第七章 地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液化.ppt

1、地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液化,李渝生 環(huán)境與土木工程學(xué)院地質(zhì)工程系,(1)砂土液化(sand liquefacation) 松散砂體 - 顆粒間無內(nèi)聚力，主要靠粒間摩擦力承受外力。 飽水狀態(tài) - 振動顆粒排列狀態(tài)變密實砂體滲透性不良瞬時排水不暢砂體中空隙水壓力上升砂粒之間的有效正應(yīng)力隨之降低。 當(dāng)空隙水壓力上升到使砂粒間有效正應(yīng)力降為零時，砂粒就會懸浮于水中，砂體也就完全喪失了強度和承載能力。,7.1 基本概念及研究意義,7.1 基本概念及研究意義,(2)砂土液化導(dǎo)致的破壞 主要有四種類型：,(a)涌砂,7.1 基本概念及研究意義,(b)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

2、 降，甚至砂體呈懸浮狀態(tài)時地基的承栽能力完全喪失。 建筑物-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，嚴重破壞6200所，輕微破壞31000所。,7.1 基本概念及研究意義,(c)滑塌： 砂層或敏感粘土層震動液化和流動，可引起大規(guī)?；?。 這類滑坡可以產(chǎn)生在極緩、甚至水平場地。 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。,7.1 基本概念及研究意義,(d)地面塌陷： 非飽水疏松砂- 振密，地面隨之下沉。 例:1964年阿拉斯加地震，波特奇市震陷-海潮浸淹，迫使遷址。 地下砂體大量涌出地表

3、，地下局部掏空 - 地面局部塌陷。 例:1976年唐山地震，寧河縣富莊震后全村下沉2.6-2.9m，塌陷 區(qū)邊緣出現(xiàn)大量寬1-2m的環(huán)形裂縫， 全村變?yōu)槌靥痢?7.1 基本概念及研究意義,一般認為，包括兩個過程。 即：振動液化； 滲流液化；,7.2 砂土液化機制,7.2.1 振動液化 振動 - 每個顆粒都受到周期性慣性力的反復(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)生相互牽動并調(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)。,7.2 砂土液化機制,（1）從砂土結(jié)構(gòu)分析 振動前 - 砂土處于松弛排列狀態(tài)，每個顆粒都具有比緊密

4、排列高得多的勢能。 振動加速度的反復(fù)荷載作用下 - 逐步加密，以期最終成為最穩(wěn)定的緊密狀態(tài)。,7.2 砂土液化機制,（2）從飽水程度分析 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)整與振密過程。 此時砂土體積縮小 “震陷”，不發(fā)生液化。 砂土位于地下水位以下的飽水帶： 振密 排水。 在急劇變化的周期性荷裁（振動頻率大約為I-2周秒）反復(fù)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。,7.2 砂土液化機制,如果 - 砂體的滲透性不良，排水不通暢 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)排除的水不能及時

5、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 (excess pore water ressuree)。 這樣，一個振動周期的剩余孔隙水壓力還未消除，下一周期的剩余孔隙水壓力又疊加上來。 于是 ：PWn， -有效應(yīng)力 n - PW = 0； -則0。,7.2 砂土液化機制,7.3.2 滲流液化 振動液化后，某一點的空隙水壓力 Pw = Pw0+Pwe 液化前，空隙水壓力=靜水壓力 不同深度的測壓水位相同，無水頭差； 振動液化后，剩余空隙水壓力 測壓水位隨深度增加，任意深度兩點間存在水頭差， 即： 存在自下而上的水力梯度 滲流

6、。,7.2 砂土液化機制,從砂土地震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。 （1）砂土層的自身特征：砂土的成分、結(jié)構(gòu)； 飽水砂層的埋藏條件。 （2）地震：強烈程度； 持續(xù)時間。,7.3 區(qū)域性砂土液化的形成條件,（1）砂土特性 - 地震時能否形成較高的剩余空隙水壓力。 必要條件： 地震時，砂土必須有明顯的體積縮小空隙水的排出； 滲透性不良 不利于剩余空隙水壓力的迅速消散； 砂土的排水滯后于砂體的振動變密，即隨荷載循環(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、粒徑和級配，來表征砂土的液化條件。,7.3.1 砂土特性和飽水砂層埋藏條件及成因

7、時代特征,7.3 區(qū)域性砂土液化的形成條件,7.3 區(qū)域性砂土液化的形成條件,相對密度：,式中,為土的天然孔隙比，,和,分別為土層的最大、,砂土的相對密度愈大，需要更大的震動強度和更多的震動循環(huán)次數(shù)才能使其液化。 根據(jù)現(xiàn)有的地震液化資料，度烈度區(qū) 0.55 度烈度區(qū) 0.70,不發(fā)生液化。,最小孔隙比，即,7.3 區(qū)域性砂土液化的形成條件,粒度和級配： 砂土顆粒的粒度和級配是液化的重要條件之一。 一般認為粘粒含量愈少、塑性指數(shù)愈低、不均勻系數(shù)愈小，愈有利于液化。 根據(jù)我國地震資料統(tǒng)計： 液化土 -,為0.02 0.5mm; 不均勻系數(shù)為 2 10; 粘粒含量17%。 極易液化土 -,為0.02

