第七章-地震导致的区域性砂土液化

§4地震导致的区域性砂土液化一.基本概念及探讨意义由于地震或其它外力作用,饱水砂土受猛烈振动而丢失其抗剪强度,处于流淌状态,没有承载实力,造成地基失效,使建筑物毁坏，这种过程和现象称为砂土液化(sandliquefacation)。因地震所引起的砂土液化规模大，范围广，对工程建筑造成很大破坏，成为地震学及工程地质学的重要探讨课题。砂土液化造成的破坏主要有以下四种：(1)涌砂：涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃土盐碱化、砂质化，同时造成河床、渠道、径井筒等淤塞，使农业浇灌设施受到严峻损害。土体中剩余孔隙水压力区产生的管涌所导致的水和砂的喷出。液化是喷水冒砂的缘由，但喷水冒砂不确定是液化的必定结果。(2)地基失效：随粒间有效正应力的降低，地基土层的承载实力也快速下降，甚至砂体呈悬浮状态时地基的承载实力完全丢失。建于这类地基上的建筑物就会产生猛烈沉陷、倾倒以至倒塌。

喷水冒砂1976年唐山地震时，天津市新港望河楼建筑群，因地基失效突然下沉38cm，倾斜度达30％。(3)滑塌：由于下伏砂层或敏感粘土层振动液化和流淌，可引起大规模滑坡。(4)地面沉降及地面塌陷：饱水疏松砂因振动而变密，地面也随之而下沉，低平的滨海湖平原可因下沉而受到海湖及洪水的浸淹，使之不适于作为建筑物地基。唐山地震时烈度为九度的汉沽区大面积下沉，原来平坦的地面整体下沉1.6一2.9m，塌陷区边缘出现大量宽1—2m的环形裂缝，全村变为池塘。地震引起砂土液化(台中港1-4码头)二.砂土液化的机制☆静力条件下，砂土抗剪强度τ＝σtgφ☆当砂土处于饱和状态下，由于静止孔隙水压力U0作用，砂土的抗剪强度τ＝(σ-U0)tgφ,τ反映了饱和砂土抗液化实力的强弱。☆在地震状况下，产生水平地震力τd,此时地震力作用于土体上也产生水平往复的作用，同时在振动荷载的反复作用下，疏松饱水砂土将趋于密实，透水性变小，瞬时荷载作用下来不及排走，在原来静止孔隙水压力的基础上又产生了附加孔隙水压力，随着振动荷载的反复作用，附加孔隙水压力不断积累而渐渐上升，设为△U，则：τ＝[σ-（ΔU+U0)]tgφ，明显τ进一步降低了，它与振动剪应力τd的相对大小确定了砂土是否液化。τ/τd=1极限平衡状态τ/τd＞1砂土处于稳定状态τ/τd＜1超过极限，剪切破坏，如砂土疏松，这种剪切具有剪缩性质，孔隙水压力不能刚好排走得以接着上升，致使等于总应力，这样有效应力和抗剪强度全为0。当τ/τd=0时，砂颗粒间脱离接触而处于悬浮状态，即彻底液化。三.影响砂土液化的条件砂土特性和地震这两方面具备确定条件才能产生砂土液化。砂土层本身:砂土的成分、结构以及饱水砂层的埋藏条件。凡具备上述易于液化的条件而又在广袤区域内产出的砂土层，往往具有特定的成因与时代特征。地震方面:地震的猛烈程度和持续时间。1.土的类型及其特性类型：砾，粗，中砂，特殊是粉、细砂和少粘性的粉土。用土的颗粒组成特征值表示：D50=0.015-1.25mm,其中0.02-0.1mm易液化不匀整系数η=1.7-8粘粒含量一般≤10%砂土的密实度用相对密度Dr=emax—e/emax—emin松砂极易完全液化,而密砂则经多次循环的动荷载后也很难达到完全液化。即砂的结构疏松是液化的必要条件。Dr＜50%易液化，Dr＞75%不易同样条件下，松散、匀整的粉细砂土最易液化。2.可液化砂土层的埋藏分布条件砂层埋藏条件包括地下水和砂层埋深；其上的非液化粘性土层厚度这两类条件。地下水埋深愈浅，砂层埋藏浅，厚度大，非液化盖层愈薄，在其它条件相同时则愈易液化。具备上述的颗粒细、结构疏松、上覆非液化盖层薄和地下水埋深浅等条件，而又广泛分布的砂体，主要是滨海平原，近代河口三角洲，冲积平原，低阶地及漫滩及古河道分布地区。砂层的成因和时代近代河口三角洲和近期河床积累砂体砂土层埋深＞20m，难于液化，一般15m，地下水埋深＞3m不易。3.