地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液化

地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液化第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日7.1基本概念及研究意義

粒間無內(nèi)聚力的松散砂體，主要靠粒間摩擦力維持本身的穩(wěn)定性和承受外力。當(dāng)受到振動時，粒間剪力使砂粒間產(chǎn)生滑移，改變排列狀態(tài)。如果砂土原處于非緊密排列狀態(tài)，就會有變?yōu)榫o密排列狀態(tài)的趨勢，如果砂的孔隙是飽水的，要變密實效需要從孔隙中徘出一部分水，如砂粒很細則整個砂體滲透性不良，瞬時振動變形需要從孔隙中排除的水來不及排出于砂體之外，結(jié)果必然使砂體中空隙水壓力上升，砂檢之間的有效正應(yīng)力就隨之而降低，當(dāng)空隙水壓力上升到使砂粒間有效正應(yīng)力降為零時，砂欽就會懸浮于水中，砂體也就完全喪失了強度和承載能力，這就是砂土液化(sandliquefacation)。這種秒水懸浮液在第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日砂土液化引起的破壞主要有以下四種：

(1)涌砂：涌出的砂掩蓋農(nóng)田，壓死作物，使沃土鹽堿化、砂質(zhì)化，同時造成河床、渠道、徑井筒等淤塞，使農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施受到嚴(yán)重損害。

(2)地基失效：隨粒間有效正應(yīng)力的降低，地基土層的承裁能力也迅速下降，甚至砂體呈懸浮狀態(tài)時地基的承栽能力完全喪失。建于這類地基上的建筑物就會產(chǎn)生強烈沉陷、傾倒以至倒塌。例如，日本新漏1964年的地震引起的砂土液化，由于地基失效使建筑物倒塌2130所，嚴(yán)重破壞6200所，輕微破壞31000所。第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日1976年房山地層時，天津市新港望河樓建筑群，田地基失效突然下沉38cm，傾斜度達30％。

(3)滑塌：由于下伏砂層或敏感粘土層震動液化和流動，可引起大規(guī)?；?。如1964年阿拉斯加地震，安科雷奇市就因敏感粘土層中的砂層透鏡體液化而產(chǎn)生大滑坡。這類滑坡可以產(chǎn)生在極緩，甚至水平場地。

(4)地面沉降及地面塌陷：飽水疏松砂因振動而變密，地面也隨之而下沉，低平的濱海湖平原可因下沉而受到海湖及洪水的浸淹，使之不適于作為建筑物地基。例如1964年阿拉斯加地震時，波特奇市即因震陷量大而受海潮浸淹，第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日迫使該市遷址。地下砂體大量涌出地表，使地下的局部地帶被掏空，則往往出現(xiàn)地面局部塌陷，例如1976年唐山地層時寧河縣富莊層后全村下沉2.6一2.9m，塌陷區(qū)邊緣出現(xiàn)大量寬1—2m的環(huán)形裂縫，全村變?yōu)槌靥?。第五頁，共三十七頁?022年，8月28日地震引起砂土液化(臺中港1-4碼頭)第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日7.2地震時砂土液化機制

振動液化砂土受振動時，每個顆粒都受到其值等于振動加翅度與顆粒質(zhì)量乘積的慣性力的反復(fù)作用。由于顆粒間沒有內(nèi)聚力或內(nèi)聚力很小，在慣性力周期性反復(fù)作用下，各顆粒就都處于運動狀態(tài)，它們之間必然產(chǎn)生相互錯動并調(diào)整其相互位置，以便降低其總勢能最終達到最穩(wěn)定狀態(tài)。如振動前砂體處于緊密排列狀態(tài)，經(jīng)震動后砂粒的排列和砂體的孔隙度不會有很大變化，如振動前砂土處于疏松排列狀態(tài)，則每個第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日顆粒都具有比緊密排列高得多的勢能，在振動加速度的反復(fù)荷載作用下，必然逐步加密，以期最終成為最穩(wěn)定的緊密狀態(tài)。如果砂土位于地下水位以上的包氣帶中，由于空氣可壓縮又易于排出，通過氣體的迅速排出立即可以完成這種調(diào)整與變密過程，此時只有砂土體積縮小而出現(xiàn)的“覆陷”現(xiàn)象，不會液化。如果砂土位于地下水位以下的飽水帶，情況就完全不同，此時要變密就必須排水。地層的振動頻率大約為1一2周期／秒，在這種急速變化的周期性荷載作用下，伴隨每一次振動周期產(chǎn)生的孔隙度瞬時減小都要求排擠出一些水，第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日如砂的滲透性不良，排水不通暢，則前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再減小又產(chǎn)生了。應(yīng)排除的水不能排出，而水又是不可壓縮的，所以孔隙水必然承受由孔隙度減小而產(chǎn)生的擠壓力，于是就產(chǎn)生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力(excessporewaterpressure)。前一個周期的剩余孔隙水壓尚未消散，下一周期產(chǎn)生的新的剩余孔隙水壓力又迭加上來，故隨振動持續(xù)時間的增長，剩余孔隙水壓會不斷累積而增大。已知飽水砂體的抗剪強度τ由下式確定：

