地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液化

1、地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液化第1頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二7.1 基本概念及研究意義 粒間無(wú)內(nèi)聚力的松散砂體，主要靠粒間摩擦力維持本身的穩(wěn)定性和承受外力。當(dāng)受到振動(dòng)時(shí)，粒間剪力使砂粒間產(chǎn)生滑移，改變排列狀態(tài)。如果砂土原處于非緊密排列狀態(tài)，就會(huì)有變?yōu)榫o密排列狀態(tài)的趨勢(shì)，如果砂的孔隙是飽水的，要變密實(shí)效需要從孔隙中徘出一部分水，如砂粒很細(xì)則整個(gè)砂體滲透性不良，瞬時(shí)振動(dòng)變形需要從孔隙中排除的水來不及排出于砂體之外，結(jié)果必然使砂體中空隙水壓力上升，砂檢之間的有效正應(yīng)力就隨之而降低，當(dāng)空隙水壓力上升到使砂粒間有效正應(yīng)力降為零時(shí)，砂欽就會(huì)懸浮于水中，砂體也就完全喪失了強(qiáng)度和承載

2、能力，這就是砂土液化(sand liquefacation)。這種秒水懸浮液在第2頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二砂土液化引起的破壞主要有以下四種： (1)涌砂：涌出的砂掩蓋農(nóng)田，壓死作物，使沃土鹽堿化、砂質(zhì)化，同時(shí)造成河床、渠道、徑井筒等淤塞，使農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施受到嚴(yán)重?fù)p害。 (2)地基失效：隨粒間有效正應(yīng)力的降低，地基土層的承裁能力也迅速下降，甚至砂體呈懸浮狀態(tài)時(shí)地基的承栽能力完全喪失。建于這類地基上的建筑物就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈沉陷、傾倒以至倒塌。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，嚴(yán)重破壞6200所，輕微破壞31000所。第3頁(yè)

3、，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二1976年房山地層時(shí)，天津市新港望河樓建筑群，田地基失效突然下沉38cm，傾斜度達(dá)30。 (3)滑塌：由于下伏砂層或敏感粘土層震動(dòng)液化和流動(dòng)，可引起大規(guī)?；隆Ｈ?964年阿拉斯加地震，安科雷奇市就因敏感粘土層中的砂層透鏡體液化而產(chǎn)生大滑坡。這類滑坡可以產(chǎn)生在極緩，甚至水平場(chǎng)地。 (4)地面沉降及地面塌陷：飽水疏松砂因振動(dòng)而變密，地面也隨之而下沉，低平的濱海湖平原可因下沉而受到海湖及洪水的浸淹，使之不適于作為建筑物地基。例如1964年阿拉斯加地震時(shí)，波特奇市即因震陷量大而受海潮浸淹，第4頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，

4、星期二迫使該市遷址。地下砂體大量涌出地表，使地下的局部地帶被掏空，則往往出現(xiàn)地面局部塌陷，例如1976年唐山地層時(shí)寧河縣富莊層后全村下沉2.6一2.9m，塌陷區(qū)邊緣出現(xiàn)大量寬12m的環(huán)形裂縫，全村變?yōu)槌靥?。?頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二地震引起砂土液化(臺(tái)中港1-4碼頭)第6頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二7.2 地震時(shí)砂土液化機(jī)制 振動(dòng)液化 砂土受振動(dòng)時(shí)，每個(gè)顆粒都受到其值等于振動(dòng)加翅度與顆粒質(zhì)量乘積的慣性力的反復(fù)作用。由于顆粒間沒有內(nèi)聚力或內(nèi)聚力很小，在慣性力周期性反復(fù)作用下，各顆粒就都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，它們之間必然產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)并調(diào)整其

