 岩溶的形态特征 孤峰 岩溶的形态特征 溶洞 地下溶洞的形成过程 该溶洞有上 中 下三层 每层相互连通 上洞 中洞属同一水平溶洞系统 都很开阔 可容数百人 下洞中发育有近100m的地下河 沿地下河行舟可以直通地面 岩溶的形态特征 暗河 岩溶的形态特征 天生桥 岩溶的形态特征 石林瀑布 岩溶的形成条件及发育规律 岩溶形成条件 岩溶发育规律 土洞与潜蚀 土洞是因地下水或者地表水流入地下土地内 将颗粒间可溶成分溶滤 带走细小颗粒 使土体被掏空成洞穴而形成 这种地质作用的过程称为潜蚀 土洞的形成发育条件 地区的地貌 土层 地质构造 水的活动 岩溶发育 地表排水等 最主要的是要有可溶成分 土洞的类型 1 由地表水下渗发生机械潜蚀作用形成的土洞2 由岩溶水流潜蚀作用形成土洞 土洞的形成过程 岩溶与土洞的工程地质问题 主要有 挖填 回填溶洞 隧道拱顶溶洞回填 隧道边墙下溶洞处理 跨盖采用梁式基础或拱形结构跨越溶洞 沟槽等 或用刚性大的平板基础覆盖沟槽 溶洞 灌注对于埋深大 体积也大的溶洞 可通过钻孔向洞内灌入水泥砂浆或混凝土以堵塞洞穴 排导在查明水的来源情况 实地的地形 生产条件和场地情况的条件下 采用不同的排导方法 使水流改道疏干建筑地段 对洞穴或裂隙涌水可用粘土 浆砌片石或其它止水材料堵塞等 6 6地震与沙土液化 地震的危害性归纳起来有以下四个方面 1 地面下沉 2 地表塌陷 3 地基土承载力丧失 4 地面流滑 饱水砂土在地震 动力荷载或其它外力作用下 受到强烈振动而丧失抗剪强度 使砂粒处于悬浮状态 致使地基失效的作用或现象称为砂土液化 sandliquefaetion 或振动液化 地震导致砂土液化往往是区域性的 可使广大地域内的建筑物遭受毁坏 921集集大地震 員林 南投 大肚溪以及台中港等地區 都有土壤液化的現象 導致地層下陷 噴砂 房屋倒塌 傾斜 破壞的情形 陷落的情形 日本新泻1964年地震时砂土液化影响 这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏 加州沃森维尔附近的野外涌沙 唐山地造成的喷水冒砂区分布图震 地震导致的砂土液化现象在饱水疏松砂层广泛 分布的海滨 湖岸 冲积平原 以及河漫滩 低阶地等地区尤为发育 使位于这些地区的城镇 农村 道路 桥梁 港口 农田 水渠 房屋等工程经济设施深受其害 1 地面下沉 饱水疏松砂土因振动而趋于密实 地面随之下沉 结果可使低平的滨海 湖 地带居民生活受到影响 甚至无法生活 1964年阿拉斯加地震时 波特奇市因砂土液化地面下沉很多 每当海水涨潮即受浸淹 迫使该市不得不迁址 唐山地震时 烈度为 度的天津汉沽区富庄大范围下沉 原来平坦的地面整体下沉达1 6 2 9m 2 地表塌陷 地震时砂土中孔隙水压力剧增 当砂土出露地表或其上覆土层较薄时 即发生喷砂冒水 造成地下淘空 地表塌陷 如海城地震时 在震中以西的下辽河 盘锦地区大量喷砂冒水 一般开始于主震过后数分钟 持续时间5 6小时甚至数日 喷出的砂水混合物高速3 5m 形成许多圆形 椭圆形陷坑 坑口直径3 4m至7 8m 深数十厘米至数米 给交通和水利设施 农田 房屋 地下管道和油井等造成严重损害 唐山地震时 自滦河口以西直至宁河一带 数千平方公里范围内到处喷砂冒水 使十几万亩农田被喷砂掩覆 十几万口机井淤塞 不少房屋和公路 铁路桥墩毁坏 3 地基土承载力丧失 持续的地震动使砂土中孔凉水压力上升 而导致土粒间有效应力下降 当有效应力趋于零时 砂粒即处于悬浮状态 丧失承载能力 引起地基整体失效 如1064年日本新泻地震 由于地基失效使建筑物倒塌2130座 严重破坏6200座 轻微破坏达31000座 唐山地震时 唐山和天津地区的许多房屋 桥梁和铁路路段也因地基失效而破坏 4 地面流滑 斜坡上若有液化土层分布时 地震会导致液化流滑而使斜坡失稳 1960年智利8 9级大震时 内华湖附近圣佩德罗河上最大一个滑坡体的发生 是由于粘土层中含有大量粉砂土透镜体的液化所致 图3 2 有时场地地面极缓甚至近于水平也发生滑移 如1971年美国圣费尔南德地震滑移地段 地面坡度仅2度 唐山地震时 天津市河东区柳林一带的严重滑移 则为水平场地 砂土液化在宏观震害中的双重作用 即产生液化的场地往往比同一震中距范围内未发生液化场地的宏观烈度要低些 这是因地震剪切波在此层中受阻 流体不能传递剪力 使传至地面上的地震波相应地衰减 砂土地震液化问题 作为一种自然灾害现象进行深入研究 