汶川大地震液化現(xiàn)象初步分析

汶川大地震液化現(xiàn)象初步分析

0年5月12日在川地震臺網(wǎng)的問題一直受到關(guān)注，并取得了許多成果。由于地震的罕遇性,目前國內(nèi)外主要側(cè)重于室內(nèi)試驗以及數(shù)值模擬,另外也開始開展現(xiàn)場人工激振液化試驗研究。地震震害調(diào)查是獲取工程震害資料和經(jīng)驗最重要的手段,也是工程抗震理論和分析方法發(fā)展最重要的基礎(chǔ)。以往國內(nèi)河源(1962)、邢臺(1966)、通海(1970)、海城(1975)和唐山(1976)等幾次大地震中,都開展了深入的震害調(diào)查工作,為我國乃至世界工程抗震技術(shù)的發(fā)展起到了很大的推動作用。2008年5月12日,我國四川發(fā)生了8.0級汶川大地震。此次地震是新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最大的一次地震,地震重災(zāi)區(qū)的范圍已經(jīng)超過10萬平方公里,汶川地震的強(qiáng)度、烈度都超過了唐山大地震,給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。關(guān)于此次地震房屋建筑方面的破壞已經(jīng)有不少報道和一些研究成果發(fā)表,但關(guān)于此次地震液化問題尚少報道。2008年7月,中國地震局組織了汶川大地震科學(xué)考察專項研究,并專門成立了有十余人參加的液化調(diào)查組。調(diào)查組對成都地區(qū)、德陽地區(qū)、眉山地區(qū)、樂山地區(qū)、遂寧地區(qū)、雅安地區(qū)和綿陽部分地區(qū)進(jìn)行了兩個多月的實地考察,以鎮(zhèn)(鄉(xiāng))為單位進(jìn)行實地排查,有了較多新的發(fā)現(xiàn),對本次地震液化宏觀現(xiàn)象有了較為完整的認(rèn)識。1液化點及范圍目前所發(fā)現(xiàn)汶川地震液化點如圖1所示,其中圓點代表液化點,同心橢圓狀線代表烈度圈,分別代表烈度Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度區(qū)域的等震線。從圖中可見,汶川地震中液化現(xiàn)象在烈度Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度區(qū)內(nèi)均有發(fā)現(xiàn)。到目前為止,已發(fā)現(xiàn)118個液化點(帶),這里所謂點(帶)的含義是以村為單位,即使某一村莊出現(xiàn)很多液化及房屋破壞,這里也以一個點計算。就圖中而言,這118液化點之間至少間隔2km。本次地震液化范圍幾乎涉及了所有主震區(qū),涵蓋面積長約500km,寬約200km。東最遠(yuǎn)為遂寧市安居區(qū),距離震中約210km;南到雅安市漢源縣(防災(zāi)科技學(xué)院調(diào)查結(jié)果),距離震中約200km;北至甘肅隴南市(甘肅省地震局提供),距離震中約280km。值得注意的是,烈度Ⅵ度區(qū)內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了8處液化,而且分布在成都、眉山、樂山、遂寧、雅安等5個不同的地區(qū)。由于此次地震高烈度區(qū)主要位于山脈之中,故在Ⅹ、Ⅺ度區(qū)的液化現(xiàn)象相對較少。