工程地质分析原理 第七章地震导致的区域性砂土液化.ppt

1、第七章地震引起的区域性砂土液化、工程地质分析原理、7.1基本概念和研究意义松散砂体颗粒间无粘聚力主要依靠颗粒间的摩擦来保持其稳定性和承受外力。当受到振动时，颗粒之间的剪切力导致砂粒滑动并改变排列状态。如果沙子没有紧紧地排列在原来的位置，它就会变得排列紧密。如果沙子的孔隙被水饱和，为了变得致密和有效，有必要从孔隙中排出一些水。例如，整个砂体的渗透性差，需要通过瞬时振动变形从孔隙中排出的水不能排出砂体。因此，砂体中的空隙水压力将不可避免地增加，并且砂试验之间的有效正应力将相应地减小。当孔隙水压上升，使砂粒间的有效正应力降至零时，砂芯将悬浮在水中，砂体将完全失去强度和承载力，这就是所谓的砂液化。砂土

2、液化造成的危害有四种：(1)涌砂：涌砂覆盖农田，杀死作物，使肥沃的土壤盐碱化、多沙化，同时造成河床、渠道和径向竖井的淤积，严重危害农业灌溉设施。(2)地基破坏：当砂体处于悬浮状态时，随着颗粒间有效正应力的减小，地基土层的承载力迅速降低，甚至地基承载力完全丧失。建在这种地基上的建筑物会强烈下沉、倒塌甚至倒塌。例如，1964年日本新楼地震造成的砂土液化导致2130栋建筑倒塌，6200栋建筑严重受损，31000栋建筑轻微受损。1976年，天津新港王河大厦的地基在房山组突然下沉38厘米，倾斜30。(3)崩塌：振动液化和下伏砂层或敏感粘土层的流动可导致大规模滑坡。例如，在1964年阿拉斯加地震中，因敏感

3、粘土层中的砂透镜体液化，安可市经历了一次大滑坡。这种滑坡可能发生在极其平缓甚至水平的地方。(4)地面沉降和地面塌陷：饱和松砂因振动而变得密实，地面随之下沉。低洼的滨海湖平原会因下沉而被海水、湖泊和洪水淹没，这使得它不适合建造地基。例如，在1964年阿拉斯加地震期间，由于大地震下沉，波茨被海潮淹没，迫使该市搬迁。大量地下砂体从地表涌出，导致局部地下区域被掏空，经常导致局部地面塌陷。如1976年唐山地层，整个村庄在宁河县福庄地层后下沉2.6-2.9米，塌陷区边缘出现大量宽度为12米的环形裂缝，使整个村庄变成了一个池塘。地震引起的砂土液化(台中港1-4号码头)，7.2级地震砂土液化机理7.2.1振动

4、液化砂土受到振动时，各质点受到惯性力的反复作用，惯性力的值等于振动翼展与质点质量的乘积。由于粒子之间没有凝聚或只有很少的凝聚，在周期性和反复的惯性力作用下，所有粒子都处于运动状态，它们必然会产生相互错位并调整它们的相互位置，从而降低它们的总势能，最终达到最稳定的状态。如果振动前砂体排列紧密，振动后砂粒的排列和砂体的孔隙率不会发生很大变化；如果砂体在振动前呈松散排列，则每一个颗粒的势能都比紧密排列的高得多，在振动加速度的反复作用下，势能会逐渐加密，最终成为最稳定的紧密状态。如果沙子位于地下水位以上的包气带，由于空气可压缩且易于排放，通过快速排放空气，可以立即完成调整和压实过程。此时，只有砂体积收

5、缩引起的“覆盖层”现象不会液化。如果沙子位于地下水位以下的饱和区，应排除的水不能排出，水是不可压缩的，因此孔隙水必须承受因孔隙度降低而产生的挤压力，从而产生残余孔隙水压力或超孔隙水压力。前一个周期的残余孔隙水压力还没有消散，下一个周期新的残余孔隙水压力又增加了，所以随着振动持续时间的增加，残余孔隙水压力会不断积累和增加。众所周知，饱和砂体的抗剪强度由以下公式确定：(n-pw)tg=0 tg，其中pw为孔隙水压力；0是有效正压。地震前，外力全部由沙骨架承受。此时，孔隙水压力称为中性压力，仅承受其自身压力，即静水压力。如果此时的孔隙水压为pw0，振动过程中剩余的孔隙水压为pw，则振动前砂的剪切强度