振动的历时和强度振动强度是产生液化的重要因素，只有振动强度达到确定的界限值才能在土层中引起足够的剪应力，并使饱水砂土层中的孔隙水压力上升到产生液化的程度。振动经验的时间越长，振动次数越多越易。在VII、VIII、IX度烈度区可能液化的砂土的D50分别为0.05一0.15，0.03一0.25，0.015一0.5mm。亦即地震震级越大，烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。烈度愈高可液化砂土的相对密度值也愈大，Dr＞55%，VII度区不液化，Dr＞70%，VIII度区不液化。四.砂土地震液化的判别（建筑抗震设计规范GB50011-2010）地面下存在饱和砂土和粉土时,除6度外,应进行液化判别;存在液化土层的地基,应依据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级，结合具体状况实行相应的措施。（一）饱和的砂土或粉土，当符合下列条件之一时，可初判为不液化或可不考虑液化影响：1.地质年头为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时，7，8度时可判为不液化。2.粉土的粘粒含量百分率,7,8,9度分别不小于10,13,16时可判为不液化土。3.浅埋自然地基的建筑,当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时,可不考虑液化影响:du＞d0+db-2dw＞d0+db-3du+dw＞1.5d0+2db-4.5du---上覆盖非液化土层厚度,计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除;dW---地下水位深度,宜按设计基准期内年平均最高水位接受,也可按近期内年最高水位接受;db---基础埋置深度,不超过2m时应接受2m;d0液化土特征深度,按下表接受液化土特征深度(m)饱和土类别7度8度9度粉土678砂土789地震砂土液化限界指标初判流程图(二)砂土液化的进一步判别当饱和砂土、粉土的初判认为须要进一步进行液化判别时，应接受标准贯入试验判别地面下20m范围内的液化。当饱和土标准贯入击数小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时应判为液化土。（实际贯入击数N63.5≤Ncr，液化）计算临界标贯击数式中：标准贯入击数基准值N0的取值如下表设计基本地震加速度（g）0.100.150.200.300.40液化判别标准贯入锤击数基准值710121619Pc---为粘粒含量百分数，小于3或砂土时取3。Ds---饱和土标准贯入点深度，dW---地下水位Β---调整系数,设计地震第一组取0.8,其次组0.95,第三组1.05对存在液化砂土层,粉土层的地基,应探明各液化土层的深度和厚度,按下式计算每个钻孔的液化指数,并综合划分地基的液化等级:液化指数n---为在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数;Ni，Ncri---分别为第i个标准贯入点的标贯击数的实测值和临界值;di---为第i个标准贯入点所代表的土层厚度，可接受与该标准贯入试验点相邻的上下两标准贯入试验点深度差的一半,但上界不高于地下水位深度,下界不深于液化深度;Wi---为di土层中点深度处土层深度影响权函数。中点深度不大于5m取10,等于20m时为0,5-20m时按线性内插。液化等级与液化指数的对应关系液化等级轻微中等严重液化指数Iie0＜Iie≤66＜Iie≤18Iie＞18五.砂土地震液化的防护措施抗液化措施选择原则建筑类别地基液化等级轻微中等严重甲类特殊考虑乙类〔B〕或〔C〕〔A〕或〔B+C〕〔A〕丙类〔C〕或〔D〕〔C〕或其它更高措施〔A〕〔B+C〕丁类〔D〕〔D〕〔C〕或其它更经济措施注：A.为全部消退地基液化沉陷的措施，为接受桩基、深基础、深层处理至液化深度以下或挖除全部液化层；B.