第七章 地震导致的区域性砂土液化.ppt

1、地震导致的区域性砂土液化,李渝生 环境与土木工程学院地质工程系,(1)砂土液化(sand liquefacation) 松散砂体 - 颗粒间无内聚力，主要靠粒间摩擦力承受外力。 饱水状态 - 振动颗粒排列状态变密实砂体渗透性不良瞬时排水不畅砂体中空隙水压力上升砂粒之间的有效正应力随之降低。 当空隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时，砂粒就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力。,7.1 基本概念及研究意义,7.1 基本概念及研究意义,(2)砂土液化导致的破坏 主要有四种类型：,(a)涌砂,7.1 基本概念及研究意义,(b)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

2、 降，甚至砂体呈悬浮状态时地基的承栽能力完全丧失。 建筑物-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。,7.1 基本概念及研究意义,(c)滑塌： 砂层或敏感粘土层震动液化和流动，可引起大规模滑坡。 这类滑坡可以产生在极缓、甚至水平场地。 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。,7.1 基本概念及研究意义,(d)地面塌陷： 非饱水疏松砂- 振密，地面随之下沉。 例:1964年阿拉斯加地震，波特奇市震陷-海潮浸淹，迫使迁址。 地下砂体大量涌出地表

3、，地下局部掏空 - 地面局部塌陷。 例:1976年唐山地震，宁河县富庄震后全村下沉2.6-2.9m，塌陷 区边缘出现大量宽1-2m的环形裂缝， 全村变为池塘。,7.1 基本概念及研究意义,一般认为，包括两个过程。 即：振动液化； 渗流液化；,7.2 砂土液化机制,7.2.1 振动液化 振动 - 每个颗粒都受到周期性惯性力的反复作用。 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牵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。,7.2 砂土液化机制,（1）从砂土结构分析 振动前 - 砂土处于松弛排列状态，每个颗粒都具有比紧密

4、排列高得多的势能。 振动加速度的反复荷载作用下 - 逐步加密，以期最终成为最稳定的紧密状态。,7.2 砂土液化机制,（2）从饱水程度分析 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振密过程。 此时砂土体积缩小 “震陷”，不发生液化。 砂土位于地下水位以下的饱水带： 振密 排水。 在急剧变化的周期性荷裁（振动频率大约为I-2周秒）反复作用下，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。,7.2 砂土液化机制,如果 - 砂体的渗透性不良，排水不通畅 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。 应排除的水不能及时

5、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 (excess pore water ressuree)。 这样，一个振动周期的剩余孔隙水压力还未消除，下一周期的剩余孔隙水压力又叠加上来。 于是 ：PWn， -有效应力 n - PW = 0； -则0。,7.2 砂土液化机制,7.3.2 渗流液化 振动液化后，某一点的空隙水压力 Pw = Pw0+Pwe 液化前，空隙水压力=静水压力 不同深度的测压水位相同，无水头差； 振动液化后，剩余空隙水压力 测压水位随深度增加，任意深度两点间存在水头差， 即： 存在自下而上的水力梯度 渗流

6、。,7.2 砂土液化机制,从砂土地震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。 （1）砂土层的自身特征：砂土的成分、结构； 饱水砂层的埋藏条件。 （2）地震：强烈程度； 持续时间。,7.3 区域性砂土液化的形成条件,（1）砂土特性 - 地震时能否形成较高的剩余空隙水压力。 必要条件： 地震时，砂土必须有明显的体积缩小空隙水的排出； 渗透性不良 不利于剩余空隙水压力的迅速消散； 砂土的排水滞后于砂体的振动变密，即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、粒径和级配，来表征砂土的液化条件。,7.3.1 砂土特性和饱水砂层埋藏条件及成因

7、时代特征,7.3 区域性砂土液化的形成条件,7.3 区域性砂土液化的形成条件,相对密度：,式中,为土的天然孔隙比，,和,分别为土层的最大、,砂土的相对密度愈大，需要更大的震动强度和更多的震动循环次数才能使其液化。 根据现有的地震液化资料，度烈度区 0.55 度烈度区 0.70,不发生液化。,最小孔隙比，即,7.3 区域性砂土液化的形成条件,粒度和级配： 砂土颗粒的粒度和级配是液化的重要条件之一。 一般认为粘粒含量愈少、塑性指数愈低、不均匀系数愈小，愈有利于液化。 根据我国地震资料统计： 液化土 -,为0.02 0.5mm; 不均匀系数为 2 10; 粘粒含量17%。 极易液化土 -,为0.02

