地震导致的区域性砂土液化

地震导致的区域性砂土液化第一页，共三十七页，2022年，8月28日7.1基本概念及研究意义

粒间无内聚力的松散砂体，主要靠粒间摩擦力维持本身的稳定性和承受外力。当受到振动时，粒间剪力使砂粒间产生滑移，改变排列状态。如果砂土原处于非紧密排列状态，就会有变为紧密排列状态的趋势，如果砂的孔隙是饱水的，要变密实效需要从孔隙中徘出一部分水，如砂粒很细则整个砂体渗透性不良，瞬时振动变形需要从孔隙中排除的水来不及排出于砂体之外，结果必然使砂体中空隙水压力上升，砂检之间的有效正应力就随之而降低，当空隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时，砂钦就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化(sandliquefacation)。这种秒水悬浮液在第二页，共三十七页，2022年，8月28日砂土液化引起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，使农业灌溉设施受到严重损害。

(2)地基失效：随粒间有效正应力的降低，地基土层的承裁能力也迅速下降，甚至砂体呈悬浮状态时地基的承栽能力完全丧失。建于这类地基上的建筑物就会产生强烈沉陷、倾倒以至倒塌。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，严重破坏6200所，轻微破坏31000所。第三页，共三十七页，2022年，8月28日1976年房山地层时，天津市新港望河楼建筑群，田地基失效突然下沉38cm，倾斜度达30％。

(3)滑塌：由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和流动，可引起大规模滑坡。如1964年阿拉斯加地震，安科雷奇市就因敏感粘土层中的砂层透镜体液化而产生大滑坡。这类滑坡可以产生在极缓，甚至水平场地。

(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。例如1964年阿拉斯加地震时，波特奇市即因震陷量大而受海潮浸淹，第四页，共三十七页，2022年，8月28日迫使该市迁址。地下砂体大量涌出地表，使地下的局部地带被掏空，则往往出现地面局部塌陷，例如1976年唐山地层时宁河县富庄层后全村下沉2.6一2.9m，塌陷区边缘出现大量宽1—2m的环形裂缝，全村变为池塘。第五页，共三十七页，2022年，8月28日地震引起砂土液化(台中港1-4码头)第六页，共三十七页，2022年，8月28日7.2地震时砂土液化机制

振动液化砂土受振动时，每个颗粒都受到其值等于振动加翅度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。由于颗粒间没有内聚力或内聚力很小，在惯性力周期性反复作用下，各颗粒就都处于运动状态，它们之间必然产生相互错动并调整其相互位置，以便降低其总势能最终达到最稳定状态。如振动前砂体处于紧密排列状态，经震动后砂粒的排列和砂体的孔隙度不会有很大变化，如振动前砂土处于疏松排列状态，则每个第七页，共三十七页，2022年，8月28日颗粒都具有比紧密排列高得多的势能，在振动加速度的反复荷载作用下，必然逐步加密，以期最终成为最稳定的紧密状态。如果砂土位于地下水位以上的包气带中，由于空气可压缩又易于排出，通过气体的迅速排出立即可以完成这种调整与变密过程，此时只有砂土体积缩小而出现的“覆陷”现象，不会液化。如果砂土位于地下水位以下的饱水带，情况就完全不同，此时要变密就必须排水。地层的振动频率大约为1一2周期／秒，在这种急速变化的周期性荷载作用下，伴随每一次振动周期产生的孔隙度瞬时减小都要求排挤出一些水，第八页，共三十七页，2022年，8月28日如砂的渗透性不良，排水不通畅，则前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再减小又产生了。应排除的水不能排出，而水又是不可压缩的，所以孔隙水必然承受由孔隙度减小而产生的挤压力，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力(excessporewaterpressure)。前一个周期的剩余孔隙水压尚未消散，下一周期产生的新的剩余孔隙水压力又迭加上来，故随振动持续时间的增长，剩余孔隙水压会不断累积而增大。已知饱水砂体的抗剪强度τ由下式确定：

