3第三章砂土地震液化工程地质研究Convertor

第三章砂土地震液化工程地质研究主要内容：3.1基本概念3.2砂土地震液化的机理3.3影响砂土液化的因素（形成条件）3.4砂土地震液化的判别3.5砂土地震液化的防护措施在地震过程的短时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，砂粒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，砂粒就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化(sandliquefacation)。这种砂水悬浮液在上覆土层压力作用下，可能冲破土层薄弱部位喷出地表，这就是喷水冒砂现象。可能导致砂土液化的振动有机械振动和地震。前者引起的砂土液化具有局部性，而后者常是区域性的。3·1基本概念饱水砂土在地震、动荷载或其它外动力作用下，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或振动液化。3·1基本概念砂土液化照片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。3·1基本概念(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。3·1基本概念(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。3·1基本概念(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，波特奇市即因震陷大而受海潮浸淹，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拘空，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—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。3·1基本概念地震引起砂土液化(台中港1-4码头)主要内容：3.1基本概念及研究意义3.2砂土地震液化的机理3.3影响砂土液化的因素（形成条件）3.4砂土地震液化的判别3.5砂土地震液化的防护措施砂土液化取决于砂和水的特性。按形成机理分为振动液化和渗流液化3.2.1振动液化砂土受振动时，每个颗粒都受到其值等于振动加速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。3.2砂土地震液化的机理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。3.2砂土地震液化的机理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。地层的振动频串大约为1一2周／秒，在这种急剧变化的周期性荷裁作用下，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，3.2砂土地震液化的机理如砂的渗透性不良，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。3.2砂土地震液化的机理已知饱水砂体的抗剪强度τ由下式确定：τ＝（σn-pw)tgφ=σ0tgφ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（3－1）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。3.2砂土地震液化的机理3.2砂土地震液化的机理3.2.2渗流液化砂土经振动液化之后，这时某一点的孔隙水压力不仅有振动前的静水压力（Pwo），还有由于沙粒不相接处悬浮于水中以致全部骨架压力转化而成的剩余空隙水压力（Pwe）。此时该点的总空隙水压力（Pw）为：其中，r、rw分别为土和水的容重。3.2砂土地震液化的机理为简化起见，假定砂层无限延伸，地下水位面位于地表面，则在一定深处Z处：3.2砂土地震液化的机理3.2砂土地震液化的机理震前孔隙水压呈静水压力分布，不同深度处测压水位相同，没有水头差。振动液化形成剩余空隙水压力以后，不同深度处的测压水位就不再相同了，随深度增加側压水位增高。任意深度两点Z2和Z1之间的水头差h可以从下式求出。这两点之间的水力梯度J为：此水力梯度恰好等于渗流液化的临界水力梯度，处于这个水力梯度，砂粒就在自下而上的渗流中失去重量，产生渗流液化。3.2砂土地震液化的机理3.2砂土地震液化的机理和振动液化联系起来，整个过程则是：饱水砂土在强烈地震作用下先产生振动液化，使空隙水压力迅速上升，产生上下水头差和孔隙水自下而上的运动，动水压力推动砂粒向悬浮状态转化，形成渗流液化使砂层变松。如果地表有不透水的粘土盖层，则渗流液化与上述情况不同。3.2砂土地震液化的机理液化砂层的孔隙水压力不能像无盖层情况那样可以自由向地表消散。