地震作用下土的液化評述

1、地震作用下土的液化評述 l 液化液化-飽和松散的砂( 粉) 土在地震、動荷載作用下，受到強(qiáng)烈振動而喪失抗剪強(qiáng)度，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，致使地基失效的作用或現(xiàn)象。 歷史上的幾次大地震留給我們的記憶是悲慘的。在地震發(fā)生過程中土壤液化造成了觸目驚心的災(zāi)害:1976年唐山地震引起陡河、灤河、薊運(yùn)河、海河故道及月牙河等河岸滑移、地裂、噴砂, 造成唐山勝利橋、越河橋、漢沽橋等公路和鐵路橋長度縮短、橋臺傾斜、橋墩折斷落梁、河道變窄, 天津毛巾廠、天津鋼廠等單位數(shù)十棟房屋被拉斷、倒塌或開裂; 1995年的神戶大地震, 由于液化導(dǎo)致了城市道路坍塌, 河、海岸岸坡滑移, 房屋傾倒, 神戶港的許多重力式碼頭和鄰近的人

2、工島擋土墻遭到了嚴(yán)重的破壞。1999年的土耳其地震中, Adapazari市的地面遭到嚴(yán)重的破壞, 四個中心市區(qū)超過1200幢建筑倒塌或是嚴(yán)重破壞, 數(shù)百棟結(jié)構(gòu)物翹起或是陷入地下, 其部分歸因于土壤液化。這些由于液化造成的災(zāi)害促使人們?nèi)パ芯客寥赖囊夯瘑栴}。 砂土地震液化的研究 地震液化引起的地基失效 土壤液化機(jī)理影響因素強(qiáng)度失效震陷噴水冒砂砂土地震液化的機(jī)理 飽和砂土是砂和水的復(fù)合體系。在振動作用下, 飽和砂土發(fā)生液化, 是由于土顆粒間有效應(yīng)力減小而孔隙水壓力增大的結(jié)果。砂土是一種散體物質(zhì), 它主要依靠顆粒之間的摩擦力承受外力和維持本身的穩(wěn)定; 而這種摩擦力主要取決于顆粒之間的法向應(yīng)力: 水是

3、一種液體, 它的突出力學(xué)特性是體積難于壓縮, 能承受極大的法向應(yīng)力, 但不能承受剪應(yīng)力。 飽和砂土由于孔隙水壓力u0的作用, 其抗剪強(qiáng)度將小于干砂的抗剪強(qiáng)度: 式中: 為有效法向應(yīng)力, 顯然 d , 即/ d 1 時, 不會產(chǎn)生液化。 當(dāng)= d , 即/ d = 1 時, 使處于臨界狀態(tài), 砂土開始發(fā)生剪切破壞, 此時稱為砂土的初始液化狀態(tài)。砂土的抗剪強(qiáng)度隨振動歷時增大而降低。 當(dāng) d , 即/ d 1 時, 則沿剪切面的塑性平衡區(qū)迅速擴(kuò)大, 導(dǎo)致剪切破壞加劇。而當(dāng)孔隙水壓力繼續(xù)上升, 直至與總應(yīng)力相等; 有效法向應(yīng)力及抗剪強(qiáng)度均下降為零, 即當(dāng)/d = 0 時, 砂土顆粒間將脫離接觸而處于懸

4、浮狀態(tài)。此時即為完全液化狀態(tài)。 從初始液化狀態(tài)至完全液化狀態(tài)往往發(fā)展很快, 二者界線不易判別。為了保證安全, 可把初始液化視作液化。地震力作用下影響飽和砂土液化的因素 顆粒特征: 反映土的顆粒特征的物理指標(biāo), 我們主要采用平均粒徑d50 , 不均勻系數(shù)C,以及粘粒含量Mc。 實驗室的研究和現(xiàn)場觀察證明: 平均粒徑越大, 不均勻系數(shù)越高, 粘粒含量增加, 土的抗液化能力越高。 土的密度特征: 一般用相對密度來衡量. 對同一種砂土而言, 相對密度越低, 越易液化; 反之, 越不易液化. 松砂在振動中, 體積易于壓縮( 剪縮) , 孔隙水壓力上升快, 故較密砂易液化。 土的起始應(yīng)力條件: 土的起始應(yīng)

5、力條件顯著地影響著土的抗液化能力. 在側(cè)限實驗條件下, 應(yīng)力狀態(tài)常用覆蓋有效壓力表示。越大, 土的抗液化能力越強(qiáng)。 地震情況: 主要指地震的振幅、頻率、持續(xù)時間等. 實驗表明, 振幅越大、頻率越高、持續(xù)時間越長,砂土越易液化。 地下水位的高低: 地下水位越高, 土層越易液化; 反之, 越難液化。 土層的排水條件: 排水條件包括土的透水程度、排滲路徑及排滲邊界條件。 土層的排水條件越好, 超靜孔隙水壓力越易消散, 所以液化的可能性相對越小; 反之, 越大。 以上諸因素共同作用, 決定了飽和砂土是否液化。飽和砂土地震液化危害 飽和砂土地震液化危害性歸納起來主要有以下四個方面。 1.地面下沉 飽和疏