8、 0.1mm; 不均匀系数为2 5; 粘粒含量10%。,（2）饱水砂土层的埋藏条件 孔隙水压砂粒间有效应力 液化。 饱和砂土的埋藏条件：a.地下水埋深； b.上覆非液化层厚度。 一般而言 - 地下水埋深愈浅、上覆非液化层厚度愈薄，则愈易液化。 对于天然地基，当上覆非液化土层厚度和地下水埋深符合以下条件之一者，可以不考虑液化影响：,7.3 区域性砂土液化的形成条件,7.3 区域性砂土液化的形成条件,-上覆非液化土层厚度（m），计算时将淤泥及淤泥质土层扣除；,- 地下水位埋深（m），按设计基准期内年平均最高水位取值， 也可按近期年最高水位取值；, 基础埋置深度（m），小于2m时应采用2m；, 液化

9、土特征深度（m），按下表取值。,液化土特征深度（m）,（3）饱水砂层的成因和时代 具备上述 - 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： 近代河口三角洲相- 区域性砂土液化的主要 砂体； 近期河床堆积 河漫滩、一级阶地； 二级以上阶地很少液化 。,7.3 区域性砂土液化的形成条件,7.3.2 地震强度及持续时间,砂土液化的动力：地震加速度 (1)简单评价砂土液化的地震强度条件 - 按不同烈度评价某种砂土液化的可能性。 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： 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径范围愈大。,7.3 区域性砂土液化的形成条件,7.3.2 地震强度及持续时间,(2)确切评价砂土液化的地震强度条件： 根据地震时最大地面加速度 计算在地下某一深度处由于地震产生的实际剪应力 判定该深度处砂土液化。,7.3 区域性砂土液化的形成条件,根据界限指标 - 初判 有可能液化或需考虑液化影响 - 现场测试法 确切评价砂土液化的地震强度条件 - 理论计算,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 （1）地震条件 液化的最大范围： 我国历史地震喷水冒砂资料得出震级(M)与液化最大范围 (

11、Dmax)有如下关系： Dmax0.82100.862(M-5) 由上式可以判定，如M5则液化范围限于震中附近1km之内。 液化的最低地震烈度： 我国地震文献中没有地震震级小于5级的喷水冒砂记录。 液化最低烈度为VI度。,7.4 砂土地震液化的判别,（2）地质条件 地震调查发现，液化多发生在： 全新世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、 人工填土地带等。,7.4 砂土地震液化的判别,（3）埋藏条件 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。 最大地下水位深度： 喷砂冒水严重的地区

12、，地下水埋深一般不超过3m，甚至不足1m； 深度为3-4m时，喷砂冒水现象少见，超过5m无喷砂冒水实例。,7.4 砂土地震液化的判别,7.4 砂土地震液化的判别,（4）土质条件 液化土的某些特性指标的限界值为； 平均粒径(D50。) 0.01-1.0mm； 粘粒(粒径0.005)含量不大于10或15。 不均匀系数()不大于10； 相对密度(Dr)不大于75； 级配不连续的土粒径1mm的颗粒含量大于40； 塑性指数(Ip)不大于10。 按上述条件进行初判，可归纳为如图7-1的技术路线。 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。,7.4 砂土地震液化的判别,7

13、.4.2 现场测试法 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 现场测试，进一步判别。 主要方法： 标贯， 静力触探， 剪切波速。,7.4 砂土地震液化的判别,7.4 砂土地震液化的判别,7.4.3 理论计算判别 确切评价砂土液化的地震强度条件 - 测出地震最大地面加速度 计算地下某一深度处的实际地震剪应力 判断该深度处砂土液化的可能性。 按H.B.希德计算式，对于刚性体：,对于可变形的土体，实际剪应力 小于按刚性体计算的,- 折减系数。,7.5.1 良好场地的选择 - 最根本、最可靠的的技术方法。,7.5 砂土地震液化的防护措施,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： 增加盖重； 换土； 增加可液化砂土层密实程度； 加速空隙水压力消散。,7.5 砂土地震液化的防护措施,（1）增加盖重 日本新泻地震时强烈液化区，有的建筑物建于原地面上覆有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。 （2）换土 适用于表层处理一般在地表以下36m有易液化土层时,可以 挖除回填以压实粗砂。,7.5 砂土地震液化的防护措施,（3）改善饱水砂层的密实程度 爆炸振密法： 一般用于处理土坝等底面相当大的建筑物地基。 在地基范围内每隔一定距离埋炸药，群扎起爆使砂层液化后 靠自重排水沉实。 对均匀、疏松的饱水中细砂效果良好。 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，提高砂 层的相对密度，增强地基抗液化能力。,7.5 砂土地震液化的防护措施,振冲碎石桩法: 水冲振捣回填碎石桩法是一种软弱地基的深加固方法，对提高饱和粉、细砂土抗液化能力效果较好。 增大砂土的密度； 消散空隙水压力； 提高承载力。 （4）消散剩余孔隙水压 排渗法 - 在可能液化砂层中设置砾渗井，使砂层在振动时迅通将水排出，加速消散砂层中累积增长的空隙水压力。 砾渗井中填料的渗透性为砂土层的200倍，对空隙水压力的消散