6、为：(-pw0)tg。振动时：-(pw0 pw)tg(71)随着pw的积累而增加，最后是pw0 pw。此时，砂土的抗剪强度降至零，不能承受外部荷载而达到液化状态。7.3区域砂土地震液化的形成条件从砂土液化机理的讨论中可以得出结论，砂土液化只有在砂层本身和地震都具备一定条件的情况下才能产生。一般来说，砂的组成和结构以及饱和砂层的埋藏条件需要一定的条件才能容易液化。这里需要指出的是，具有上述易液化条件的砂层，在广大地区产生，往往有其特定的成因和时代特征。地震的主要方面是地震的强度和持续时间。根据地层液化区的试验和观测资料，说明如下。7.3.1砂土特性、饱和砂层埋藏条件和成因年龄特征7.3.1.1砂

7、土特性对地层液化起决定性作用，地震时土壤容易形成较高的残余孔隙水压力。高残余孔隙水压力形成的必要条件是：第一，砂土在地震中必须有明显的体积减小，导致孔隙水的排出；其次，砂体外排水滞后于砂体的振动密度，即砂体渗透性差不利于残余孔隙水压的快速消散，因此孔隙水压随着荷载循环的增加而增加。砂的液化条件通常由砂的相对密度和砂的粒度和级配来表征。砂土的相对密度从动三轴试验可知，松散砂土在反复动荷载作用下容易完全液化，而密实砂土在反复动荷载作用下难以完全液化。也就是说，松散的砂土结构是液化的必要条件。过去，临界孔隙度被用作表征砂的稀疏和密集边界的定量指标。这是一个极限指数，由剪切后剪切带中的松砂和密砂得出，

8、即剪切后既不松也不密的孔隙度。目前，相对密度Dr=emaxe/emaxemin被广泛使用，其中：e土的自然空隙率；Emax和emin分别是这种土壤中最大的。最小空隙率，2。砂的粒度和级配砂的低相对密度不是砂地震液化的充分条件。一些粗砂相对密度低，但很少液化。对邢台、通海、海城三地78个液化过程中排出的砂样分析表明，粉土和细砂占57.7%，塑性指数为7的粉土占34.6%，中粗砂和塑性指数为710的粉土仅占7.7%，均出现在Xi烈度区。因此，具有一定的粒度组成和级配是重要的液化条件。7.3.1.2饱和砂土层的埋藏条件只有在孔隙水压大于砂粒间的有效应力时才会发生液化。根据土力学原理，砂粒间的有效应力

9、由土的自重压力决定，地下水位以上的土中一定深度Z处的自重压力Pz为：Pzz (78)为土的容重。如果地下水埋深为h，z低于地下水位，z处的自重压力应计算如下如果液化达到某一深度z1，由于液化，通过z1以上骨架传递的有效应力将降至零，然后液化将从Z1发展到更深并到达Z2，直到砂粒之间的侧向压力足以限制液化。显然，如果饱和砂层埋得很深，使得上覆土层的覆盖重量足以抑制地下水表面附近的液化，则液化不会发展得很深。饱和砂层的埋置条件包括地下水埋置深度和砂层上非液化粘性土层的厚度。地下水埋深越浅，未液化的盖层越薄，越容易液化。7.3.1.3饱水砂层的成因和时代具有粒度细、结构松散、上覆非液化盖层薄、地下水

10、埋藏深的条件，广泛分布的砂体主要是现代河口三角洲砂体和新近河床堆积砂体，其中河口三角洲砂体是造成区域砂体液化的主要砂体。现有大面积砂土地震液化实例主要形成于河口三角洲砂体。它们是历史时期或全新世形成的松散沉积物。地震烈度和持续时间引起的砂土液化动力是地震加速度。显然，地震越强，加速度越大，就越容易引起砂土液化。评价砂土液化地震烈度条件的一个简单方法是根据不同的烈度来评价砂土液化的可能性。例如，根据观察，在第七、第八和第九强度区域中可液化的砂的D50分别为0.05-0.15、0.03-0.25和0.015-0.5毫米。也就是说，地震强度越高，可液化砂的平均粒度范围越大。又如，可液化砂的相对密度随

