3--砂土地震液化工程地质

1、3 砂土地震液化工程地质,3.1 概述 3.2 砂土地震液化的机理 3.3 影响砂土液化的因素 3.4 砂土地震液化的判别 3.5 砂土地震液化的防护措施,3.1概述,一、定义 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(sand liquefaetion)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，所以是地震工程学和工程地质学的重要研究课题。,地點：彰化縣伸港鄉大肚溪土壤液化,921集集大地震，員林、南投、大肚溪以及台中港等大規模地區，都有土壤液化的現象，導致地層下陷、噴砂，

2、房屋倒塌、傾斜、破壞的情形。陷落的情形。,地點：彰化縣伸港鄉大肚溪土壤液化,彰化縣伸港鄉的大肚溪口，南側河道高灘地部份，地震後，產生廣泛的土壤液化，並造成噴砂的現象，其噴砂口的形狀，好像火山口，從底下湧出的泥砂，成輻射狀向四周流下。,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

3、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56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34m至78m，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，

4、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

5、液化所致(图3-2) 阿拉斯加地震时，安科雷季市大滑坡发生的主要原因也是厚层灵敏粘土层中透镜砂层的振动液化(见图2-32) 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。 而唐山地震时，天津市河东区柳林一带的严重滑移，则为水平场地。,还应该看到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。 地震运动传给结构物的能量由于大部分已消耗在液化方面而相对减弱。结果使地面运动在较短时间内停止。振动历时减少对建筑物的稳定

6、是有利的。,砂土地震液化问题，早就被人们所注意，我国的史书记载就不乏其例。但作为一种自然灾害现象进行深入研究，却是从本世纪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。 他们进行宏观震害调查和分析的同时，又在实验室内利用各种振动试验研究饱和砂土液化的机理和条件，探讨饱和砂土液化的方法，探讨饱和砂土的地震效应分析方法和孔隙水压力的发展过程，给出了预测砂土液化的方法。,饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，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。,1 )液化机理

7、： 砂土的抗剪强度：,3.2砂土地震液化的机理,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(excess pore pressure)。 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。,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,砂土液化（横向移动）系因地震时球粒（理想砂

8、粒）的重新堆集。地震振动造成这种固体颗粒堆集更加有效，这会占据少量体积。一部分覆盖层荷载由水来支撑，这就无法阻止水体运移。,唐山地造成的喷水冒砂区分布图震,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d1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d1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

9、划分为三个阶段： 稳定状态(d1)； 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(HBSeed)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。 他们进行的是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1/2d（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

10、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=mgz;则pw=mgz-wgz=(m-w)gz=gz。 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

11、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 (35) 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，但液化现象一般局限于喷冒口附近。 盖层愈厚。其隔水性愈强，液化形成的暂时性承

12、压水头就愈高。因此，一旦盖层被突破，喷砂冒水就更加强烈。,3.3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。根据对国内外大量砂土地震液化资料的分析表明，影响砂土液化的因素主要有： 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，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(Ip7)占34.6%，中粗砂土及轻亚粘土(I

13、p=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。对液化与未被化土的颗分表明，二者粉粒和粘粒含量的差别明显，前者粉粒含量高，粘粒含量低，而后者正好相反。 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。,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0.020.10mm，不均粒系数()为2-8，粘粒含量小于10%。 主要原因是这类：土的颗粒细小而均匀，透水性较差；又不具粘聚力或粘聚力很微弱，在振动作用下极易形成较商的超孔

14、隙水压力。其次是这类土的天然孔隙比与最小孔隙比的差值(e-emin)往往比较大，地震变密时有可能排挤出更多的孔隙水。 粘粒含量较高的粘性士，属水胶连结，较强的粘聚力抑制了液化。而粗粒土，尤其当其级配不均匀，结构较密实时，透水性又较强，也是难以液化的。,砂土的密实程度也是影响液化的主要因素之一。松砂极易液化，而密砂则不易液化。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。,在相对密度小于90的范围内，不同振动循环次数的砂土相对密度与液化应力比之间呈通过坐标原点的直线关系。 砂土的相对密度愈大，需要的动应力(d)也愈大或更多的应力循环