τ＝（σn-pw)tgφ=σ0·tgφ第九页，共三十七页，2022年，8月28日式中：pw为孔隙水压；σ0为有效正压力。在地震前外力全部由砂骨架承担，此时孔隙水压力称中性压力，只承担本身压力即静水压力。令此时的空隙水压力为pw0，振动过程中的剩余空隙水压力为△pw，则振动前砂的抗剪强度为：

τ＝（σ-pw0）tgφ

振动时：τ＝[σ-（pw0+△pw）]tgφ（7－1）随△pw累积性增大，最终pw0+△pw＝σ，此时砂土的抗剪强度降为零，完全不能承受外荷载而达到液化状态。第十页，共三十七页，2022年，8月28日7.3区域性砂土地震液化的形成条件

从砂土地霞液化机制的讨论中可以得出，砂土层本身和地震这两方面具备一定条件才能产生砂土液化。砂上层本身方面一般认为砂土的成分、结构以及饱水砂层的埋藏条件这几个方面需具备一定条件才易于液化。这里需要指出的是，凡具备上述易于液化的条件而又在广大区域内产出的砂土层，往往具有特定的成因与时代特征。地震方面主要是地震的强烈程度和持续时间。现根据试验和地层液化区的观测资料分别说明如下。第十一页，共三十七页，2022年，8月28日

7.3.1沙土特性和饱水砂层埋藏条件及成因时代特征

砂土特性对地层液化的产生具有决定性作用的，是土在地震时易于形成较高的剩余空隙水压力。高的剩余空隙水压力形成的必要条件，一是地震时砂土必须有明显的体积缩小从而产生空隙水的排水．二是向砂土外的排水滞后于砂体的振动变密，即砂体的渗透性能不良，不利于剩余空隙水压力的迅速消散，于是随荷载循环的增加空隙水压力因不断累积而升高。通常以砂土的相对密度和砂土的粒径和级配来表征砂土的液化条件。第十二页，共三十七页，2022年，8月28日1．砂土的相对密度从动三轴试验得知,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。也就是说，砂的结构疏松是液化的必要条件。表征砂土的疏与密界限的定量指标，过去采用临界孔隙度。这是从砂土受剪后剪切带松砂变密而密砂变松导出的一个界限指标，即经剪切后即不变松也不变密的孔隙度。目前较普遍采用的是相对密度Dr

Dr=emax—e/emax—emin其中：e土的天然空隙比；emax和emin分别为该土的最大。最小空隙比

第十三页，共三十七页，2022年，8月28日2．砂土的粒度和级配砂土的相对密度低并不是砂土地震液化的充分条件，有些颗粒比较粗的砂，相对密度虽然很低但却很少液化。分析邢台、通海和海城砂土液化时喷出的78个砂样表明，粉、细砂占57.7％，塑性指数＜7的粉土占34.6％，中粗砂及塑性指数为7—10的粉土仅占7.7％，而且全发生在XI度烈度区。所以具备一定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。第十四页，共三十七页，2022年，8月28日

7.3.1.2饱水砂土层的埋藏条件当空隙水压大于砂粒间有效应力时才产生液化，而根据土力学原理可知，土粒间有效应力由土的自重压力决定，位于地下水位以上的土内某一深度Z处的自重压力Pz为：

Pz＝γz(7—8)式中γ为土的容重。如地下水埋深为h，Z位于地下水位以下，由于地下水位以下土的悬浮减重，Z处自重压力则应按下式计算：

Pz=γh十(γ—γw)(Z-h)(7—9)第十五页，共三十七页，2022年，8月28日如地下水位位于地表，即h＝0，则：

Pz=(γ—γw)Z(7—10)显然，最后一种情况自重压力随深度的增加最小，亦即直接在地表出露的饱水砂层最易于液化。而液化的发展也总是由接近地表处逐步向深处发展。如液化达某一深度z1，则z1以上通过骨架传递的有效应力即由于液化而降为零，于是液化又由Z1向更深处发展而达Z2直到砂粒间的侧向压力足以限制液化产生为止。显然，如果饱水砂层埋藏较深，以至上覆土层的盖重足以抑制地下水面附近产生液化，液化也就不会向深处发展。第十六页，共三十七页，2022年，8月28日