τ＝（σn-pw)tgφ=σ0·tgφ第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日式中：pw為孔隙水壓；σ0為有效正壓力。在地震前外力全部由砂骨架承擔(dān)，此時孔隙水壓力稱中性壓力，只承擔(dān)本身壓力即靜水壓力。令此時的空隙水壓力為pw0，振動過程中的剩余空隙水壓力為△pw，則振動前砂的抗剪強度為：

τ＝（σ-pw0）tgφ

振動時：τ＝[σ-（pw0+△pw）]tgφ（7－1）隨△pw累積性增大，最終pw0+△pw＝σ，此時砂土的抗剪強度降為零，完全不能承受外荷載而達到液化狀態(tài)。第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日7.3區(qū)域性砂土地震液化的形成條件

從砂土地霞液化機制的討論中可以得出，砂土層本身和地震這兩方面具備一定條件才能產(chǎn)生砂土液化。砂上層本身方面一般認為砂土的成分、結(jié)構(gòu)以及飽水砂層的埋藏條件這幾個方面需具備一定條件才易于液化。這里需要指出的是，凡具備上述易于液化的條件而又在廣大區(qū)域內(nèi)產(chǎn)出的砂土層，往往具有特定的成因與時代特征。地震方面主要是地震的強烈程度和持續(xù)時間?，F(xiàn)根據(jù)試驗和地層液化區(qū)的觀測資料分別說明如下。第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日

7.3.1沙土特性和飽水砂層埋藏條件及成因時代特征

砂土特性對地層液化的產(chǎn)生具有決定性作用的，是土在地震時易于形成較高的剩余空隙水壓力。高的剩余空隙水壓力形成的必要條件，一是地震時砂土必須有明顯的體積縮小從而產(chǎn)生空隙水的排水．二是向砂土外的排水滯后于砂體的振動變密，即砂體的滲透性能不良，不利于剩余空隙水壓力的迅速消散，于是隨荷載循環(huán)的增加空隙水壓力因不斷累積而升高。通常以砂土的相對密度和砂土的粒徑和級配來表征砂土的液化條件。第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日1．砂土的相對密度從動三軸試驗得知,松砂極易完全液化,而密砂則經(jīng)多次循環(huán)的動荷載后也很難達到完全液化。也就是說，砂的結(jié)構(gòu)疏松是液化的必要條件。表征砂土的疏與密界限的定量指標(biāo)，過去采用臨界孔隙度。這是從砂土受剪后剪切帶松砂變密而密砂變松導(dǎo)出的一個界限指標(biāo)，即經(jīng)剪切后即不變松也不變密的孔隙度。目前較普遍采用的是相對密度Dr

Dr=emax—e/emax—emin其中：e土的天然空隙比；emax和emin分別為該土的最大。最小空隙比

第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2．砂土的粒度和級配砂土的相對密度低并不是砂土地震液化的充分條件，有些顆粒比較粗的砂，相對密度雖然很低但卻很少液化。分析邢臺、通海和海城砂土液化時噴出的78個砂樣表明，粉、細砂占57.7％，塑性指數(shù)＜7的粉土占34.6％，中粗砂及塑性指數(shù)為7—10的粉土僅占7.7％，而且全發(fā)生在XI度烈度區(qū)。所以具備一定粒度成分和級配是一個很重要的液化條件。第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日

7.3.1.2飽水砂土層的埋藏條件當(dāng)空隙水壓大于砂粒間有效應(yīng)力時才產(chǎn)生液化，而根據(jù)土力學(xué)原理可知，土粒間有效應(yīng)力由土的自重壓力決定，位于地下水位以上的土內(nèi)某一深度Z處的自重壓力Pz為：

Pz＝γz(7—8)式中γ為土的容重。如地下水埋深為h，Z位于地下水位以下，由于地下水位以下土的懸浮減重，Z處自重壓力則應(yīng)按下式計算：

Pz=γh十(γ—γw)(Z-h)(7—9)第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日如地下水位位于地表，即h＝0，則：