從液化分布來看,液化集中在面積長約160km、寬約60km的長方形區(qū)域,長邊方向與等震線長軸方向一致,主要液化區(qū)域為成都、德陽和綿陽3個地區(qū),其中德陽地區(qū)是3個主要液化地區(qū)液化程度最重的地區(qū),成都地區(qū)液化程度屬于中等,綿陽地區(qū)液化程度最輕。2液體層析成像2.1地層噴砂方式及噴砂量判定場地液化現(xiàn)象是否發(fā)生最直接的證據(jù)就是噴水冒砂,噴水高度、時間、噴砂量,能夠在一定程度上反映液化層的深度、厚度等情況。本次地震液化中不同噴水高度所占液化點比重的統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示,從圖中看出,噴水高度從幾十厘米到十幾米不等,其中1~3m左右居多。值得注意的是,調(diào)查中發(fā)現(xiàn)4個不同地方主震時地表噴水高度超過10m,且分別位于成都、綿陽、雅安和德陽4個不同的地區(qū),其中最近兩處距離均超過30km。如在德陽地區(qū)綿竹祥柳村,水柱高度超過兩根電線桿(圖3)。在成都地區(qū)都江堰永壽村,綿陽地區(qū)安縣土門鎮(zhèn),噴水高度達(dá)到村里的天線架,水柱高度均在在10m以上。這種噴水高度在10~15m的現(xiàn)象,在以往地震中基本沒有見到。按照液化基本原理,初步推測應(yīng)是深層土液化所致。另外,此次地震液化噴水時間一般僅持續(xù)幾分鐘,但也有個別比較長的。如在什邡市思源村、廣漢市雙石橋村,地震后一個多月,仍有冒水現(xiàn)象,而在樂山市新聯(lián)村,冒水現(xiàn)象持續(xù)3個月之久。原因尚待查明。此次地震噴砂形式有以往常見的形似火山的噴出砂堆(圖4),也有串珠式的噴砂孔。與以往地震相比,此次地震液化噴砂量總體不大,一般均小于5m3,但在有井和池的地方出現(xiàn)較大噴砂量。例如,在綿竹市興隆鎮(zhèn),有60余口井在震后被埋,井中有大量砂土填充物。在什邡市思源村,一個50m×20m×2m的游泳池,地震前池中干涸,震中液化使池底拱起,砂水混合物填充池內(nèi),使得游泳池目前只有1m深(圖5),池邊有近50m長的裂縫,并有約5m3的噴砂。2.2農(nóng)田噴砂冒水噴水冒砂后,地下砂土流失,較容易形成坑陷,此次地震中發(fā)現(xiàn)十余個村莊有典型的液化導(dǎo)致塌陷現(xiàn)象出現(xiàn)。在綿竹市祥柳村,主震時方圓300畝范圍內(nèi)農(nóng)田有噴砂冒水現(xiàn)象,并出現(xiàn)直徑3~4m、深1~2m塌陷坑8處,坑邊有礫石噴出(圖6),主震一兩個月之后仍有新塌陷形成。在Ⅵ度區(qū)的眉山地區(qū)洪雅縣菜地坎村,5月14日(主震后第三天)中午12時水稻田中冒水,水柱高度30cm,持續(xù)1min之后突然下陷,形成一個直徑2m深2m的大坑(圖7)。2.3地表液化現(xiàn)狀本次地震中,70%~80%的液化場地均伴有地裂縫產(chǎn)生,裂縫長短不一,從100~200m到數(shù)公里(圖8)。以往地震中,液化往往形成圓形和串珠式的噴砂孔,此次地震這一現(xiàn)象并不多見,伴有地裂縫的情況則更為普遍。正因為如此,此次地震中液化場地上的工程結(jié)構(gòu)基本上都遭到破壞,如結(jié)構(gòu)開裂和沉降等,液化起到了加重震害的作用。像在唐山和海城地震中液化場地對房屋的減震作用,本次地震中到目前為止仍未發(fā)現(xiàn)。另外,需要關(guān)注的是調(diào)查中常有“伴隨著裂縫的一張一合,從裂縫中噴水冒砂”現(xiàn)象,是斷層造成的地表破裂,還是液化導(dǎo)致地裂縫產(chǎn)生,有待進(jìn)一步的研究。