砂土地震液化工程地質(zhì)

3砂土地震液化工程地質(zhì)3.1概述3.2砂土地震液化的機(jī)理3.3影響砂土液化的因素3.4砂土地震液化的判別3.5砂土地震液化的防護(hù)措施3.1概述一、定義飽水砂土在地震，動(dòng)力荷載或其它外力作用下，受到強(qiáng)烈振動(dòng)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)象稱為砂土液化(sandliquefaetion)或振動(dòng)液化。地震導(dǎo)致砂土液化往往是區(qū)域性的，可使廣大地域內(nèi)的建筑物遭受毀壞地點(diǎn)：彰化縣伸港鄉(xiāng)大肚溪土壤液化921集集大地震，員林、南投、大肚溪以及臺(tái)中港等地區(qū)，都有土壤液化的現(xiàn)象，導(dǎo)致地層下陷、噴砂，房屋倒塌、傾斜、破壞的情形。陷落的情形。彰化縣伸港鄉(xiāng)大肚溪土壤化彰化縣伸港鄉(xiāng)的大肚溪口，南側(cè)河道高灘地部份，其噴砂口的形狀好像火山口，從底下湧出的泥砂，成輻射狀向四周流下。日本新瀉1964年地震時(shí)砂土液化影響。這些設(shè)計(jì)為抗震的建筑物傾斜而未受損壞。加州沃森維爾附近的野外涌沙唐山地造成的噴水冒砂區(qū)分布圖震地震導(dǎo)致的砂土液化現(xiàn)象在飽水疏松砂層廣泛：分布的海濱，湖岸，沖積平原，以及河漫灘、低階地等地區(qū)尤為發(fā)育，使位于這些地區(qū)的城鎮(zhèn)，農(nóng)村、道路，橋梁、港口、農(nóng)田、水渠、房屋等工程經(jīng)濟(jì)設(shè)施深受其害。(1)地面下沉飽水疏松砂土因振動(dòng)而趨于密實(shí)，地面隨之下沉，結(jié)果可使低平的濱海(湖)地帶居民生活受到影響，甚至無法生活。1964年阿拉斯加地震時(shí)，波特奇市因砂土液化地面下沉很多，每當(dāng)海水漲潮即受浸淹。迫使該市不得不遷址。唐山地震時(shí)，烈度為Ⅸ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)1.6-2.9m.(2)地表塌陷地震時(shí)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(shí)，即發(fā)生噴砂冒水，造成地下淘空，地表塌陷。如海城地震時(shí)，在震中以西的下遼河，盤錦地區(qū)大量噴砂冒水，一般開始于主震過后數(shù)分鐘，持續(xù)時(shí)間5—6小時(shí)甚至數(shù)日。噴出的砂水混合物高速3-5m，形成許多圓形、橢圓形陷坑，坑口直徑3—4m至7—8m，深數(shù)十厘米至數(shù)米。給交通和水利設(shè)施、農(nóng)田、房屋、地下管道和油井等造成嚴(yán)重?fù)p害。唐山地震時(shí)，自灤河口以西直至寧河一帶，數(shù)千平方公里范圍內(nèi)到處噴砂冒水，使十幾萬畝農(nóng)田被噴砂掩覆，十幾萬口機(jī)井淤塞，不少房屋和公路，鐵路橋墩毀壞。(3)地基土承載力喪失持續(xù)的地震動(dòng)使砂土中孔涼水壓力上升，而導(dǎo)致土粒間有效應(yīng)力下降．當(dāng)有效應(yīng)力趨于零時(shí)，砂粒即處于懸浮狀態(tài)，喪失承載能力，引起地基整體失效。如1064年日本新瀉地震，由于地基失效使建筑物倒塌2130座，嚴(yán)重破壞6200座，輕微破壞達(dá)31000座。唐山地震時(shí)，唐山和天津地區(qū)的許多房屋、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(shí)，地震會(huì)導(dǎo)致液化流滑而使斜坡失穩(wěn)．1960年智利8.9級(jí)大震時(shí)，內(nèi)華湖附近圣佩德羅河上最大一個(gè)滑坡體的發(fā)生，是由于粘土層中含有大量粉砂土透鏡體的液化所致(圖3-2)．