第4章--土的液化分析

2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所1土动力学二零一一年三月Soildynamics2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所2第4章土的液化分析2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所3第四章土的液化分析•1、土的液化概念与机理•2、影响饱和土振动液化的主要因素•3、饱和砂（粘）土液化分析与判别•4、液化危害性分析•5、提高土抗液化稳定性的途径与方法2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所44.1土体液化的概念与机理•4.1.1液化的概念•土在动荷作用下丧失原有强度，变为类似液体状态的现象。特点：强度丧失的急剧、突发性•液化危害案例:P5•常发生于饱和松散砂土、饱和砂砾土、饱和粉质粘土•液化问题的实质是动强度问题，因其强度丧失的急剧性和突发性特点，液化又不同于一般的动强度问题。•液化是任何物质转变为液体的作用和过程。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所5液化危害案例•1964年日本新泻7.6级地震：河岸砂土地基液化，塌房2130栋，损房9320栋•1966年邢台6.7级地震：滏阳河沿岸上千平方公里砂土液化，造成大面积喷砂冒水、岸坡塌滑、建筑物破坏•1975年营口7.3级地震•1976年唐山7.8级地震•都造成大面积砂土液化现象2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所64.1.1液化的概念•在无粘性土中，液化是由固态到液态的状态改变，是孔压增加、有效应力减小的结果，与起始扰动的原因、变形或地面破坏运动等无关；液化产生剪切强度的瞬时丧失，但不产生剪切强度较长期的减小。•研究土体液化的目的：•（1）控制土体液化的发生、发展，保证建筑物与地基稳定；•（2）利用振动密实方法防止液化，处理不良地基。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所74.1.2土的液化机理4.1.2.1液化的发展阶段及产生条件在振动荷载的持续作用下，饱和砂土经历了压力由土粒传给孔隙水（振动液化），又由孔隙水传给土粒（振动压密）的两个发展阶段，即振动液化和振动压密（二者有区别，又有联系）。从振动液化的发展阶段分析，饱和砂土发生液化现象必须同时具备两个基本条件：1、振动作用足以使土体的结构发生破坏（即振动荷载较大或砂土的结构强度较小）；2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所84.1.2土的液化机理2、在土体结构发生破坏后，土粒发生位移的趋势不是松胀而是压密。若振动作用的强度较小（力幅小或持续时间短），不会使土的结构发生破坏，则不会出现孔压上升、变形增大、强度降低的现象。只有当动强度超过前述的临界加速度（持续时间一定或无限制）或超过临界的振次（幅值一定）时，才会出现明显的孔压上升和变形增大。最后，当动荷加速度达到破坏加速度或动荷循环次数达到破坏振次时，孔压的上升到可能的最大值。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所94.1.2土的液化机理4.1.2.2液化的发展趋势初始液化发生，当孔压等于侧压后，动荷的继续作用将会引起两种可能的情况：一是每周完成的孔压等于侧压，变形持续发展，发生无限流动；二是每周只产生有限的变形，发生往返性的有限流动，这是由于土有一定的阻力，或土的松胀（使孔压降低）或土在荷载作用下的硬化。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所104.2影响饱和土振动液化的主要因素•饱和砂土是否发生液化，取决于一系列因素，影响饱和砂土振动液化可能性的主要影响因素有：1.土性条件：主要指土的颗粒特征（包括颗粒组成、颗粒形状），土的密度特征、结构特征（即胶结状况和颗粒排列状况）以及土体的饱和状态等；2.初始应力条件：主要指动荷施加以前土所承受的法向应力和剪应力以及他们的组合；2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所114.2影响饱和土振动液化的主要因素3.动荷条件：主要指动荷的波型、振幅、频率、持续时间以及作用方向等；4.排水条件：主要指土的透水程度，排渗路径及排渗边界条件。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所12（一）土性条件1.