本文上面給出的液化點是以噴水冒砂、塌陷和裂縫等宏觀現(xiàn)象為依據(jù)得到的結(jié)果,事實上,地表未發(fā)現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象并不意味著土層中沒有發(fā)生液化。例如,綿竹市興隆鎮(zhèn),地表上液化宏觀現(xiàn)象并不顯著,但村中幾十口井中在地震中被大量的砂土填埋,顯然這一區(qū)域已經(jīng)大面積液化。如果沒有井,僅靠一般宏觀現(xiàn)象判斷,很可能誤認(rèn)為該地區(qū)是非液化或液化程度較輕的地區(qū)。因此,汶川地震的實際液化情況無疑比我們目前發(fā)現(xiàn)的要廣。同時,這次的調(diào)查經(jīng)驗也表明,對如何準(zhǔn)確確定和識別場地是否液化的問題,需探求新的方法和測試手段。3可能的噴出和液體層本次地震液化中,液化地表噴出物的種類較以往地震明顯豐富,幾乎涵蓋了所有的砂類,包括了粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫石,甚至卵石。3.1噴射物的制備就總體情況,此次地震液化場地50%~60%的地表噴出物為粉砂、細(xì)砂。圖9為綿竹市板橋鎮(zhèn)興隆村一村民住宅室內(nèi)噴砂,覆蓋5~10cm厚的淺黃色細(xì)砂,地面錯位10~20cm,導(dǎo)致房屋主體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重開裂。3.2否定噴砂情況此次地震液化場地20%~30%的地表噴出物為中砂、粗砂。圖10為德陽地區(qū)興隆鎮(zhèn)毗盧小學(xué)噴砂情況,水柱高3m,幾分鐘后停止,砂量約5m3,地面下沉20~30cm,教室地面隆起,墻體嚴(yán)重開裂,學(xué)校無噴水冒砂地方房屋損壞較輕,僅有落瓦、少量微裂縫。3.3冒砂孔砂孔此次地震中,目前發(fā)現(xiàn)礫–卵石噴出十余處,最大直徑3~15cm。在綿陽市民主村,150畝水田范圍內(nèi)均有零星噴水冒砂孔,其中一噴砂面積20m2,孔周圍殘留直徑3~5cm的鵝卵石(圖11)。在綿竹市白虎頭村,村長家中深3m的水井,地震時被噴出物填滿,井中物為礫石土,卵石直徑最大15cm(圖12)。3.4地表噴射砂層本次地震液化中,近一半以上的地表噴出物為粉砂、細(xì)砂,最初認(rèn)為是地下的粉、細(xì)砂層液化所致。但是,從目前收集到的工程地質(zhì)資料來看,在成都平原主要為沖、洪積的礫石層,很難發(fā)現(xiàn)有較厚的砂層。同時,此次地震中地表噴砂量遠(yuǎn)不及唐山地震,主要是由于唐山地區(qū)分布較厚的砂層。因此,盡管地表噴出物為粉砂、細(xì)砂的情況較多,但很有可能是砂礫層發(fā)生了液化,由于上覆土層的阻隔,只有其中的粉、細(xì)砂能噴出地表。另外,此次地震液化噴水持續(xù)時間明顯比唐山地震短,地下液化層的超孔隙水壓力消散較快,進(jìn)一步說明砂礫層液化的可能性較大。這樣,本次地震液化土類應(yīng)以砂礫土為主,以往的砂土液化判別方法極有可能不適于成都平原的大部分地區(qū)。4次地震后砂體對一次砂膠結(jié)構(gòu)的影響此次地震余震液化現(xiàn)象較為顯著,這一現(xiàn)象在我國唐山和海城地震中未見報道。2008年5月12日8.0級主震時,在距離震中較遠(yuǎn)、Ⅶ度區(qū)的德陽市柏隆鎮(zhèn)果園村發(fā)生了液化,2008年5月25日6.4級余震時再次液化(圖13)。按照現(xiàn)有的認(rèn)識,可液化的砂土應(yīng)是越震越密實,一次地震后應(yīng)該是更難液化。