11、强度而变化，强度越高，可液化砂的相对密度越大。为了准确评价砂土液化的地震烈度条件，需要实际测量地震时的最大地面加速度，计算地下一定深度的实际剪应力，然后确定该深度的砂土层是否可以液化。7.4砂土地震液化的判定7 . 4 . 1 7.4.1.1地震液化初步判定的极限指标条件1液化的最大质心距离分析根据1955年前中国近900年历次地震的涌砂资料，震级(M)与液化的最大震中距离(Dmax)之间有如下关系：如果M5液化，用上述公式可以判断出Dmax0.82100.862(M-5)。2.液化最小地震烈度中国地震文献中没有小于5级的喷水和喷砂记录。因此，最低液化强度为。7.4.1.2 5级地质条件的震中

12、烈度为六级。近年来，地震发生后，发现液化场所多为全新世甚至现代海相和河流相沉积平原、河口三角洲，尤其是洼地、河流洪泛区、河漫滩、古河道、海岸带和人工填土带。7.4.1.2埋地条件1最大液化深度一般认为液化判别应在地下15m深度内进行。最大液化深度可达20m，但对于一般浅基础，即使液化深度在15m以下，对建筑物的影响也极小。2.在最大地下水位喷砂处理涌水严重的地区，地下水埋深一般不超过3m，甚至小于1m。当深度为34米时，喷砂和涌水现象很少，没有喷砂和涌水超过5米的例子。工业与民用建筑抗震设计规范(TJll85)，7.4.1.4土壤条件下液化土某些特征指标的限值为：(1)平均粒径(D50)为0.

13、01-1.0毫米；(2)粘土(粒径0.005)含量不大于10；或者15岁。(3)不均匀系数()不大于10；(4)相对密度不大于75；(5)不连续级配土中1毫米颗粒含量大于40；(6)塑性指数(Ip)不大于10。根据上述标准，初步判断可概括为图719中的流程图。虽然初步判断结果趋于安全，但7 . 4 . 2 . 1标准贯入判别法在日本新泻地震期间，B区和C区的土壤性质和地下水深度(图712)相同，但B区的液化程度和建筑物破坏程度远轻于C区。用标准贯入试验法检测土壤性质时，发现从地表到4.5米深度的贯入击数基本相同。 而在B区，从4.5米到14米左右，因此，国外大多采用标准贯入值来初步判断液化的可

14、能性。 工业与民用建筑抗震设计规范(TJ1174)地震液化判别公式(715)中使用的数据主要取自1966年邢台地震，震级低，没有考虑高震级和远震的情况，也没有考虑粘土颗粒的影响，砂层深度(ds)和地下水深度(dw)的影响系数不利于深层土的判别。因此，新的工业与民用建筑抗震设计规范(GBJ1189)将上述判别式修改为：其中：pc为粘土含量的百分比，小于3或砂时取3。标准贯入数的参考值N0应考虑近震和远震的差异。表73 N0值，7.4.2.2剪切波速的判定利用剪切波速Vs与标准贯入击数N的相关性，以N为判据的判别式可以转化为以Vs为判据的判别式。根据现场研究和相关分析，Vs与n的一般关系为：Vs

15、100N0.2 (717)，因此Vs为液化的临界剪切波速；由于Vs是液化临界剪切波速的参考值，等式716可转换为以下形式：(7-18)Vs和N0的相应值见表74。表74 Vs和N0对应值，7.4.3理论计算判别国外最常用的理论计算判别是HB Sid提出的判别方法和判据，即根据土的应力比(b a，即最大动循环剪应力最大值与初始围压A的比值)和某一深度土层的实际应力状态(土层的有效上覆压力)，计算出能引起砂层液化的剪应力。事实上，这个剪切应力相当于砂层抵抗剪切液化的剪切强度。如果获得的值小于从地震加速度获得的等效平均剪切应力，它可能会液化。其表述如下：a. 7.5地震作用下砂土液化的防护措施，表76抗液化措施的选择原则，注：a .为彻底消除地基液化沉降，采用桩基础、深基坑、液化深度以下的深层处理或开挖所有液化层。b .部分消除地基液化沉降的措施，如处理或开挖部分液化土层；c .基础设施和上部结构的结构措施，一般包括减少或适应不均匀沉降的各种结构措施；不得采取措施。7.5.1良好场地的选择7.5.2人工地基改良，采取措施消除液化的可能性或限制其液化程度。主要措施有增加覆盖物重量、换土、增加可液化砂层的密实度和加快孔隙水压力的消散。在7.5.2.1，增