5、相互位置，以便降低其總勢(shì)能最終達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)。如振動(dòng)前砂體處于緊密排列狀態(tài)，經(jīng)震動(dòng)后砂粒的排列和砂體的孔隙度不會(huì)有很大變化，如振動(dòng)前砂土處于疏松排列狀態(tài)，則每個(gè)第7頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二顆粒都具有比緊密排列高得多的勢(shì)能，在振動(dòng)加速度的反復(fù)荷載作用下，必然逐步加密，以期最終成為最穩(wěn)定的緊密狀態(tài)。 如果砂土位于地下水位以上的包氣帶中，由于空氣可壓縮又易于排出，通過氣體的迅速排出立即可以完成這種調(diào)整與變密過程，此時(shí)只有砂土體積縮小而出現(xiàn)的“覆陷”現(xiàn)象，不會(huì)液化。如果砂土位于地下水位以下的飽水帶，情況就完全不同，此時(shí)要變密就必須排水。地層的振動(dòng)頻率大約為1一2周期秒

6、，在這種急速變化的周期性荷載作用下，伴隨每一次振動(dòng)周期產(chǎn)生的孔隙度瞬時(shí)減小都要求排擠出一些水，第8頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二如砂的滲透性不良，排水不通暢，則前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再減小又產(chǎn)生了。應(yīng)排除的水不能排出，而水又是不可壓縮的，所以孔隙水必然承受由孔隙度減小而產(chǎn)生的擠壓力，于是就產(chǎn)生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力(excess pore water pressure)。前一個(gè)周期的剩余孔隙水壓尚未消散，下一周期產(chǎn)生的新的剩余孔隙水壓力又迭加上來，故隨振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，剩余孔隙水壓會(huì)不斷累積而增大。 已知飽水砂體的抗剪強(qiáng)度由下式確定： （

7、n-pw)tg= 0 tg第9頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二式中：pw為孔隙水壓；0為有效正壓力。在地震前 外力全部由砂骨架承擔(dān)，此時(shí)孔隙水壓力稱中性壓力，只承擔(dān)本身壓力即靜水壓力。令此時(shí)的空隙水壓力為pw0，振動(dòng)過程中的剩余空隙水壓力為pw，則振動(dòng)前砂的抗剪強(qiáng)度為： （-pw0）tg 振動(dòng)時(shí)： -（pw0+pw）tg（71） 隨pw累積性增大，最終pw0+pw，此時(shí)砂土的抗剪強(qiáng)度降為零，完全不能承受外荷載而達(dá)到液化狀態(tài)。第10頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二7.3 區(qū)域性砂土地震液化的形成條件 從砂土地霞液化機(jī)制的討論中可以得出，砂土層本

8、身和地震這兩方面具備一定條件才能產(chǎn)生砂土液化。砂上層本身方面一般認(rèn)為砂土的成分、結(jié)構(gòu)以及飽水砂層的埋藏條件這幾個(gè)方面需具備一定條件才易于液化。這里需要指出的是，凡具備上述易于液化的條件而又在廣大區(qū)域內(nèi)產(chǎn)出的砂土層，往往具有特定的成因與時(shí)代特征。地震方面主要是地震的強(qiáng)烈程度和持續(xù)時(shí)間。現(xiàn)根據(jù)試驗(yàn)和地層液化區(qū)的觀測(cè)資料分別說明如下。第11頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 7.3.1 沙土特性和飽水砂層埋藏條件及成因時(shí)代特征 砂土特性 對(duì)地層液化的產(chǎn)生具有決定性作用的，是土在地震時(shí)易于形成較高的剩余空隙水壓力。高的剩余空隙水壓力形成的必要條件，一是地震時(shí)砂土必須有明顯的體積

9、縮小從而產(chǎn)生空隙水的排水二是向砂土外的排水滯后于砂體的振動(dòng)變密，即砂體的滲透性能不良，不利于剩余空隙水壓力的迅速消散，于是隨荷載循環(huán)的增加空隙水壓力因不斷累積而升高。通常以砂土的相對(duì)密度和砂土的粒徑和級(jí)配來表征砂土的液化條件。第12頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 1 砂土的相對(duì)密度 從動(dòng)三軸試驗(yàn)得知,松砂極易完全液化,而密砂則經(jīng) 多次循環(huán)的動(dòng)荷載后也很難達(dá)到完全液化。也就是說 ， 砂的結(jié)構(gòu)疏松是液化的必要條件。表征砂土的疏與密界限的定量指標(biāo)，過去采用臨界孔隙度。這是從砂土受剪后剪切帶松砂變密而密砂變松導(dǎo)出的一個(gè)界限指標(biāo)，即經(jīng)剪切后即不變松也不變密的孔隙度。目前較普遍