从20世纪60年代才开始 1864年阿拉斯加和新泻两次地震所造成的严重破坏 均为砂土液化的缘故 故在美国 日本和其它一些国家的工程地质界引起了很大的关注 砂土地震液化的机理 饱和砂土是砂和水的复合体系 砂土是一种散体物质 它主要依靠颗粒间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定 而这种摩擦力主要取决于粒间的法向压力 水是一种液体 它的突出力学特性是体积难于压缩 能承受极大的法向压力 他不能承受剪力 泡和砂土由于孔隙水压力Pw0作用 度将小于干砂的抗剪强度 0即为有效法向压力 显然 0 在地震过程中 疏松的饱和砂土在地震动引起约剪应力反复作用下 砂粒问相互置必然产生调整 而使砂土趋于密实 以期最终达到最稳定的紧密排列状态 砂土要变密实就势必排水 在急剧变化的周期性荷载作下 所伴随的孔隙度减小都要求排挤出一些水 且透水性变差 如果砂土透水性不良而排水不通畅的话 则前一周期的排水尚末完成 下一周期的孔隙度再减少又产生了 应排除的水来不及排走 而水又是不可压缩的 于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力 excessporepressure 随振动持续时间的增长 剩余孔隙水压力不断叠加而积累增大 而使砂土的抗剪强度不断降低 甚至完全丧失 砂土的抗剪强度 与作用于该土体上的往复剪应力 d的比值来判定砂土是否会发生液化 当 d 1时 不会产生液化当 d 1 处临界状态 砂土开始发生剪切破坏 此时称为砂土的初始液化状态砂土的抗剪强度随振动历时增大而降低 当 d 1时 则沿剪切面的塑性平衡E迅速扩大 导致剪切破坏加剧 而当孔隙水压力继续上升 直至与总法向压力相等 有效法向压力及抗剪强度均下降为零 即当 d 0时 砂土颗粒间将脱离接触而处于悬浮状态 此时即为完全液化状态 可将砂土液化的发展过程划分为三个阶段 稳定状态 d 1 临界状态或初始液化状态 d 1 完全液化状态 d 0 从初始液化状态至完全液化状态往往发展很快 二者界线不易判断 为了保证安全 可把初始液化视作液化 液化的形成过程和机理 西德 H B Seed 等人自1966年就进行室内动力剪切试验 发现变向循环荷裁 振动 作用下饱和砂土最易液化 循环荷载三轴压缩试验 动三轴剪 试样首先在各向均等的静压力 a下固结 然后在不排水条件下同时在竖向上施加 1 2 d 压 拉 侧向施加 1 2 d 压 拉 的循环荷载 循环荷载的频率近乎地震频率 即l 2r s d max 1 3 2 d 2为最大循环剪应力 取松砂和密砂试样分别进行试验 发现试验结果明显不同 当随着动荷载循环周期数的增加 孔隙水压力不断增大 直至Pw a时 砂的剪切变形开始增大 继续反复加荷 松砂变形迅速加大 不久即全液化 而密砂变形则缓慢增大 难于全液化 当饱和砂土完全液化时 在一定深度z处的总孔隙水压力Pw pw0 假设地下水面位于地表面 其中 m g z 则 pw m g z w g z m w g z g z 式中 m 分别为砂土的饱和密度和浮密度 w为水的密度 砂土的深度愈大 完全液化时的超孔隙水压力就愈大 震前孔隙水压力呈静水压力分布 不同深处测压水位相同 无水头差 当振动液化形成超孔隙水压力以后 不同深处的测压水位就不再相等 随深度增加则测压水位增高 显然当饱和砂土出露于地面时 该水头将高出地面 且砂土愈厚则水头愈高 任意深度两点z1和z2之间的水头差h可以从下式求出h m w z2 z1 w这两点之间的水力梯度为 I h z2 z1 m w w w 3 5 此水力梯度即为完全液化的临界水力梯度 在这个梯度作用下 砂粒就在自下而上的渗流中发生液化 地面喷砂冒水 随之超孔隙水压力得到消散 当地表有不透水的粘土盖层时 只有超孔隙水压力超过盖层强度或盖层有裂缝时 才能沿裂缝产生喷砂冒水 影响砂土液化的因素 饱和砂土和地震是发生振动液化的必备条件 土的类型及性质饱和砂土的埋藏分布条件地震动的强度及历时 土的类型及性质 土的类型及性质是砂土液化的内因 宏观考察资料表明 极易液化土的特征是 平均粒度0 02 0 10mm 2 8 粘粒含量 10 粉细砂土最易液化 避随着地震烈度的增高 亚砂土 轻亚粘土 中砂土等也会发生液化 国内外对地震液化喷出物作了大量的粒度分析和统计工作 我国对邢台 通海和海城地震砂土液化的78件喷砂样品粒度分析表明 