砂土地震液化工程地质

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(sandliquefaetion)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地區，都有土壤液化的現象，導致地層下陷、噴砂，房屋倒塌、傾斜、破壞的情形。陷落的情形。彰化縣伸港鄉大肚溪土壤化彰化縣伸港鄉的大肚溪口，南側河道高灘地部份，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。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唐山地造成的喷水冒砂区分布图震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Ⅸ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5—6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3—4m至7—8m，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，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液化所致(图3-2)．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。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。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。砂土地震液化问题，作为一种自然灾害现象进行深入研究，从20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。3.2砂土地震液化的机理砂土地震液化的机理影响砂土液化的因素砂土地震液化的判别防护措施等问题3.2砂土地震液化的机理饱和砂土是砂和水的复合体系。砂土是一种散体物质，它主要依靠颗粒间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定，而这种摩擦力主要取决于粒间的法向压力。水是一种液体，它的突出力学特性是体积难于压缩，能承受极大的法向压力，他不能承受剪力。泡和砂土由于孔隙水压力Pw0作用，度将小于干砂的抗剪强度：σ0即为有效法向压力。显然σ0＞σ。在地震过程中，疏松的饱和砂土在地震动引起约剪应力反复作用下，砂粒问相互置必然产生调整，而使砂土趋于密实，以期最终达到最稳定的紧密排列状态。砂土要变密实就势必排水。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(excessporepressure)。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。砂土的抗剪强度τ与作用于该土体上的往复剪应力τd的比值来判定砂土是否会发生液化。当τ／τd>1时，不会产生液化当τ／τd=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τ／τd＜1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τ/τd=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划分为三个阶段：①稳定状态(τ／τd>1)；②临界状态或初始液化状态(τ／τd=1)；③完全液化状态(τ/τd=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(H．B．Seed)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。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σa下固结，然后在不排水条件下同时在竖向上施加±1/2σd（压、拉），侧向施加±1/2σd（压、拉）的循环荷载。循环荷载的频率近乎地震频率，即l-2r/s。（τd）max=（σ1-σ3）/2=σd/2为最大循环剪应力。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=σa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+σ。(假设地下水面位于地表面)，其中σ=ρm·g·z;则Δpw=ρm·g·z-ρw·g·z=(ρm-ρw)·g·z=ρ′·g·z。式中ρmρ′分别为砂土的饱和密度和浮密度，ρw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=（ρm-ρw）（z2-z1）/ρw这两点之间的水力梯度为，I=h/（z2-z1）=（ρm-ρw）/ρw=ρ′/ρw(3—5)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，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。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，极易液化土的特征是：平均粒度0.02-0.10mm，ŋ=2-8，粘粒含量<10%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(Ip<7)占34.6%，中粗砂土及轻亚粘土(Ip=7-10)占7.7％，而且全部发生在烈度为Ⅸ度区内。唐山地震时天津市区为Ⅶ度区，出现许多亚砂土和轻亚粘土液化现象。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。★密实度松砂极易液化，密砂不易液化。相对密度Dr<50%时，很易液化，Dr>80%时，不易液化。★成因及年代多为冲积成因的粉细砂土，如滨海平原、河口三角洲等。沉积年代较新：结构松散、含水量丰富、地下水位浅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0.02—0.10mm，不均粒系数(η)为2-8，粘粒含量小于10%。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。一般的情况是，Dr<50%时砂土在振动作用下很快液化；Dr>80%时不易液化。据海城地震的统计资料，砂土的Dr>55%，Ⅶ度区不发生液化；Dr＞70%，Ⅷ度区也不液化；饱水砂土的成因和堆积年代对液化的影响近20多年来报道的大范围砂土地震液化的地点，多位于滨海平原、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。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)统计方法统计方法是一种简单评价的方法。可液化砂土的平均粒径(d50)范围愈大，其相对密度(Dr)也愈大，在Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度烈度区可能液化砂土的d50分别为0.05—0.15、0.03—0.25、0.015—0.5mm。

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M>6)；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(τd)max=ρ·H·g·αmax/g=ρ·H·αmax式中(τd)max为单元土体的最大剪应力；

ρ·H为砂土的密度及埋深Αmax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：①估计液化的可能性；②估计掖化的范围；③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)标准贯入击数法我国已将此法列入《建筑抗震设计规范》(GB-50011-2001)。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Ⅶ度时N0=6，Ⅷ度时N0=10，Ⅸ度时N0=16。则采用下述经验公式修正：N=N0[1+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.

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。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，τ/Pz=σ1/2·Cr/σαPZ为某深度z处的有效上覆压力σ1/2/σα为动三轴压缩试验所求得的应力比Pz有三种情况：①z处于地下水位以上，则Pz=ρ·g·z②z处于地下水位以下，则Pz=ρ·g·h+ρ′·g·(z-h)③若地下水出露地表，则Pz=ρ′·g·zτ/Pz=σ1/2·Cr/σα·Dr/0.5求出τ后再与（τd）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,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，指标：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（η）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)振冲法这种方法是本世纪加年代创始于德国，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