土的颗粒特征：①土粒愈粗，动力稳定性愈高。从粗砂→中砂→细砂→粉砂，液化可能性逐渐增大；②不均匀系数的砂土一般较难发生液化。土中粘粒含量增加到一定程度时，土的动力稳定性将有所增大，液化的可能性相应降低。2.土的密度特征：土的相对密度愈大，抗液化强度愈高。故增大砂土的密度是抗液化、增加其稳定性的良好途径。注意：特殊情况。10cu2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所13图4-1粒径对液化的影响2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所14图4-2土密实度对液化的影响2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所15图4-3粒径、级配对液化的影响2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所16（一）土性条件3.土的结构特征：土的排列和胶结状况不同，抗液化的能力也不同。排列结构稳定和胶结状况良好的土均具有较高的抗液化能力。原状土比重塑土难液化；古砂层比新砂层难液化；遭受过地震的砂土比未遭受地震的砂土难液化；土粒排列中主要接触方向角大的土比方向角小的土难液化。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所17（一）土性条件4.土的饱和度：土的饱和度愈小，及起始孔压系数B愈小，达到初始液化所需的循环次数愈多，抗液化强度愈高。初始饱和度较低的土，只要动应力足够，仍然能够达到液化。由于饱和度稍有变化，孔压系数B将有很大变化，故饱和度的影响不容忽视。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所18图4-4图4-5孔压、循环次数的影响2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所19图4-6孔压、循环次数的影响2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所20（二）初始应力条件•振前土的起始应力状态，显著影响土的抗液化能力。在水平表面侧限试验条件下，上覆有效应力愈大，液化的可能性愈小，临界加速度与上覆有效应力之间具有直线关系；在三轴试验条件下，起始固结应力比愈大，抗液化的能力也愈大。•附加荷重是一种公认的抗液化措施，它可以在一定程度上弥补饱和砂土密度的不足。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所21图4-7初始应力状态的影响2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所22图4-82020/3/13广东工业大学岩土工程研究所23（三）动荷条件•动荷条件：包括动荷的波形、振幅、频率、持续时间以及作用方向等。•1、动荷波形：冲击型波荷载作用时，孔隙水压力突然增高；振动型波荷载作用时，孔隙水压力逐渐上升。•砂土的抗液化能力大小排序：冲击型波荷载→振动型波荷载→正弦波荷载。•2、振幅和频率：一定数值的振动加速度可由不同的振幅和频率组合而成。在加速度不变条件下，低频高2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所24（三）动荷条件•幅和高频低幅的不同组合对土的动力反应并无太大差别。但是一定密度和应力状态下的砂土，受高频动荷作用时则会更早达到动力屈服。•3、动荷作用的持续时间：对砂土液化的发展具有极大影响。即使动荷的幅值并不大，但若振动时间很长，也可能引起砂土的液化。•4、振动作用方向：振动方向接近土的内摩擦角时抗剪强度最低。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所25图4-9频率影响2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所26图4-10图4-112020/3/13广东工业大学岩土工程研究所27图4-12图4-132020/3/13广东工业大学岩土工程研究所28（四）排水条件•排水条件指土层的透水程度、排渗路径及排渗边界条件。一般地，细的颗粒，均匀的级配，浑圆的粒径形状，光滑的土粒表面，较低的结构强度，低的密度，高的含水率，较低的渗透性，较差的排水条件，较高的动荷强度，较长的振动持续时间，较小的法向压力都是不利于饱和砂土抗液化性能的因素；反之，饱和砂土的抗液化性能较好。