有時(shí)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)爾南德地震滑移地段，地面坡度僅2度。唐山地震時(shí)，天津市河?xùn)|區(qū)柳林一帶的嚴(yán)重滑移，則為水平場地。砂土液化在宏觀震害中的雙重作用，即產(chǎn)生液化的場地往往比同一震中距范圍內(nèi)未發(fā)生液化場地的宏觀烈度要低些。這是因地震剪切波在此層中受阻(流體不能傳遞剪力)，使傳至地面上的地震波相應(yīng)地衰減。砂土地震液化問題，作為一種自然災(zāi)害現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，從20世紀(jì)60年代才開始。1864年阿拉斯加和新瀉兩次地震所造成的嚴(yán)重破壞，均為砂土液化的緣故，故在美國，日本和其它一些國家的工程地質(zhì)界引起了很大的關(guān)注。3.2砂土地震液化的機(jī)理砂土地震液化的機(jī)理影響砂土液化的因素砂土地震液化的判別防護(hù)措施等問題3.2砂土地震液化的機(jī)理飽和砂土是砂和水的復(fù)合體系。砂土是一種散體物質(zhì)，它主要依靠顆粒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粒間的法向壓力。水是一種液體，它的突出力學(xué)特性是體積難于壓縮，能承受極大的法向壓力，他不能承受剪力。泡和砂土由于孔隙水壓力Pw0作用，度將小于干砂的抗剪強(qiáng)度：σ0即為有效法向壓力。顯然σ0＞σ。在地震過程中，疏松的飽和砂土在地震動(dòng)引起約剪應(yīng)力反復(fù)作用下，砂粒問相互置必然產(chǎn)生調(diào)整，而使砂土趨于密實(shí)，以期最終達(dá)到最穩(wěn)定的緊密排列狀態(tài)。砂土要變密實(shí)就勢必排水。在急劇變化的周期性荷載作下，所伴隨的孔隙度減小都要求排擠出一些水，且透水性變差。如果砂土透水性不良而排水不通暢的話，則前一周期的排水尚末完成，下一周期的孔隙度再減少又產(chǎn)生了，應(yīng)排除的水來不及排走，而水又是不可壓縮的，于是就產(chǎn)生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力(excessporepressure)。隨振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的增長，剩余孔隙水壓力不斷疊加而積累增大，而使砂土的抗剪強(qiáng)度不斷降低，甚至完全喪失。砂土的抗剪強(qiáng)度τ與作用于該土體上的往復(fù)剪應(yīng)力τd的比值來判定砂土是否會(huì)發(fā)生液化。當(dāng)τ／τd>1時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生液化當(dāng)τ／τd=1，處臨界狀態(tài)，砂土開始發(fā)生剪切破壞；此時(shí)稱為砂土的初始液化狀態(tài)砂土的抗剪強(qiáng)度隨振動(dòng)歷時(shí)增大而降低。當(dāng)τ／τd＜1時(shí)，則沿剪切面的塑性平衡E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，直至與總法向壓力相等，有效法向壓力及抗剪強(qiáng)度均下降為零，即當(dāng)τ/τd=0時(shí)，砂土顆粒間將脫離接觸而處于懸浮狀態(tài)．此時(shí)即為完全液化狀態(tài)．