8、 0.1mm; 不均勻系數(shù)為2 5; 粘粒含量10%。,（2）飽水砂土層的埋藏條件 孔隙水壓砂粒間有效應(yīng)力 液化。 飽和砂土的埋藏條件：a.地下水埋深； b.上覆非液化層厚度。 一般而言 - 地下水埋深愈淺、上覆非液化層厚度愈薄，則愈易液化。 對于天然地基，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水埋深符合以下條件之一者，可以不考慮液化影響：,7.3 區(qū)域性砂土液化的形成條件,7.3 區(qū)域性砂土液化的形成條件,-上覆非液化土層厚度（m），計算時將淤泥及淤泥質(zhì)土層扣除；,- 地下水位埋深（m），按設(shè)計基準期內(nèi)年平均最高水位取值， 也可按近期年最高水位取值；, 基礎(chǔ)埋置深度（m），小于2m時應(yīng)采用2m；, 液化

9、土特征深度（m），按下表取值。,液化土特征深度（m）,（3）飽水砂層的成因和時代 具備上述 - 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： 近代河口三角洲相- 區(qū)域性砂土液化的主要 砂體； 近期河床堆積 河漫灘、一級階地； 二級以上階地很少液化 。,7.3 區(qū)域性砂土液化的形成條件,7.3.2 地震強度及持續(xù)時間,砂土液化的動力：地震加速度 (1)簡單評價砂土液化的地震強度條件 - 按不同烈度評價某種砂土液化的可能性。 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： VII ：0.050.15mm； VIII ：0.030

10、.25mm； IX：0.0150.5mm。 即-地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒徑范圍愈大。,7.3 區(qū)域性砂土液化的形成條件,7.3.2 地震強度及持續(xù)時間,(2)確切評價砂土液化的地震強度條件： 根據(jù)地震時最大地面加速度 計算在地下某一深度處由于地震產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力 判定該深度處砂土液化。,7.3 區(qū)域性砂土液化的形成條件,根據(jù)界限指標(biāo) - 初判 有可能液化或需考慮液化影響 - 現(xiàn)場測試法 確切評價砂土液化的地震強度條件 - 理論計算,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) （1）地震條件 液化的最大范圍： 我國歷史地震噴水冒砂資料得出震級(M)與液化最大范圍 (

11、Dmax)有如下關(guān)系： Dmax0.82100.862(M-5) 由上式可以判定，如M5則液化范圍限于震中附近1km之內(nèi)。 液化的最低地震烈度： 我國地震文獻中沒有地震震級小于5級的噴水冒砂記錄。 液化最低烈度為VI度。,7.4 砂土地震液化的判別,（2）地質(zhì)條件 地震調(diào)查發(fā)現(xiàn)，液化多發(fā)生在： 全新世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、 人工填土地帶等。,7.4 砂土地震液化的判別,（3）埋藏條件 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。 最大地下水位深度： 噴砂冒水嚴重的地區(qū)

12、，地下水埋深一般不超過3m，甚至不足1m； 深度為3-4m時，噴砂冒水現(xiàn)象少見，超過5m無噴砂冒水實例。,7.4 砂土地震液化的判別,7.4 砂土地震液化的判別,（4）土質(zhì)條件 液化土的某些特性指標(biāo)的限界值為； 平均粒徑(D50。) 0.01-1.0mm； 粘粒(粒徑0.005)含量不大于10或15。 不均勻系數(shù)()不大于10； 相對密度(Dr)不大于75； 級配不連續(xù)的土粒徑1mm的顆粒含量大于40； 塑性指數(shù)(Ip)不大于10。 按上述條件進行初判，可歸納為如圖7-1的技術(shù)路線。 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)。,7.4 砂土地震液化的判別,7

13、.4.2 現(xiàn)場測試法 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 現(xiàn)場測試，進一步判別。 主要方法： 標(biāo)貫， 靜力觸探， 剪切波速。,7.4 砂土地震液化的判別,7.4 砂土地震液化的判別,7.4.3 理論計算判別 確切評價砂土液化的地震強度條件 - 測出地震最大地面加速度 計算地下某一深度處的實際地震剪應(yīng)力 判斷該深度處砂土液化的可能性。 按H.B.希德計算式，對于剛性體：,對于可變形的土體，實際剪應(yīng)力 小于按剛性體計算的,- 折減系數(shù)。,7.5.1 良好場地的選擇 - 最根本、最可靠的的技術(shù)方法。,7.5 砂土地震液化的防護措施,7.5.2 人工改良地基 采取措施消除液化可

14、能性或限制其液化程度措施主要有： 增加蓋重； 換土； 增加可液化砂土層密實程度； 加速空隙水壓力消散。,7.5 砂土地震液化的防護措施,（1）增加蓋重 日本新瀉地震時強烈液化區(qū)，有的建筑物建于原地面上覆有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。 （2）換土 適用于表層處理一般在地表以下36m有易液化土層時,可以 挖除回填以壓實粗砂。,7.5 砂土地震液化的防護措施,（3）改善飽水砂層的密實程度 爆炸振密法： 一般用于處理土壩等底面相當(dāng)大的建筑物地基。 在地基范圍內(nèi)每隔一定距離埋炸藥，群扎起爆使砂層液化后 靠自重排水沉實。 對均勻、疏松的飽水中細砂效果良好。 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，提高砂 層的相對密度，增強地基抗液化能力。,7.5 砂土地震液化的防護措施,振沖碎石樁法: 水沖振搗回填碎石樁法是一種軟弱地基的深加固方法，對提高飽和粉、細砂土抗液化能力效果較好。 增大砂土的密度； 消散空隙水壓力； 提高承載力。 （4）消散剩余孔隙水壓 排滲法 - 在可能液化砂層中設(shè)置礫滲井，使砂層在振動時迅通將水排出，加速消散砂層中累積增長的空隙水壓力。 礫滲井中填料的滲透性為砂土層的200倍，對空隙水壓力的消散