砂土地震液化工程地質(zhì)特性研究徐德敏.ppt

,砂土地震液化工程地質(zhì)特征研究 以硬梁包水電工程為例,匯報(bào)人：徐德敏 中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院 2012. 9.23,匯 報(bào) 提 綱,1、砂土地震液化 2、液化判別及處理措施 3、工程實(shí)例分析 4、結(jié)論與展望,砂土液化是指物質(zhì)由固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)的行為和過程，是孔隙壓力增大、有效應(yīng)力減小的結(jié)果。當(dāng)孔隙水壓力等于總壓力時(shí)，有效應(yīng)力變?yōu)榱銜r(shí)，砂土就“完全液化”。 砂土液化帶來的主要工程地質(zhì)問題是土體的抗剪強(qiáng)度不斷降低甚至喪失，所造成的工程危害主要有地面下沉、地表塌陷、地基土承載力喪失及地面流滑。,砂土液化基本含義,在低烈度6度區(qū)內(nèi)出現(xiàn)顯著液化及其導(dǎo)致的震害現(xiàn)象； 深層土的液化，液化時(shí)噴水高度10m以上，勘察結(jié)果表明此次地震20m處液化真實(shí)存在； 砂礫層液化，通過液化噴砂量和噴水時(shí)間以及工程地質(zhì)資料的綜合分析，推斷此次地震中砂礫層液化應(yīng)占很大比重。,汶川8.0級(jí)大地震中 具有與以往不同的3個(gè)突出特征：,西南地區(qū)河谷下切速度快，地殼抬升強(qiáng)烈，河床覆蓋層分布廣泛，地震烈度高，在覆蓋層上建壩較為普遍。要保證壩體絕對(duì)安全，就要求更加深入研究壩基覆蓋層在地震動(dòng)條件下的力學(xué)特性。 孔隙水壓力有個(gè)發(fā)展過程，隨著孔壓的發(fā)展，土的強(qiáng)度降低，地基的失效不一定要等到抗剪強(qiáng)度為零完全液化時(shí)才發(fā)生。 只要導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力降低，對(duì)土體的工程地質(zhì)特征產(chǎn)生了影響，都應(yīng)該定為液化的標(biāo)志，因此研究范圍應(yīng)包括砂卵礫石土、砂礫石土、粘性土，液化影響深度遠(yuǎn)超過20m。,廣義的液化研究,砂土液化影響因素,土性條件，這是產(chǎn)生液化的內(nèi)在條件，是本質(zhì)的、內(nèi)在的東西； 地震作用即動(dòng)荷條件，是液化產(chǎn)生的外因； 埋藏條件,即地質(zhì)環(huán)境條件。,研究地震液化的產(chǎn)生機(jī)理，液化變形的基本規(guī)律及物理機(jī)制； 研究液化產(chǎn)生的可能性與后果(失穩(wěn)或變形)，提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法及應(yīng)對(duì)措施。 當(dāng)液化引起的變形足以危害結(jié)構(gòu)物安全或正常使用時(shí)才造成危害，液化問題研究的核心不是強(qiáng)度，而是變形發(fā)展過程。,液化的研究方法,我國對(duì)液化問題的研究開始于20世紀(jì)50年代末，但是比較廣泛而深入地研究還是源于20世紀(jì)六七十年代國內(nèi)相繼發(fā)生的幾次破壞性大地震。隨著高地震烈度區(qū)深厚覆蓋層建壩的工程要求，液化問題研究的重要性顯得越來越突出。,液化研究的重要意義,匯 報(bào) 提 綱,1、砂土地震液化 2、液化判別及處理措施 3、工程實(shí)例分析 4、結(jié)論與展望,埋深20m內(nèi)液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計(jì)算：,式中：Ncr液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值； N0 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值； ds 飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m)； dw 地下水位(m)； c粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3； 調(diào)整系數(shù)。