可將砂土液化的發(fā)展過程劃分為三個(gè)階段：①穩(wěn)定狀態(tài)(τ／τd>1)；②臨界狀態(tài)或初始液化狀態(tài)(τ／τd=1)；③完全液化狀態(tài)(τ/τd=0)．從初始液化狀態(tài)至完全液化狀態(tài)往往發(fā)展很快，二者界線不易判斷，為了保證安全，可把初始液化視作液化。液化的形成過程和機(jī)理西德(H．B．Seed)等人自1966年就進(jìn)行室內(nèi)動(dòng)力剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)變向循環(huán)荷裁(振動(dòng))，作用下飽和砂土最易液化。循環(huán)荷載三軸壓縮試驗(yàn)(動(dòng)三軸剪)，試樣首先在各向均等的靜壓力σa下固結(jié)，然后在不排水條件下同時(shí)在豎向上施加±1/2σd（壓、拉），側(cè)向施加±1/2σd（壓、拉）的循環(huán)荷載。循環(huán)荷載的頻率近乎地震頻率，即l-2r/s。（τd）max=（σ1-σ3）/2=σd/2為最大循環(huán)剪應(yīng)力。取松砂和密砂試樣分別進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果明顯不同。當(dāng)隨著動(dòng)荷載循環(huán)周期數(shù)的增加，孔隙水壓力不斷增大，直至Pw=σa時(shí)，砂的剪切變形開始增大。繼續(xù)反復(fù)加荷，松砂變形迅速加大，不久即全液化；而密砂變形則緩慢增大，難于全液化。當(dāng)飽和砂土完全液化時(shí)，在一定深度z處的總孔隙水壓力Pw=pw0+σ。(假設(shè)地下水面位于地表面)，其中σ=ρm·g·z;則Δpw=ρm·g·z-ρw·g·z=(ρm-ρw)·g·z=ρ′·g·z。式中ρmρ′分別為砂土的飽和密度和浮密度，ρw為水的密度。砂土的深度愈大，完全液化時(shí)的超孔隙水壓力就愈大。震前孔隙水壓力呈靜水壓力分布，不同深處測壓水位相同，無水頭差。當(dāng)振動(dòng)液化形成超孔隙水壓力以后，不同深處的測壓水位就不再相等，隨深度增加則測壓水位增高。顯然當(dāng)飽和砂土出露于地面時(shí)，該水頭將高出地面；且砂土愈厚則水頭愈高。任意深度兩點(diǎn)z1和z2之間的水頭差h可以從下式求出h=（ρm-ρw）（z2-z1）/ρw這兩點(diǎn)之間的水力梯度為，I=h/（z2-z1）=（ρm-ρw）/ρw=ρ′/ρw(3—5)此水力梯度即為完全液化的臨界水力梯度。在這個(gè)梯度作用下，砂粒就在自下而上的滲流中發(fā)生液化，地面噴砂冒水，隨之超孔隙水壓力得到消散。當(dāng)?shù)乇碛胁煌杆恼惩辽w層時(shí)，只有超孔隙水壓力超過蓋層強(qiáng)度或蓋層有裂縫時(shí)，才能沿裂縫產(chǎn)生噴砂冒水，3.3影響砂土液化的因素飽和砂土和地震是發(fā)生振動(dòng)液化的必備條件。土的類型及性質(zhì)飽和砂土的埋藏分布條件地震動(dòng)的強(qiáng)度及歷時(shí)。土的類型及性質(zhì)土的類型及性質(zhì)是砂土液化的內(nèi)因。宏觀考察資料表明，極易液化土的特征是：平均粒度0.02-0.10mm，?=2-8，粘粒含量<10%粉細(xì)砂土最易液化，避隨著地震烈度的增高，亞砂土，輕亞粘土、中砂土等也會(huì)發(fā)生液化。國內(nèi)外對(duì)地震液化噴出物作了大量的粒度分析和統(tǒng)計(jì)工作。我國對(duì)邢臺(tái)、通海和海城地震砂土液化的78件噴砂樣品粒度分析表明，粉、細(xì)砂土占57.7％，亞砂土(Ip<7)占34.6%，中粗砂土及輕亞粘土(Ip=7-10)占7.7％，而且全部發(fā)生在烈度為Ⅸ度區(qū)內(nèi)。唐山地震時(shí)天津市區(qū)為Ⅶ度區(qū)，出現(xiàn)許多亞砂土和輕亞粘土液化現(xiàn)象。其界限是：粉粒含量大于40%，極易液化；粘牲含量大于12.5%，則極難液化．粉粒含量大有助于液化，粘粒含量大則不易液化?！