液化砂层内的剩余空隙水压力通过液体的压力传导作用于不透水层的底板，形成一个暂时的承压水层，根据静水压力原理，液化砂层内任意点的测压水位都是相等的。剩余水压有两部分组成：即液化层的骨架压力和盖层压力。假设液化砂层厚为M1，盖层层厚为M2，则剩余空隙水压力的大小可按下式求出：在这种情况下，只有剩余空隙水压力超过盖层强度，或盖层有裂缝，才沿裂缝产生喷水冒砂，渗流液化局限于喷水冒砂口附近。该层越厚，隔水性越强，液化形成的暂时性承压水层的水头越高，一旦突破盖层，喷水的水头越高，冒砂越强烈。但对建筑物的严重破坏和砂层因渗流而变松，往往局限于喷水口的局部地段。3.2砂土地震液化的机理其中：为盖层的容重。主要内容：3.1基本概念及研究意义3.2砂土地震液化的机理3.3影响砂土液化的因素（形成条件）3.4砂土地震液化的判别3.5砂土地震液化的防护措施由上一节可知，饱和砂土（内因）和地震动（外因）是发生振动液化的必备条件。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。地震动主要是地震的强烈程度和持续时间（历时）。影响砂土液化的因素主要包括：土的类型及性质、饱和砂土的埋藏分布条件以及地震动的强度和持续时间。3.3影响砂土液化的因素（形成条件）一、土的类型及性质土的类型及性质是砂土液化的内因。研究表明：粉、细砂土最易液化；但随着地震烈度的增高，亚砂土、轻亚粘土、中砂土等也会液化。3.3影响砂土液化的因素（形成条件）砂土特性（相对密度和粒度和级配）对地震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。3.3影响砂土液化的因素（形成条件）1)．砂土的相对密度松砂极易完全液化，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。3.3影响砂土液化的因素（形成条件）式中：e为土的天然孔隙比；emax和emin分别为该土的最大、最小空隙比。一般情况下，Dr0.50时，砂土在振动作用下很快液化；Dr0.80时，不易液化。据海城地震资料，砂土的Dr0.55，Ⅶ度区不发生液化；Dr0.70，Ⅷ度区也不发生液化。表3-1列出了不同烈度区内可液化砂土Dr的最大界限值。3.3影响砂土液化的因素（形成条件）表3－1不同地震烈度区液化砂土最大相对密度液化地点及资料来源地震烈度对应的最大Dr最大界限值（％）海城地震工程力学研究所47－64〔50〕40－75〔70〕〔80〕兰州地震大队54－58〔60〕65－71〔75〕80－88〔90〕国外35个实例，H.B希德等5364－78（72）90（72）日本新泻地震70说明：〔〕内数字为建议值；（）内数字为实际液化的最大值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（Ip）＜7的粉土占34.6％，中粗砂及塑性指数（Ip）为7-10的粉土仅占7.7％，而且全发生在ⅨI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。3.3影响砂土液化的因素（形成条件）粉粒含量大于40%，极易液化；粘粒含量大于12.5%，则极难液化。最易发生液化的粒度组成特征值是：平均粒径（d50）0.02-0.10mm，不均粒（匀）系数（η）2-8，粘粒含量小于10%。（不均粒系数：土的限制粒径与有效粒径的比值。限制粒径：非均粒土累积含量为60%及30%的土粒粒径；有效粒径：土的最具代表性的粒径。）3.3影响砂土液化的因素（形成条件）土的类型及性质影响的结论：粒度：粉、细砂土最易液化密实度：松砂易液化，密砂不易液化成因及年代：冲积成因的粉细砂土易液化；沉积年代较新的易液化（结构松散、含水丰富、地下水位浅的）3.3影响砂土液化的因素（形成条件）二、饱水砂土层的埋藏分布条件饱水砂土层的埋藏条件主要包括：饱和砂层的厚度、砂层上非液化粘土层厚度以及地下水埋深等三个方面。它们决定了超孔隙水压力和有效覆盖压力的大小。3.3影响砂土液化的因素（形成条件）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：3.3影响砂土液化的因素（形成条件）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：3.3影响砂土液化的因素（形成条件）如地下水位位于地表，即h＝0，则：3.3影响砂土液化的因素（形成条件）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。根据统计资料，一般饱水砂层埋深大于20m时难于液化。也有人认为应考虑侧压力，埋深界限应定在10-15m；由于地下水埋深3-4m时，液化现象很少，有人建议埋深界限可定为5m。尚不统一。3.3影响砂土液化的因素（形成条件）特征：a)饱水砂层愈厚，地震变密时所产生的超孔隙水压力愈大，尤其当砂层较疏松时有可能排挤出更多的孔隙水，则愈易液化。b)当液化砂层埋藏较深，上覆以较厚的非液