为部分消退地基液化沉陷措施，如处理或挖除部分液化土层等；C.为基础结构和上部结构的构造措施，一般包括削减或适应不匀整沉陷的各项构造措施；D.为可不实行措施。砂土液化的防治措施:1.选择良好场地尽可能避开可能液化的地段，不行能避开时选择砂层相埋藏较深（＞25m），地下水埋藏较大（＞5m）的地段。2.地基处理实行增加盖重、换土、增加可液化砂土层密实程度(爆破挤密法,强夯与碾压,振冲法)和加速空隙水压力消散(排渗法),围封法等措施。3.选择合适的基础型式桩基或片筏或管柱基础等。§5区域稳定性评价（一）区域稳定性的影响因素影响区域稳定性的因素有区域岩土特征、构造作用、新构造运动、重力梯度异样（地球物理异样）带和地震作用等5个方面。各影响因素中，以地震为中心，即区域稳定的中心问题是地震，这是因为其它的因素均以地震为中心显示其作用。各影响因素不仅以地震为中心，相互之间也存在有机联系。特殊是断裂活动和地震活动的联系更为紧密，对区域稳定性的影响也更为显著和干脆。（二）区域稳定性评价的主要内容为以下方面：1．区域地质构造探讨区域地质构造是区域稳定性评价的基础。分析区域地质构造的目的在于查明地质历史过程中区域构造的活动性特征，以判定区域地壳现代活动的程度。区域地质构造包括褶皱、断裂和其它类型的构造及其具体性状及空间展布，是大地构造、地壳演化和断裂活动的反映。褶皱猛烈、断裂发育指示出地质历史上是地壳活动猛烈的大地构造单元，反之，则地壳为稳定的。2．断裂活动性探讨断裂活动是地壳活动的重要表现形式，活动断裂的探讨就是确认那些是活断层，圈定目前和将来最有可能发生断裂和地震活动，并对工程构成危急的地段。3．区域重力场和热力场的探讨重力场和热力场的变更特征，标记着近代岩石圈的动力条件，也是区域稳定性评价的标记之一。在区域稳定性评价中，重力场和热力场指标有重要意义。4．地震影响评价地震对区域稳定性的影响特别显著，工程部门历来重视地震活动性探讨。当前一些大型工程，一般以工程区为中心，在半径300km范围内，对地震资料进行综合分析。分析探讨震源区的位置、特征、震级和烈度，推断发震的危急性，以驾驭地震活动的时间、空间和强度规律。5．预料水库诱发地震依据区域地震背景及场地的具体地质条件，对修建水库诱发地震的可能条件做出评价，并对诱发地震的地点和强度做出预料。（三）区域稳定性分区区域稳定性探讨的目的，是进行区域稳定性分区，即把确定区域内具有不同稳定程度的地段分成小区，编制分区图，供工程规划设计部门和有关决策部门运用。由于影响区域稳定性的因素较多，须要进行全面的综合评价。而断裂活动和地震作用是影响区域稳定性的主要因素，仅以地震烈度指标为主，概括分析其它指标的基础上，结合各类工程的抗震设计规范要求，将区域稳定性分为：稳定区、基本稳定区、次稳定区，不稳定区。各分区主要特征见下表。分级指标参量稳定区基本稳定区次稳定区不稳定区地震最大震级≤5.25≤5.5-5.756.5-7.0＞7.0基本烈度≤6≤78-9＞9水平加速度/g0.0620.1250.25-0.50＞0.5活动断裂年龄/×104a＞240或240-7373-66-1.1＜1.1活动速率/mm.a-10-0.10.1-10.1-10＞10综合评价不活动不活动或微活动较强活动现代强烈活动地球物理地壳应变能/J≤2.5×1063.4×106-4.7×1061.9×107-4.5×107＞4.5×107区域性重磁异常无不明显明显十分明显工程建设的适宜性及抗震措施适宜所有类型工程建筑，不需或作适当抗震设计适宜所有类型工程建筑，需抗震设计有条件适宜大型和生命性工程，需做专门抗震设计不适宜大型工程建筑（四）区域稳定性评价对象及实例1.大型水利水电工程：对区域稳定性要求最为严格的工程之一。有关部门规定，在地震烈度为7度及以地区修建大型水利水电工程必需进行区域稳定性评价。水工建筑物应尽可能选择在相对稳定地段，避开不稳定地段，确保工程的平安和经济合理。如二滩水电站，三峡工程2.核电站工程规划：确保核电站设施平安运行，防止核泄漏必需考虑的问题。如