锩軐?shí)度松砂極易液化，密砂不易液化。相對(duì)密度Dr<50%時(shí)，很易液化，Dr>80%時(shí)，不易液化?！锍梢蚣澳甏酁闆_積成因的粉細(xì)砂土，如濱海平原、河口三角洲等。沉積年代較新：結(jié)構(gòu)松散、含水量豐富、地下水位淺根據(jù)我國一些地區(qū)液化土層的統(tǒng)計(jì)資料；最易發(fā)生液化的粒度組成特征值是：平均粒徑(d50)為0.02—0.10mm，不均粒系數(shù)(η)為2-8，粘粒含量小于10%。相對(duì)密度Dr，作為判別砂土掖化可能性的指標(biāo)。式中：e為天然孔隙比：emax和emin分別為最大、最小孔隙比。一般的情況是，Dr<50%時(shí)砂土在振動(dòng)作用下很快液化；Dr>80%時(shí)不易液化。據(jù)海城地震的統(tǒng)計(jì)資料，砂土的Dr>55%，Ⅶ度區(qū)不發(fā)生液化；Dr＞70%，Ⅷ度區(qū)也不液化；飽水砂土的成因和堆積年代對(duì)液化的影響近20多年來報(bào)道的大范圍砂土地震液化的地點(diǎn)，多位于濱海平原、河口三角洲和近期河床堆積物區(qū)。這些地區(qū)的沉積物一般是在歷史時(shí)期內(nèi)形成構(gòu)，主要為沖積成因的粉、細(xì)砂土，結(jié)構(gòu)疏松，且地下水埋深很淺。唐山地震引起的大范圍砂土液化區(qū)，位于冀東沿海平原，絕大部分是新石器時(shí)代(距今4000-5000年)以來形成的，其中又以灤河河口三角洲為主。二、飽和砂土的埋藏分布條件飽和砂層埋藏條件主要包括飽水砂層的厚度，砂層上非液化粘性土層厚度以及地下水埋深這三方面，它們決定了超孔隙水壓力和有效覆蓋壓力的大小。飽水砂層愈厚，地震變密時(shí)所產(chǎn)生的超孔隙水壓力愈大。當(dāng)液化砂層埋藏較深，上覆以較厚的非液化粘性土層時(shí)抑制了液化，而直接出露地表的飽水砂層最易于液化。一般飽水砂層埋深大于20m時(shí)難于液化，可以把液化最大地下水埋深定為5m，因?yàn)楫?dāng)?shù)叵滤裆顬?-4m時(shí)，液化現(xiàn)象很少。三、地震動(dòng)的強(qiáng)度及歷時(shí)地震動(dòng)的強(qiáng)度和歷時(shí)是砂土液化的動(dòng)力．顯然，地震愈強(qiáng)，歷時(shí)愈長，則愈易引起砂土液化；且波及范圍愈廣，破壞愈嚴(yán)重。評(píng)價(jià)地震動(dòng)強(qiáng)度的方法有兩種：統(tǒng)計(jì)的方法及理論計(jì)算的方法。1)統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)方法是一種簡單評(píng)價(jià)的方法?？梢夯巴恋钠骄?d50)范圍愈大，其相對(duì)密度(Dr)也愈大，在Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度烈度區(qū)可能液化砂土的d50分別為0.05—0.15、0.03—0.25、0.015—0.5mm。

可按下列經(jīng)驗(yàn)公式表示其關(guān)系，lgR=0.77M-3.6(3-7)式中，M為震級(jí)(一般M>6)；R為液化最遠(yuǎn)點(diǎn)的震中距(Km)。2)、理論計(jì)算方法這種計(jì)算方法一般是根據(jù)實(shí)測的地震最大地面加速度，計(jì)算在地下某深度處由于地震產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力；再用以判定該深度處的砂土層是否會(huì)發(fā)生液化。希德等人提出的計(jì)算公式為(τd)max=ρ·H·g·αmax/g=ρ·H·αmax式中(τd)max為單元土體的最大剪應(yīng)力；