Pz=(γ—γw)Z(7—10)顯然，最后一種情況自重壓力隨深度的增加最小，亦即直接在地表出露的飽水砂層最易于液化。而液化的發(fā)展也總是由接近地表處逐步向深處發(fā)展。如液化達某一深度z1，則z1以上通過骨架傳遞的有效應(yīng)力即由于液化而降為零，于是液化又由Z1向更深處發(fā)展而達Z2直到砂粒間的側(cè)向壓力足以限制液化產(chǎn)生為止。顯然，如果飽水砂層埋藏較深，以至上覆土層的蓋重足以抑制地下水面附近產(chǎn)生液化，液化也就不會向深處發(fā)展。第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日

飽水砂層埋藏條件包括地下水埋深及砂層上的非液化粘性土層厚度這兩類條件。地下水埋深愈淺，非液化蓋層愈薄，則愈易液化。

7.3.1.3飽水砂層的成因和時代具備上述的顆粒細、結(jié)構(gòu)疏松、上覆非液化蓋層薄和地下水埋深淺等條件，而又廣泛分布的砂體，主要是近代河口三角洲砂體和近期河床堆積砂體，其中河口三角洲砂體是造成區(qū)域性砂土液化的主要砂體。已有的大區(qū)域砂土地震液化實例，主要形成于河口三角洲砂體內(nèi)。而是往往歷史歷時期或全新世形成的疏松沉積物。第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日7·3·2地震強度及持續(xù)時間引起砂土液化的動力是地震加速度，顯然地震愈強、加速度愈大，則愈容易引起砂土液化。簡單評價砂土液化的地震強度條件的方法是按不同烈度評價某種砂土液化的可能性。例如，根據(jù)觀測得出，在VII、VIII、IX度烈度區(qū)可能液化的砂土的D50分別為0.05一0.15，0.03一0.25，0.015一0.5mm。亦即地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒徑范圍愈大。第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日又如，烈度不同可液化砂上的相對密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相對密度值也愈大。確切評價砂土液化的地震強度條件需實測出地震時最大地面加速度，計算在地下某一深度處由于地震而產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力，再用以判定該深度處的砂土層能否液化。第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日7.4砂土地震液化的判別7.4.1地震液化初判的限界指標(biāo)7.4.1.1地震條件

1．液化最大震中距分析我國1955年以前近900a間歷次地震噴水冒砂資料得出震級(M)與液化最大震中距(Dmax)有如下關(guān)系：

Dmax＝0.82×100.862(M-5)由上式可以判定，如M＝5則液化范圍限于震中附近1km之內(nèi)。

第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日2．液化最低地震烈度我國地震文獻中沒有地震震級小于5級的噴水冒砂記錄。故液化最低烈度為VI度。7.4.1.2地質(zhì)條件震級5級震中烈度為VI度，近年來歷次地震震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生液化處所多為全新世乃至近代海相及河湖相沉積平原，河口三角洲，特別是洼地、河流的泛濫地帶、河漫灘、古河道、濱海地帶及人工填土地帶等。第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日

7.4.1.2埋藏條件

1．最大液化深度一般認為液化判別應(yīng)在地下15m深度范圍內(nèi)進行。最大液化深度可達20m，但對一般淺基礎(chǔ)而言，即使15m以下液化，對建筑物影響也極輕微。

2．最大地下水位深度噴砂冒水嚴(yán)重的地區(qū)，地下水埋深一般不超過3m，甚至不足1m，深為3—4m時噴砂冒水現(xiàn)象少見，超過5m沒有噴砂冒水實例?！豆I(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(TJll—85)第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日

7.4.1.4土質(zhì)條件液化土的某些特性指標(biāo)的限界值為；

(1)平均粒徑(D50)為0.01一1.0mm；

(2)粘粒(粒徑＜0.005)含量不大于10％；或15％。

(3)不均勻系數(shù)(η)不大于10；

(4)相對密度(Dr)不大于75％；

(5)級配不連續(xù)的土粒徑＜1m·m的顆粒含量大于40％；

(6)塑性指數(shù)(Ip)不大于10。

第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日

按上述判別條件進行初判可歸納為如圖7—19的流程框圖。初判結(jié)果雖偏于安全，但可將廣大非液化區(qū)排除，把進一步的工作集中于可能液化區(qū)。第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖7－19地震砂土液化限界指標(biāo)初判流程圖第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日

7.4.2現(xiàn)場測試法

幾經(jīng)初步判別認為有可能液化或需考慮液化影響的飽和砂土或粉土，都應(yīng)進行以現(xiàn)場測試為主的進一步判別。主要方法有標(biāo)貫判別，靜力觸探判別和剪切波速判別。其中以標(biāo)貫判別簡便易行最為通用。7.4.2.l標(biāo)貫判別法日本新瀉地震時，B區(qū)與C區(qū)(圖7—12)的土層性質(zhì)、地下水埋深均相同，但液化程度和建筑物損害情況B區(qū)比C區(qū)輕得多，以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗法探測土層性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，在地表到4.5米第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日深以內(nèi)，二者貫入擊數(shù)基本相同，而自4.5m至約14m處，B區(qū)的貫人擊數(shù)顯著高于C區(qū)(圖7—20)。所以國外多采用標(biāo)準(zhǔn)貫人擊數(shù)值來進行液化可能性的初步判斷。