15、次数（n），才能使它液化。,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Dr55%，度区不发生液化； Dr70%，度区也不液化；,饱水砂土的成因和堆积年代对液化的影响,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。 如日本新泻地震砂土液化最强烈的地区，即是近1000年之内形成的信浓川河口堆积与人工堆积而成的沿海平原。 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。,二、饱和砂土的埋藏分布条

16、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。,三、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

17、、统计方法 统计方法是一种简单评价的方法。根据大量的观测统计资料可知，地震烈度愈高，可液化砂土的平均粒径(d50)范围愈大，其相对密度(Dr)也愈大，般在度以下的地区很少有液化现象，度区只能使疏松的粉、细砂层液化，而度以上地区才能仗颗粒成分较粗或粘粒含量较大的土发生液化。 统计得出，在、度烈度区可能液化砂土的d50分别为0.050.15、0.030.25、0.0150.5mm。,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M6)；R为液化最远点的震中距(Km)。,2、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

18、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=Hgmax/g=Hmax 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,3.4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,这是一种简单易行的方法，在工程勘察初期即可初步估计液化的可能性我国已将此法列入工业与民用建筑抗震设计规范(TJll-7

19、4)中。 中科院工程力学研究所根据我国8次大地震的震害调查和勘探分析。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。如果砂土埋深和地下水埋深与上述的不同，则采用下述经验公式修正： N=N01+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.地面水平，上部建筑荷载较小，地震烈度为一度的条件下。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

20、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。 由于地基土有侧压力作用，即使较深层位砂的密度与较浅处的砂密度相同的话，其标贯击数却要大得多。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。 当这种剪应力超过砂土液化所需的剪应力时，即发生液化，也即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，即

21、发生液化。 /Pz=1/2Cr/ 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有三种情况： z处于地下水位以上，则Pz =gz z处于地下水位以下，则Pz =gh + g(z-h) 若地下水出露地表，则Pz =gz /Pz=1/2Cr/Dr/0.5 求出后再与（d ）er值对比，即可判别液化的可能性,3)综合指标法,由于砂土液化的影响因素较多，而且难于定量估计，因此从实际资料中加以总结，用综合指标来更为妥当 这是一种经验判别的方法，以宏观调查为基础，根据已有的历史地震实例，找出某些地震参数与土质特性指标之间的关系，提出判定砂土地震液化可能性的一些综合指标。 这些

22、指标有：饱和砂土的埋深（H），相对密度（Dr）、地下水埋深（h）、砂土平均粒径（d50）、不均匀系数（）和标贯击数（N63.5）等。,3.5砂土地震液化的防护措施,防护砂土地震液化的常用措施有：慎重选择建筑场地、地基处理及基础类型选择等。 在强震区，对于建筑场地应慎重选择。尤其是重大建筑物损坏店后果严重；建筑场地应尽量避开可能液化土层分布的地段一般应以地形平坦，液化土层及地下水埋藏较深，上覆非液化土层较厚的地段作为建筑场地。,液化砂土的地基处理措施主要有：振冲法、排渗法、强夯法、爆炸振密法、板桩围封法、换土和增加盖重等 1)振冲法 这种方法是20世纪30年代创始于德国，迄今已为许多国家所乘采用

23、，它对提高饱和粉、细砂土抗液化能力效果较佳，可使砂土的Dr增加到0.80。 此法的主要设备是特制的振冲器，它的前端能进行高压喷水，使喷口附近的砂土急剧液化。振冲器借自重和振动力沉入砂层，在沉入过程中把浮动的砂挤向四周并予以振密。待振冲器沉到设计深度后，关闭下喷口而打开上喷口，同时向孔内回填砾卵碎石料，然后，逐步提升振冲器，将填料和四周砂层振密。目前处理深度最大达20m。,2)排渗法,在可能液化砂层中设置砾渗井，可使砂层振密山很快将水排走，以消散砂层中发展的孔隙水压力，防止液化。砾渗井中填料的渗透性对砂层中孔隙水压力消散速率有显著彰响。如填料的渗透系数为砂层的200倍，则排渗作用就可充分发挥。这样，对大岁数砂层来说，中细砾右都可用作排渗填料。,3)强夯法,此法于1970年