,埋深20m砂土液化臨界值計(jì)算公式：,標(biāo)貫法,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)精度受鉆探的成孔質(zhì)量，泥漿的稠度，貫入的操作方法的影響，不適用于含礫的砂土層，這種用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法建立起來的經(jīng)驗(yàn)公式判別法，不能反映以下3點(diǎn)： 1、地震強(qiáng)度對(duì)液化的確切影響； 2、地震持續(xù)時(shí)間對(duì)砂土層液化的影響； 3、上覆土層特性對(duì)產(chǎn)生液化的影響。,標(biāo)貫法的不足,靜力觸探試驗(yàn)適用于軟土、一般粘性土、粉土、砂土和含少量碎石的土。因試驗(yàn)人為干擾因素少，巳越來越多地被人們重視和采用。當(dāng)貫入阻力小于下式計(jì)算結(jié)果為液化土，一般適用于埋深15深度范圍內(nèi)。 Ps = Pso1一0.065(dw一2 ) (10.05( du一2),式中：Ps ：飽和砂土液化臨界貫入阻力(M Pa)； dw：地下水位深度(m )； du：上覆非液化土層厚度(m )； Pso：當(dāng) dw= 2 m， du= 2 m時(shí)， 飽和砂土的液化臨界貫入阻力(MPa),靜力觸探法,無法定量區(qū)分土性，需借助顆分試驗(yàn)來確定試驗(yàn)段土性和粘粒含量，易造成判別誤差和失誤； 探頭錐尖后部及摩擦套筒兩端作用有水壓力，會(huì)影響錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力，實(shí)測值不能代表土的真正阻力，不同的土類中，錐尖阻力的影響程度會(huì)有很大不同； 很難判斷地震過程中液化將要擴(kuò)大的程度； 在選取實(shí)測值時(shí)，該方法一般采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，受人為因素影響較大。,靜力觸探法的不足,無法定量區(qū)分土性，需要借助土工試驗(yàn)的顆 分試驗(yàn)來確定試驗(yàn)段的土性； 未考慮粉土的粘粒含量； 未考慮上覆地層的巖性和厚度。,靜力觸探法的不足,剪切波速實(shí)測數(shù)值一般采用跨孔速度測試得到，不同的規(guī)范有不同的判定標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范，當(dāng)土層的實(shí)測剪切波速度Vs大于上限剪切波速度Vst時(shí)，可判為不液化。 Vst=291（KH Z d）1/2,式中：KH：地面最大地震加速度系數(shù)，7度、8度、9度 條件下分別為0.1、0.2、0.4； Z：土層深度(m )； rd：深度折減系數(shù)。,剪切波速法,西特提出了將砂土的動(dòng)抗剪強(qiáng)度與地震引起的剪應(yīng)力進(jìn)行比較來評(píng)價(jià)砂土液化的可能性。這個(gè)方法的基本論點(diǎn)是，飽和土的抗液化能力不是取決于剪應(yīng)力的大小， 而是取決于水平剪應(yīng)力與上覆有效應(yīng)力之比。 當(dāng)現(xiàn)場抗液化剪應(yīng)力與地震引起等效剪應(yīng)力之比小于1時(shí)，認(rèn)為是可能液化土。,西特簡化法,使用于無粘性土的相對(duì)密度法； 適用于少粘性土的相對(duì)含水量或液性指數(shù)法； 剪應(yīng)力對(duì)比判別法（seed總應(yīng)力法） 剪應(yīng)變判別法 。,砂土液化的其他常規(guī)判別方法,該方法考慮了較多的判斷信息，可以避免偶然性引起的誤差，在地基條件復(fù)雜或單因素評(píng)價(jià)難以判斷時(shí)，可引入系統(tǒng)論中的層次分析法確定權(quán)重，采用模糊層次綜合評(píng)判進(jìn)行液化分析。 若選定的指標(biāo)合理, 能反映土層的特性和影響液化的主要因素, 其判別結(jié)果將是比較客觀和可靠的。