6、松砂土因振動而趨于密實, 地面隨之下沉, 結(jié)果可使低平的濱海地帶居民生計受到影響,甚至無法生活。唐山地震時烈度為 度的天津漢沽區(qū)富莊大范圍下沉, 原來平坦的地面整體下沉達(dá)1.6 2.9 m。 2.地表塌陷 地震時砂土中孔隙水壓力劇增, 當(dāng)砂土出露地表或其上覆土層較薄時, 即發(fā)生噴砂冒水, 造成地下淘空, 地表塌陷。我國海域和唐山兩次大地震,均導(dǎo)致了附近濱海沖擊平原上大面積噴砂冒水。噴出的砂水混合物高達(dá)3 5 m, 形成了許多圓形、橢圓形陷坑, 坑口直徑3 8 m。 3.地基土承載力喪失 持續(xù)的地震會使砂土中空隙水壓力上升, 而導(dǎo)致土粒中有效壓力下降。當(dāng)有效壓力趨于零時, 砂粒即處于懸浮狀態(tài),

7、喪失承載能力, 引起地基整體失效。唐山地震時, 唐山和天津地區(qū)許多房屋、橋梁和鐵路路段也因地基失效而破壞。 4.地面流滑 斜坡上若有液化土層分布時, 地震會導(dǎo)致液化流滑而使斜坡失穩(wěn)。有時場地地面極緩, 甚至近于水平也發(fā)生滑移。如: 1971年美國圣費(fèi)爾德地震滑移地段, 地面坡度僅為2度。而唐山地震時, 天津市河?xùn)|區(qū)柳林一帶的嚴(yán)重滑移, 則為水平場地。強(qiáng)度失效 根據(jù)庫侖定律, 在動力作用下的無粘性土, 其強(qiáng)度為: 式中-總應(yīng)力; u -孔隙水壓力; -土的動力作用下的內(nèi)摩擦角。 土層液化時,孔壓u急劇上升,來不極消散,當(dāng)u=時, =0,地基完全喪失強(qiáng)度,產(chǎn)生大幅度的沉陷。 孔壓有個發(fā)展過程,隨著

8、孔壓的發(fā)展,土的強(qiáng)度降低, 當(dāng)達(dá)到與剪應(yīng)力相等時,呈極限平衡狀態(tài), 此時孔壓繼續(xù)增長, 土體破壞。因此, 地基的失效不一定要等到=0完全液化時才發(fā)生。tan 試驗和計算都證明, 在有建筑物的情況下, 由于基礎(chǔ)附加應(yīng)力的作用, 其液化勢的分布, 與一維水平層的自由場情況是不同的。直接位于基礎(chǔ)下的土, 由于附加應(yīng)力的抑制而較難液化; 位于基礎(chǔ)外側(cè)的淺層土最易液化。以同一標(biāo)高的不同水平位置相比, 液化難易程度的次序是, 基礎(chǔ)外側(cè)最先液化, 自由場次之, 基礎(chǔ)下最晚。據(jù)陳克景、劉忠珊的研究, 在達(dá)到極限平衡狀態(tài)時, 基礎(chǔ)下土的孔壓比最大值一般在0.5以下, 基礎(chǔ)兩側(cè)為0.8-1.0,自由場不大于0.8

9、。因此,液化地基的破壞是由于基礎(chǔ)外側(cè)土首先軟化和液化, 中間土失去側(cè)向支承力的結(jié)果。具體地說,基礎(chǔ)兩側(cè)土軟化后, 土中附加應(yīng)力重分布, 基礎(chǔ)下的土應(yīng)力增加; 兩側(cè)土液化后附加應(yīng)力完全集中在基礎(chǔ)下的土上, 基礎(chǔ)下的土自身軟化, 又失去兩則土的支承. 導(dǎo)致失穩(wěn)和大量沉陷。 以上論述可以得到以下幾點重要結(jié)論; (1) 在最大孔壓比達(dá)到液化之前, 地基即已產(chǎn)生可觀的沉陷, 故孔壓比不宜大于0.6-0.7 ; (2) 基礎(chǔ)外側(cè)比自由場更易液化; (3) 寬度大的基礎(chǔ)有利于抗震; (4) 地震時可液化的土不應(yīng)直接作為基礎(chǔ)的持力層。震陷 震陷是地震引起的土的豎向殘余變形。廣義的震陷由以下三部分組成: (l)

10、 殘余體積變形; (2) 殘余的土體形變, 由側(cè)脹及剪切變形引起; (3) 噴水冒砂的水土流失導(dǎo)致的震陷。 在以上三部分中, 由于地基失穩(wěn)基礎(chǔ)滑動而產(chǎn)生的沉陷以及噴水冒水上流失產(chǎn)生的豎向變形, 數(shù)值很大, 但還不能定量計算, 難以預(yù)測。殘余體積變形是地震時受動剪應(yīng)力作用, 砂土變密, 孔隙水排出的固結(jié)變形。砂土越松, 烈度越高, 砂層越厚, 變形(震陷) 越大,一般不超過5%, 常見2%以下。噴水冒砂 噴冒的主要危害是: (l) 噴冒造成大量水土流失, 地面和建筑物大幅沉陷, 其數(shù)值尚無法定量預(yù)測。 (2) 噴冒使土變得極不均勻, 噴冒孔周圍上結(jié)構(gòu)完全改變, 極為松散, 標(biāo)貫擊數(shù)甚至為零。據(jù)實測資料, 總的規(guī)律