1980年南斯拉夫蒙特內(nèi)哥羅7級地震中,某一場地發(fā)生液化,但其上建筑物沒有破壞。一個月后在同一地點又發(fā)生了一次強(qiáng)度略低于前一次的地震,該場地沒有液化但建筑物受到明顯破壞。這一現(xiàn)象一方面說明液化場地有減震作用,另一方面說明原來可液化的砂土在一次地震后趨于密實,下一次地震后則沒有發(fā)生液化,同目前的認(rèn)識相同。但是,此次汶川地震中,主震液化的場地,在余震震級更低的情況下仍能液化,也就是說液化之后場地變得更容易液化,原因值得進(jìn)一步查明和分析。進(jìn)一步,目前國內(nèi)外液化判別方法都是基于震后的液化調(diào)查資料得到的,震前震后土特性參數(shù)改變肯定對液化判別式的準(zhǔn)確性存在一定的影響。土性參數(shù)是如何改變,改變多少,對判別式影響多大,液化前后土性的抗液化強(qiáng)度到底如何變化,仍需深入研究。5巷道整體分布結(jié)構(gòu)本次地震中,如噴水冒砂、地表裂縫、地面沉降等液化宏觀現(xiàn)象普遍,同時,液化也對農(nóng)田、公路、橋梁、居民住宅、工廠、學(xué)校等造成了不少破壞。據(jù)不完全統(tǒng)計,有上千畝農(nóng)田受到液化震害不同程度的影響。共有20余個村莊的水井不同程度地發(fā)生了噴水冒砂現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了村民的飲水問題。有120多個村莊(自然村)的房屋住宅不同程度地受到了液化震害,液化發(fā)生的場地,結(jié)構(gòu)性差的農(nóng)房直接倒塌,即使設(shè)有圈梁、構(gòu)造柱的房屋,整體傾斜、下沉現(xiàn)象也較多。除了農(nóng)房之外不少其他結(jié)構(gòu)類型的建筑也受到了液化影響。江油火車站整個車站地基都出現(xiàn)了噴水冒砂現(xiàn)象,車站外觀較完整,內(nèi)部受損嚴(yán)重,目前已拆除。地震中共有8所學(xué)校不同程度地受到了砂土液化的影響,其中典型的是板橋?qū)W校,液化帶穿越,基礎(chǔ)一側(cè)下沉,墻體傾斜、開裂,教學(xué)樓現(xiàn)已全部拆除。另外,到目前為止,共發(fā)現(xiàn)5處工廠受到了液化震害,其中一些廠房已廢棄。受篇幅所限,其中具體情況本文略去。6地震液化地質(zhì)及變形通過專項現(xiàn)場調(diào)查和初步分析,本文對汶川大地震液化的宏觀現(xiàn)象取得了初步認(rèn)識,概括如下:(1)本次地震液化涉及范圍廣泛,主要分布在成都、德陽和綿陽3個地區(qū),集中在長約160km、寬約60km的長方形區(qū)域內(nèi),長邊方向與等震線長軸方向一致,德陽地區(qū)液化最為嚴(yán)重,成都地區(qū)次之。(2)本次地震從低烈度的Ⅵ度區(qū)到Ⅺ度高烈度區(qū)均有液化現(xiàn)象出現(xiàn),Ⅷ度區(qū)較為集中。值得注意的是,烈度Ⅵ區(qū)內(nèi)出現(xiàn)多處液化現(xiàn)象,且分布在5個不同的地區(qū)。(3)本次地震液化噴水高度從幾十厘米到十幾米不等,1~3m居多,值得注意的是在不同地區(qū)多處出現(xiàn)10m以上噴水;此次地震液化噴水時間一般僅為幾分鐘,平均意義上比唐山地震時短不少,初步推測是兩次地震液化土類型不同所致。(4)本次地震液化地表噴出物的種類較以往明顯豐富,幾乎涵蓋了所有砂類,近一半以上為粉砂和細(xì)砂,但成都平原主要為沖、洪積的礫石層,未發(fā)現(xiàn)有較厚的砂層,同時本次地震液化噴水時間較短、噴砂量相對較少,初步推斷本次地震液化土類應(yīng)以礫石土為主,以往的砂