,綜合評(píng)判法,基于動(dòng)力反應(yīng)分析的數(shù)值評(píng)價(jià)方法在理論上可以考慮復(fù)雜的地形條件等，可以進(jìn)行土與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用分析，其預(yù)測的精度主要依賴于所采用的本構(gòu)模型的模擬能力及模型參數(shù)確定的合理性和可靠性。,數(shù)值模擬法,難以正確地再現(xiàn)復(fù)雜往返加載過程中飽和砂土反復(fù)出現(xiàn)的剪脹，特別是反向剪縮以及體應(yīng)變不斷累積變化的規(guī)律性； 是針對(duì)初始液化前的中小變形而提出的，它們不可能正確地評(píng)價(jià)初始液化以后的靜力或者往返加載引起的大變形以及具有非穩(wěn)定特征的流滑破壞。,數(shù)值模擬法的不足,改善砂土的顆粒結(jié)構(gòu)，提高土體的密實(shí)度和顆粒骨架的穩(wěn)定性； 降低飽和砂土在周期力作用下的孔隙水壓力； 增加飽和砂土的初始應(yīng)力； 增加土層的剛度； 避免將可液化層直接作為持力層，宜盡量采用能抵抗不均勻沉降的彈性基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)有較強(qiáng)的整體性 。,工程處理措施,匯 報(bào) 提 綱,1、砂土地震液化 2、液化判別及處理措施 3、工程實(shí)例分析 4、結(jié)論與展望,壩基下細(xì)粒土層液化宏觀因素,-1層土分布圖,層底部細(xì)砂透鏡體分布圖,層頂部細(xì)砂透鏡體分布圖,層頂板埋深等值線圖,層底板埋深等值線圖,層頂板埋深等值線圖,主要擬建物下層厚度等值線分布圖,主要擬建物下層厚度等值線分布圖,壩軸線地質(zhì)剖面示意圖,水平地震動(dòng)參數(shù),地震動(dòng)峰值加速度為0.10g、0.15g、0.20g、0.30g、0.40g時(shí)，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)貫入基準(zhǔn)值N0分別為7、10、12、16、19，根據(jù)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并外延進(jìn)行曲線擬合。經(jīng)多種方法數(shù)值擬合，經(jīng)試算分析得到，在0.58g、0.69g條件下，即573gal、680gal條件下，標(biāo)準(zhǔn)貫入基準(zhǔn)值N0分別為27、34。 采用同樣方法，試算得到相應(yīng)粘粒百分含量臨界值分別為23、25。,外延液化判斷數(shù)值獲得,液化判斷結(jié)果,砂土液化等級(jí)評(píng)價(jià),混凝土閘壩采用開挖換填C10混凝土處理，深層層砂土層采用振沖碎石樁處理，樁徑1.2m，樁距2m，置換率28%； 面板堆石壩上、下游采用壓重增強(qiáng)深層抗滑穩(wěn)定，基礎(chǔ)覆蓋層上層層砂層采用振沖碎石樁處理，樁徑1.2m，樁距2.3m，置換率21%，趾板上下游范圍置換率提高至28%。,液化土層處理措施,匯 報(bào) 提 綱,1、砂土地震液化 2、液化判別及處理措施 3、工程實(shí)例分析 4、結(jié)論與展望,地震液化在場地和地基的抗震勘察設(shè)計(jì)和研究中，是最為重要最為突出的問題，對(duì)液化效應(yīng)、液化危害性的的評(píng)價(jià)，研究成果較少，遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的程度。 現(xiàn)有規(guī)范尚無對(duì)大于地震水平動(dòng)參數(shù)0.4g條件下的液化判斷標(biāo)準(zhǔn)，而很多工程建設(shè)位于高地震烈度區(qū)。這就需要突破規(guī)范、常規(guī)思維，不但Q3土層，深度大于20m土層有液化的可能，而且砂礫石、粘性土都可能產(chǎn)生液化現(xiàn)象。,對(duì)于液化判別，不論是用什么方法，都是一種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，甚至可以說這僅是一種非常粗略的概率判別或趨勢判別。 應(yīng)該以理論