10、采用的是相對(duì)密度Dr Dr=emaxe/emaxemin其中：e土的天然空隙比； emax和emin分別為該土的最大。 最小空隙比 第13頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 2砂土的粒度和級(jí)配 砂土的相對(duì)密度低并不是砂土地震液化的充分條件，有些顆粒比較粗的砂，相對(duì)密度雖然很低但卻很少液化。分析邢臺(tái)、通海和海城砂土液化時(shí)噴出的78個(gè)砂樣表明，粉、細(xì)砂占57.7，塑性指數(shù)7的粉土占34.6，中粗砂及塑性指數(shù)為710的粉土僅占7.7，而且全發(fā)生在XI度烈度區(qū)。所以具備一定粒度成分和級(jí)配是一個(gè)很重要的液化條件。第14頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 7

11、.3.1.2 飽水砂土層的埋藏條件 當(dāng)空隙水壓大于砂粒間有效應(yīng)力時(shí)才產(chǎn)生液化，而根據(jù)土力學(xué)原理可知，土粒間有效應(yīng)力由土的自重壓力決定，位于地下水位以上的土內(nèi)某一深度Z處的自重壓力Pz為： Pzz (78)式中為土的容重。如地下水埋深為h，Z位于地下水位以下，由于地下水位以下土的懸浮減重，Z處自重壓力則應(yīng)按下式計(jì)算： Pz = h十(w)(Z-h) (79)第15頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二如地下水位位于地表，即h0，則： Pz =( w)Z (710)顯然，最后一種情況自重壓力隨深度的增加最小，亦即直接在地表出露的飽水砂層最易于液化。而液化的發(fā)展也總是由接近地表處

12、逐步向深處發(fā)展。如液化達(dá)某一深度z1，則z1以上通過骨架傳遞的有效應(yīng)力即由于液化而降為零，于是液化又由Z1向更深處發(fā)展而達(dá)Z2直到砂粒間的側(cè)向壓力足以限制液化產(chǎn)生為止。顯然，如果飽水砂層埋藏較深，以至上覆土層的蓋重足以抑制地下水面附近產(chǎn)生液化，液化也就不會(huì)向深處發(fā)展。 第16頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 飽水砂層埋藏條件包括地下水埋深及砂層上的非液化粘性土層厚度這兩類條件。地下水埋深愈淺，非液化蓋層愈薄，則愈易液化。 7.3.1.3 飽水砂層的成因和時(shí)代 具備上述的顆粒細(xì)、結(jié)構(gòu)疏松、上覆非液化蓋層薄和地下水埋深淺等條件，而又廣泛分布的砂體，主要是近代河口三角洲砂體

13、和近期河床堆積砂體，其中河口三角洲砂體是造成區(qū)域性砂土液化的主要砂體。已有的大區(qū)域砂土地震液化實(shí)例，主要形成于河口三角洲砂體內(nèi)。而是往往歷史歷時(shí)期或全新世形成的疏松沉積物。第17頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二732 地震強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間 引起砂土液化的動(dòng)力是地震加速度，顯然地震愈強(qiáng)、加速度愈大，則愈容易引起砂土液化。 簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)砂土液化的地震強(qiáng)度條件的方法是按不同烈度評(píng)價(jià)某種砂土液化的可能性。例如，根據(jù)觀測(cè)得出，在VII、VIII、IX度烈度區(qū)可能液化的砂土的D50分別為0.05一0.15，0.03一0.25，0.015一0.5mm。亦即地震烈度愈高，可液化的砂土的平均