饱水砂层埋藏条件包括地下水埋深及砂层上的非液化粘性土层厚度这两类条件。地下水埋深愈浅，非液化盖层愈薄，则愈易液化。

7.3.1.3饱水砂层的成因和时代具备上述的颗粒细、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，主要是近代河口三角洲砂体和近期河床堆积砂体，其中河口三角洲砂体是造成区域性砂土液化的主要砂体。已有的大区域砂土地震液化实例，主要形成于河口三角洲砂体内。而是往往历史历时期或全新世形成的疏松沉积物。第十七页，共三十七页，2022年，8月28日7·3·2地震强度及持续时间引起砂土液化的动力是地震加速度，显然地震愈强、加速度愈大，则愈容易引起砂土液化。简单评价砂土液化的地震强度条件的方法是按不同烈度评价某种砂土液化的可能性。例如，根据观测得出，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。亦即地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。第十八页，共三十七页，2022年，8月28日又如，烈度不同可液化砂上的相对密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相对密度值也愈大。确切评价砂土液化的地震强度条件需实测出地震时最大地面加速度，计算在地下某一深度处由于地震而产生的实际剪应力，再用以判定该深度处的砂土层能否液化。第十九页，共三十七页，2022年，8月28日7.4砂土地震液化的判别7.4.1地震液化初判的限界指标7.4.1.1地震条件

1．液化最大震中距分析我国1955年以前近900a间历次地震喷水冒砂资料得出震级(M)与液化最大震中距(Dmax)有如下关系：

Dmax＝0.82×100.862(M-5)由上式可以判定，如M＝5则液化范围限于震中附近1km之内。

第二十页，共三十七页，2022年，8月28日2．液化最低地震烈度我国地震文献中没有地震震级小于5级的喷水冒砂记录。故液化最低烈度为VI度。7.4.1.2地质条件震级5级震中烈度为VI度，近年来历次地震震后调查发现，发生液化处所多为全新世乃至近代海相及河湖相沉积平原，河口三角洲，特别是洼地、河流的泛滥地带、河漫滩、古河道、滨海地带及人工填土地带等。第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日

7.4.1.2埋藏条件

1．最大液化深度一般认为液化判别应在地下15m深度范围内进行。最大液化深度可达20m，但对一般浅基础而言，即使15m以下液化，对建筑物影响也极轻微。

2．最大地下水位深度喷砂冒水严重的地区，地下水埋深一般不超过3m，甚至不足1m，深为3—4m时喷砂冒水现象少见，超过5m没有喷砂冒水实例。《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJll—85)第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日

7.4.1.4土质条件液化土的某些特性指标的限界值为；

(1)平均粒径(D50)为0.01一1.0mm；

(2)粘粒(粒径＜0.005)含量不大于10％；或15％。

(3)不均匀系数(η)不大于10；

(4)相对密度(Dr)不大于75％；

(5)级配不连续的土粒径＜1m·m的颗粒含量大于40％；

(6)塑性指数(Ip)不大于10。

第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日

按上述判别条件进行初判可归纳为如图7—19的流程框图。初判结果虽偏于安全，但可将广大非液化区排除，把进一步的工作集中于可能液化区。第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日图7－19地震砂土液化限界指标初判流程图第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日