《工業(yè)民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（TJ11－74）的砂土地震液化判別式（7－15）所用資料主要主要取自1966年邢臺地震，震級較低，未考慮高震級遠震的情況，且未考慮粘粒的影響，砂層埋深（ds）和地下水埋深（dw）的影響系數(shù)也不利于深層土的判別。所以新的《工業(yè)民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GBJ11－89將上述判別式修訂為：第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日

式中：pc為粘粒含量百分?jǐn)?shù)，小于3或砂土?xí)r取3。標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值N0的取值需考慮近震和遠震的區(qū)別按表7－3取值。

烈度震中距ⅦⅧⅨ近震61016遠震81218表7－3N0的取值第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日7.4.2.2 剪切波速判別

利用剪切波速Vs與標(biāo)貫擊數(shù)N值之間的相關(guān)性，可以將以N為判據(jù)的判別式轉(zhuǎn)換為Vs為判據(jù)的判別式。根據(jù)現(xiàn)場研究與相關(guān)分析，Vs與N之間的一般關(guān)系式為：

Vs

＝100N0.2

（7－17）令Vs’為液化臨界剪切波速；Vs’為液化臨界剪切波速基準(zhǔn)值，則式7－16可以轉(zhuǎn)換為如下形式：（7-18）Vs’與N0的對應(yīng)值見表7－4。N06810121618Vs’（m/s)145150160165175180表7－4Vs’與N0的對應(yīng)值第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日

理論計算判別

國外最常用的理論計算判別是由H．B希德所提出的判別方法及準(zhǔn)則，即根據(jù)土的動三軸試驗求出的應(yīng)力比(σb／σa

，即最大動循環(huán)剪應(yīng)力τmax與初期圍限壓力τa之比)和某一深度土層的實際應(yīng)力狀態(tài)(土層有效上覆壓力)，計算出能引起該砂土層液化的剪應(yīng)力τ，實際上此剪應(yīng)力就相當(dāng)于該砂土層抗剪液化的抗剪強度，如果取得的值小于據(jù)地震加速度求得的等效平均剪應(yīng)力(τa)，則可能液化，其表示式為：τ<τa第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日7.5砂土地震液化的防護措施建筑類別地基液化等級輕微中等嚴(yán)重甲類特殊考慮乙類〔B〕或〔C〕〔A〕或〔B+C〕〔A〕丙類〔C〕或〔D〕〔C〕或其它更高措施〔A〕〔B+C〕丁類〔D〕〔D〕〔C〕或其它更經(jīng)濟措施表7－6抗液化措施選擇原則注：A.為全部消除地基液化沉陷的措施，為采用樁基、深基礎(chǔ)、深層處理至液化深度以下或挖除全部液化層；

B.為部分消除地基液化沉陷措施，如處理或挖除部分液化土層等；

C.為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施，一般包括減少或適應(yīng)不均勻沉陷的各項構(gòu)造措施；

D.為可不采取措施。第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日

7.5.1良好場地的選擇

人工改良地基

采取措施消除液化可能性或限制其液化程度。主要有增加蓋重、換土、增加可液化砂土層密實程度和加速空隙水壓力消散等措施。

7.5.2.1增加蓋重新澙地震時強烈液化的C區(qū)，有的建筑物建于原地面上填有3m厚的填土層上，周圍建筑物強烈損壞而此建筑物則無損害。填土厚度應(yīng)使飽水砂層頂面的有效壓重大于可能產(chǎn)生液化的臨界壓重。第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日7.5.2.2換土適用于表層處理．一股在地表以下3-6m有易液化土層時可以挖除回填以壓實粗砂。

7.5.2.3改善飽水砂層的密實程度

1．爆炸振密法一般用于處理土壩等底面相當(dāng)大的建筑物的地基。在地基范圍內(nèi)每隔一定距離埋炸藥，群孔起爆使砂層液化后靠自重排水沉實。對均勻、疏松的飽水中細砂效果良好。第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日

2．強夯與碾壓在松砂地基表面采用夯錘或振動碾壓機加固砂層，能提高砂層的相對密度，增強地基抗液化能力。強夯是使重錘(重8—30t)從高處(一般為6-30m)自由落下，夯擊能使土體內(nèi)產(chǎn)生沖擊波應(yīng)力，土體局