14、粒徑范圍愈大。第18頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二又如，烈度不同可液化砂上的相對(duì)密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相對(duì)密度值也愈大。 確切評(píng)價(jià)砂土液化的地震強(qiáng)度條件需實(shí)測(cè)出地震時(shí)最大地面加速度，計(jì)算在地下某一深度處由于地震而產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力，再用以判定該深度處的砂土層能否液化。第19頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二7.4 砂土地震液化的判別7.4.1 地震液化初判的限界指標(biāo)7.4.1.1 地震條件 1液化最大震中距 分析我國(guó)1955年以前近900 a間歷次地震噴水冒砂資料得出震級(jí)(M)與液化最大震中距(Dmax)有如下關(guān)系： Dmax0.8

15、2100.862(M-5)由上式可以判定，如M5則液化范圍限于震中附近1km之內(nèi)。 第20頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 2液化最低地震烈度 我國(guó)地震文獻(xiàn)中沒有地震震級(jí)小于5級(jí)的噴水冒砂記錄。故液化最低烈度為VI度。7.4.1.2 地質(zhì)條件 震級(jí)5級(jí)震中烈度為VI度， 近年來歷次地震震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生液化處所多為全新世乃至近代海相及河湖相沉積平原，河口三角洲，特別是洼地、河流的泛濫地帶、河漫灘、古河道、濱海地帶及人工填土地帶等。第21頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 7.4.1.2 埋藏條件 1最大液化深度 一般認(rèn)為液化判別應(yīng)在地下15m深

16、度范圍內(nèi)進(jìn)行。最大液化深度可達(dá)20m，但對(duì)一般淺基礎(chǔ)而言，即使15m以下液化，對(duì)建筑物影響也極輕微。 2最大地下水位深度 噴砂冒水嚴(yán)重的地區(qū)，地下水埋深一般不超過3m，甚至不足1m，深為34m時(shí)噴砂冒水現(xiàn)象少見，超過5m沒有噴砂冒水實(shí)例。工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(TJll85)第22頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 7.4.1.4 土質(zhì)條件 液化土的某些特性指標(biāo)的限界值為； (1)平均粒徑(D50)為0.01一1.0mm； (2)粘粒(粒徑0.005)含量不大于10；或15。 (3)不均勻系數(shù)()不大于10； (4)相對(duì)密度(Dr)不大于75； (5)級(jí)配不連續(xù)的土

17、粒徑1mm的顆粒含量大于40； (6)塑性指數(shù)(Ip)不大于10。 第23頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 按上述判別條件進(jìn)行初判可歸納為如圖719的流程框圖。初判結(jié)果雖偏于安全，但可將廣大非液化區(qū)排除，把進(jìn)一步的工作集中于可能液化區(qū)。第24頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二圖719 地震砂土液化限界指標(biāo)初判流程圖第25頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 7.4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法 幾經(jīng)初步判別認(rèn)為有可能液化或需考慮液化影響的飽和砂土或粉土，都應(yīng)進(jìn)行以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為主的進(jìn)一步判別。主要方法有標(biāo)貫判別，靜力觸探判別和剪切波速判別。

18、其中以標(biāo)貫判別簡(jiǎn)便易行最為通用。7.4.2.l 標(biāo)貫判別法 日本新瀉地震時(shí)，B區(qū)與C區(qū)(圖712)的土層性質(zhì)、地下水埋深均相同，但液化程度和建筑物損害情況B區(qū)比C區(qū)輕得多，以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法探測(cè)土層性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在地表到4.5米第26頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二深以內(nèi)，二者貫入擊數(shù)基本相同，而自4.5m至約14m處，B區(qū)的貫人擊數(shù)顯著高于C區(qū)(圖720)。所以國(guó)外多采用標(biāo)準(zhǔn)貫人擊數(shù)值來進(jìn)行液化可能性的初步判斷。 工業(yè)民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（TJ1174）的砂土地震液化判別式（715）所用資料主要主要取自1966年邢臺(tái)地震，震級(jí)較低，未考慮高震級(jí)遠(yuǎn)震的情況，且未考慮粘粒的