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所29图4-14图4-152020/3/13广东工业大学岩土工程研究所30图4-162020/3/13广东工业大学岩土工程研究所31•评价砂土液化可能性是十分主要的问题。常用的方法有：临界孔隙比法、振动稳定密度法、临界标准贯击数法、标准爆破沉降量法、临界振动加速度法、抗液化剪应力法、波速法、综合指标法、静力触探法和统计法。以上方法的共同特点都是对比液化和抗液化的指标相对大小而作出判断。1.临界孔隙比法•将实际的孔隙比与临界孔隙比进行比较。•4.3饱和砂（粘）土液化分析与判别2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所32注意：理论根据、考虑条件。2.振动稳定密度法对比砂土的实际密度与振动稳定密度。注意：振动稳定密度的概念、与动强度的关系。3.临界标准贯入击数法对比砂土实际标准贯入击数与临界标准贯入击数。注意：临界标准贯入击数概念、与不同地震烈度的对应关系、相应计算公式。4.3饱和砂（粘）土液化分析与判别2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所334.标准爆破沉降量法对比标准爆破沉降量与液化可能沉降量。注意：标准爆破沉降量概念。5.临界加速度法对比实际可能产生的振动加速度与临界加速度。注意：临界加速度概念。6.抗液化剪应力法对比实际地震的剪应力与砂土的抗液化剪应力。注意：抗液化剪应力概念。4.3饱和砂（粘）土液化分析与判别2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所347.剪切波速法对比实际条件下土的剪切波速与可液化剪切波速，如前者大于后者，则无液化可能，反之，则液化。8.综合指标法对比实际条件下砂土的几个土性与应力条件指标和容易发生振动液化时相应指标的经验值。优则不液化，反之则液化。9.统计法对比实际条件下的液化灵敏性指标和一定保证率下的液化灵敏性指标。是一种对以往大量液化和非4.3饱和砂（粘）土液化分析与判别2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所35液化的实际资料经过统计分析来判定未来液化可能性的方法。以上各种方法都以不同方式反映了影响砂土振动液化的主要因素，可根据具体情况和实际条件加以应用。但由于各方法立足点不同，依据条件各异，因此得出的结论有时并不一致。此时，液化的可能性应根据各种方法的条件和可靠程度，最后在综合分析的基础上进行评定。4.3饱和砂（粘）土液化分析与判别2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所36饱和粉质粘土的液化分析•粉质粘土是介于砂土与粘土之间的一种过渡性土，它既具有砂土的某些特性，砂粒和粉粒含量大；又具有粘土的某些特性，有粘塑性和团粒结构。结构强度使抗液化性能提高，但粘粒的存在又使标贯击数降低。对于这类土不能仅用标贯击数来判定液化可能性，尚需考虑粘粒含量的影响。即在判别公式中引进粘粒含量，确定出临界标贯击数作为判别依据。形式上可在保持砂土已有公式基本形式的条件下作了某些修正。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所374.4液化危害性分析•有可能液化并不一定存在危害，发生液化的危险程度高，并不意味着必须采取直接措施。如果液化并不危及建筑物的稳定性，可以不去花费巨大的财力来对它作过分的处理。可液化土的处理只需与建筑物的稳定和使用要求相适应，即按建筑物的特性及液化的实际危害性采取必要的处理方法和处理措施。2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所38图4-442020/3/13广东工业大学岩土工程研究所39一、从地基方面埋深愈小，可液化土层愈厚，液化势超过抗液化势愈多，可液化土层的非液化土层愈薄，液化的危害性就愈大，液化的危害性就愈大；反之，液化的危害性就愈小。二、从基础方面基础埋置深度愈小，荷载偏心愈大，液化的危害性越大。但若基础埋置在非液化土层中，埋深使得基础与可液化土层间的非液化土层太薄，则会增大液化的危害性。4.4液化危害性分析2020/3/13广东工业大学岩土工程研究所40三、从上部结构方面上部结构的型式、刚度、质量分布和使用特点。型式、刚度和质量分布可以通过结构的基本周期来反映。在地震作用下，当可液化土层由硬变软时，地基的自振周期增长。这样，对于本来具有较长周期的建筑物会使其地震反应增大，而遭到更大的破坏，增大液化的危害性。对于同样的建筑物，当其因为使用特点可能造成次生危害，或轻微的破坏足以使生产中断，蒙受巨大损失的，也将