7.4.2现场测试法

几经初步判别认为有可能液化或需考虑液化影响的饱和砂土或粉土，都应进行以现场测试为主的进一步判别。主要方法有标贯判别，静力触探判别和剪切波速判别。其中以标贯判别简便易行最为通用。7.4.2.l标贯判别法日本新泻地震时，B区与C区(图7—12)的土层性质、地下水埋深均相同，但液化程度和建筑物损害情况B区比C区轻得多，以标准贯入试验法探测土层性质时发现，在地表到4.5米第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日深以内，二者贯入击数基本相同，而自4.5m至约14m处，B区的贯人击数显著高于C区(图7—20)。所以国外多采用标准贯人击数值来进行液化可能性的初步判断。

《工业民用建筑抗震设计规范》（TJ11－74）的砂土地震液化判别式（7－15）所用资料主要主要取自1966年邢台地震，震级较低，未考虑高震级远震的情况，且未考虑粘粒的影响，砂层埋深（ds）和地下水埋深（dw）的影响系数也不利于深层土的判别。所以新的《工业民用建筑抗震设计规范》GBJ11－89将上述判别式修订为：第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日

式中：pc为粘粒含量百分数，小于3或砂土时取3。标准贯入击数基准值N0的取值需考虑近震和远震的区别按表7－3取值。

烈度震中距ⅦⅧⅨ近震61016远震81218表7－3N0的取值第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日7.4.2.2 剪切波速判别

利用剪切波速Vs与标贯击数N值之间的相关性，可以将以N为判据的判别式转换为Vs为判据的判别式。根据现场研究与相关分析，Vs与N之间的一般关系式为：

Vs

＝100N0.2

（7－17）令Vs’为液化临界剪切波速；Vs’为液化临界剪切波速基准值，则式7－16可以转换为如下形式：（7-18）Vs’与N0的对应值见表7－4。N06810121618Vs’（m/s)145150160165175180表7－4Vs’与N0的对应值第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日

理论计算判别

国外最常用的理论计算判别是由H．B希德所提出的判别方法及准则，即根据土的动三轴试验求出的应力比(σb／σa

，即最大动循环剪应力τmax与初期围限压力τa之比)和某一深度土层的实际应力状态(土层有效上覆压力)，计算出能引起该砂土层液化的剪应力τ，实际上此剪应力就相当于该砂土层抗剪液化的抗剪强度，如果取得的值小于据地震加速度求得的等效平均剪应力(τa)，则可能液化，其表示式为：τ<τa第三十页，共三十七页，2022年，8月28日7.5砂土地震液化的防护措施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〕或其它更经济措施表7－6抗液化措施选择原则注：A.为全部消除地基液化沉陷的措施，为采用桩基、深基础、深层处理至液化深度以下或挖除全部液化层；

B.为部分消除地基液化沉陷措施，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，一般包括减少或适应不均匀沉陷的各项构造措施；

D.为可不采取措施。第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日

7.5.1良好场地的选择

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。主要有增加盖重、换土、增加可液化砂土层密实程度和加速空隙水压力消散等措施。

7.5.2.1增加盖重新澙地震时强烈液化的C区，有的建筑物建于原地面上填有3m厚的填土层上，周围建筑物强烈损坏而此建筑物则无损害。填土厚度应使饱水砂层顶面的有效压重大于可能产生液化的临界压重。第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日7.5.2.2换土适用于表层处理．一股在地表以下3-6m有易液化土层时可以挖除回填以压实粗砂。

7.5.2.3改善饱水砂层的密实程度

1．爆炸振密法一般用于处理土坝等底面相当大的建筑物的地基。在地基范围内每隔一定距离埋炸药，群孔起爆使砂层液化后靠自重排水沉实。对均匀、疏松的饱水中细砂效果良好。第三十三页，共三十七页，2022年，8月28日

2．强夯与碾压在松砂地基表面采用夯锤或振动碾压机加固砂层，能提高砂层的相对密度，增强地基抗液化能力。强夯是使重锤(重8—30t)从高处(一般为6-30m)自由落下，夯击能使土体内产生冲击波应力，土体局