19、影響，砂層埋深（ds ）和地下水埋深（ dw）的影響系數(shù)也不利于深層土的判別。所以新的工業(yè)民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ1189將上述判別式修訂為：第27頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 式中：pc為粘粒含量百分?jǐn)?shù)，小于3或砂土?xí)r取3。標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值N0的取值需考慮近震和遠(yuǎn)震的區(qū)別按表73取值。 烈度震中距近震61016遠(yuǎn)震81218表73 N0的取值第28頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二7.4.2.2 剪切波速判別 利用剪切波速Vs與標(biāo)貫擊數(shù)N值之間的相關(guān)性，可以將以N為判據(jù)的判別式轉(zhuǎn)換為Vs為判據(jù)的判別式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)研究與相關(guān)分析， Vs與

20、N之間的一般關(guān)系式為： Vs 100N0.2 （717）令Vs為液化臨界剪切波速； Vs為液化臨界剪切波速基準(zhǔn)值，則式716可以轉(zhuǎn)換為如下形式： （7-18）Vs與N0的對(duì)應(yīng)值見表74。N06810121618Vs（m/s)145150160165175180表74 Vs與N0的對(duì)應(yīng)值第29頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 理論計(jì)算判別 國(guó)外最常用的理論計(jì)算判別是由HB希德所提出的判別方法及準(zhǔn)則，即根據(jù)土的動(dòng)三軸試驗(yàn)求出的應(yīng)力比(b a ，即最大動(dòng)循環(huán)剪應(yīng)力max與初期圍限壓力a之比)和某一深度土層的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)(土層有效上覆壓力)，計(jì)算出能引起該砂土層液化的剪應(yīng)力，

21、實(shí)際上此剪應(yīng)力就相當(dāng)于該砂土層抗剪液化的抗剪強(qiáng)度，如果取得的值小于據(jù)地震加速度求得的等效平均剪應(yīng)力(a)，則可能液化，其表示式為： a第30頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二7.5 砂土地震液化的防護(hù)措施建筑類別地基液化等級(jí)輕微中等嚴(yán)重甲類特殊考慮乙類B或CA或B+CA丙類C或DC或其它更高措施AB+C丁類DDC或其它更經(jīng)濟(jì)措施表76 抗液化措施選擇原則注：A.為全部消除地基液化沉陷的措施，為采用樁基、深基礎(chǔ)、深層處理至液化深度以下或挖除全部液化層； B.為部分消除地基液化沉陷措施，如處理或挖除部分液化土層等； C.為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施，一般包括減少或適應(yīng)不均

22、勻沉陷的各項(xiàng)構(gòu)造措施； D.為可不采取措施。第31頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 7.5.1 良好場(chǎng)地的選擇 人工改良地基 采取措施消除液化可能性或限制其液化程度。主要有增加蓋重、換土、增加可液化砂土層密實(shí)程度和加速空隙水壓力消散等措施。 7.5.2.1 增加蓋重 新澙地震時(shí)強(qiáng)烈液化的C區(qū)，有的建筑物建于原地面上填有3m厚的填土層上，周圍建筑物強(qiáng)烈損壞而此建筑物則無(wú)損害。填土厚度應(yīng)使飽水砂層頂面的有效壓重大于可能產(chǎn)生液化的臨界壓重。第32頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二7.5.2.2 換土 適用于表層處理一股在地表以下3-6m有易液化土層時(shí)

23、可以挖除回填以壓實(shí)粗砂。 7.5.2.3 改善飽水砂層的密實(shí)程度 1爆炸振密法 一般用于處理土壩等底面相當(dāng)大的建筑物的地基。在地基范圍內(nèi)每隔一定距離埋炸藥，群孔起爆使砂層液化后靠自重排水沉實(shí)。對(duì)均勻、疏松的飽水中細(xì)砂效果良好。第33頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)27分，星期二 2強(qiáng)夯與碾壓 在松砂地基表面采用夯錘或振動(dòng)碾壓機(jī)加固砂層，能提高砂層的相對(duì)密度，增強(qiáng)地基抗液化能力。 強(qiáng)夯是使重錘(重830t)從高處(一般為6-30m)自由落下，夯擊能使土體內(nèi)產(chǎn)生沖擊波應(yīng)力，土體局部液化下沉而壓密。我國(guó)溏沽用的夯錘底面22m，重10t，夯10-14擊后，地面下沉量達(dá)0.55m，影響深度9-9.5m，承載力提高