粉 细砂土占57 7 亚砂土 Ip 7 占34 6 中粗砂土及轻亚粘土 Ip 7 10 占7 7 而且全部发生在烈度为 度区内 唐山地震时天津市区为 度区 出现许多亚砂土和轻亚粘土液化现象 其界限是 粉粒含量大于40 极易液化 粘牲含量大于12 5 则极难液化 粉粒含量大有助于液化 粘粒含量大则不易液化 密实度松砂极易液化 密砂不易液化 相对密度Dr80 时 不易液化 成因及年代多为冲积成因的粉细砂土 如滨海平原 河口三角洲等 沉积年代较新 结构松散 含水量丰富 地下水位浅根据我国一些地区液化土层的统计资料 最易发生液化的粒度组成特征值是 平均粒径 d50 为0 02 0 10mm 不均粒系数 为2 8 粘粒含量小于10 相对密度Dr 作为判别砂土掖化可能性的指标 式中 e为天然孔隙比 emax和emin分别为最大 最小孔隙比 一般的情况是 Dr80 时不易液化 据海城地震的统计资料 砂土的Dr 55 度区不发生液化 Dr 70 度区也不液化 饱水砂土的成因和堆积年代对液化的影响 近20多年来报道的大范围砂土地震液化的地点 多位于滨海平原 河口三角洲和近期河床堆积物区 这些地区的沉积物一般是在历史时期内形成构 主要为冲积成因的粉 细砂土 结构疏松 且地下水埋深很浅 唐山地震引起的大范围砂土液化区 位于冀东沿海平原 绝大部分是新石器时代 距今4000 5000年 以来形成的 其中又以滦河河口三角洲为主 饱和砂土的埋藏分布条件 饱和砂层埋藏条件主要包括饱水砂层的厚度 砂层上非液化粘性土层厚度以及地下水埋深这三方面 它们决定了超孔隙水压力和有效覆盖压力的大小 饱水砂层愈厚 地震变密时所产生的超孔隙水压力愈大 当液化砂层埋藏较深 上覆以较厚的非液化粘性土层时抑制了液化 而直接出露地表的饱水砂层最易于液化 一般饱水砂层埋深大于20m时难于液化 可以把液化最大地下水埋深定为5m 因为当地下水埋深为3 4m时 液化现象很少 地震动的强度及历时 地震动的强度和历时是砂土液化的动力 显然 地震愈强 历时愈长 则愈易引起砂土液化 且波及范围愈广 破坏愈严重 评价地震动强度的方法有两种 统计的方法及理论计算的方法 1 统计方法统计方法是一种简单评价的方法 可液化砂土的平均粒径 d50 范围愈大 其相对密度 Dr 也愈大 在 度烈度区可能液化砂土的d50分别为0 05 0 15 0 03 0 25 0 015 0 5mm 可按下列经验公式表示其关系 lgR 0 77M 3 6 3 7 式中 M为震级 一般M 6 R为液化最远点的震中距 Km 理论计算方法 这种计算方法一般是根据实测的地震最大地面加速度 计算在地下某深度处由于地震产生的实际剪应力 再用以判定该深度处的砂土层是否会发生液化 希德等人提出的计算公式为 d max H g max g H max式中 d max为单元土体的最大剪应力 H为砂土的密度及埋深 max为最大地面加速度 砂土地震液化的判别 工程设计需要的判别内容应该包括 估计液化的可能性 估计掖化的范围 估计液化的后果 判别砂土地震液化可能性的方法较多 下面将介绍近年来国内外最常用的三种方法 标准贯入击数法 剪应力对比法综合指标法 1 标准贯入击数法 我国已将此法列入 建筑抗震设计规范 GB 50011 2001 在砂土液化现场以砂层埋深3m 地下水埋深2m作为基本健况 通过标贯试验找出不同地震烈度下的临界贯入击数 当烈度为 度时N0 6 度时N0 10 度时N0 16 则采用下述经验公式修正 N N0 1 0 125 H 3 0 05 h 2 式中 H为砂土埋深 m h为地下水埋深 m 如果实际贯入击数大于临界贯入击数 则不液化 反之即液化 此法适用于饱水砂土埋深在15m范围之内 试验操作方法应标准化 以用泥浆回转钻进 自动脱钩控制吊锤为宜 对于重要的工程 每层土不应少于5个钻孔 试验次数不应少于15次 分层求取平均值以消除偶然误差 临界贯入击数随深度的变化 在近地表处为垂直线 向下转折成斜线 总体应为一条折线 2 剪应力对比法 此法是希德在日本新泻地震后提出的 是目前国内外比较流行的判别方法 其原理是 引起砂土液化的地震剪切波大致以垂直方向自基岩向覆盖层传播 并在不同深处产生随时间而变化的不均匀的反复剪切应力 当地震剪切波在砂土中引起的剪应力超过该砂土的抗剪强度时 Pz 1 2 Cr PZ为某深度z处的有效上覆压力 1 2 为动三轴压缩试验所求得的应力比 Pz有三