ρ·H為砂土的密度及埋深Αmax為最大地面加速度3.4砂土地震液化的判別工程設(shè)計(jì)需要的判別內(nèi)容應(yīng)該包括：①估計(jì)液化的可能性；②估計(jì)掖化的范圍；③估計(jì)液化的后果。判別砂土地震液化可能性的方法較多，下面將介紹近年來國內(nèi)外最常用的三種方法：標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法、剪應(yīng)力對(duì)比法綜合指標(biāo)法。

1)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法我國已將此法列入《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB-50011-2001)。在砂土液化現(xiàn)場以砂層埋深3m、地下水埋深2m作為基本健況，通過標(biāo)貫試驗(yàn)找出不同地震烈度下的臨界貫入擊數(shù)。當(dāng)烈度為Ⅶ度時(shí)N0=6，Ⅷ度時(shí)N0=10，Ⅸ度時(shí)N0=16。則采用下述經(jīng)驗(yàn)公式修正：N=N0[1+0.125(H-3)-0.05(h-2)]式中：H為砂土埋深(m)；h為地下水埋深(m).如果實(shí)際貫入擊數(shù)大于臨界貫入擊數(shù),則不液化；反之即液化。此法適用于飽水砂土埋深在15m范圍之內(nèi).

試驗(yàn)操作方法應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，以用泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、自動(dòng)脫鉤控制吊錘為宜。對(duì)于重要的工程，每層土不應(yīng)少于5個(gè)鉆孔，試驗(yàn)次數(shù)不應(yīng)少于15次。分層求取平均值以消除偶然誤差。臨界貫入擊數(shù)隨深度的變化，在近地表處為垂直線，向下轉(zhuǎn)折成斜線，總體應(yīng)為一條折線。2)剪應(yīng)力對(duì)比法此法是希德在日本新瀉地震后提出的，是目前國內(nèi)外比較流行的判別方法，其原理是：引起砂土液化的地震剪切波大致以垂直方向自基巖向覆蓋層傳播，并在不同深處產(chǎn)生隨時(shí)間而變化的不均勻的反復(fù)剪切應(yīng)力。當(dāng)?shù)卣鸺羟胁ㄔ谏巴林幸鸬募魬?yīng)力超過該砂土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，τ/Pz=σ1/2·Cr/σαPZ為某深度z處的有效上覆壓力σ1/2/σα為動(dòng)三軸壓縮試驗(yàn)所求得的應(yīng)力比Pz有三種情況：①z處于地下水位以上，則Pz=ρ·g·z②z處于地下水位以下，則Pz=ρ·g·h+ρ′·g·(z-h)③若地下水出露地表，則Pz=ρ′·g·zτ/Pz=σ1/2·Cr/σα·Dr/0.5求出τ后再與（τd）er值對(duì)比，即可判別液化的可能性3)綜合指標(biāo)法由于砂土液化的影響因素較多,從實(shí)際資料中加以總結(jié)，用綜合指標(biāo)來更為妥當(dāng)．這是一種經(jīng)驗(yàn)判別的方法，指標(biāo)：飽和砂土的埋深（H），相對(duì)密度（Dr）、地下水埋深（h）、砂土平均粒徑（d50）、不均勻系數(shù)（η）和標(biāo)貫擊數(shù)（N63.5）等。3.5砂土地震液化的防護(hù)措施防護(hù)砂土地震液化的常用措施有：慎重選擇建筑場地、地基處理及基礎(chǔ)類型選擇等。在強(qiáng)震區(qū)，對(duì)于建筑場地應(yīng)慎重選擇。尤其是重大建筑物損壞店后果嚴(yán)重；建筑場地應(yīng)盡量避開可能液化土層分布的地段．一般應(yīng)以地形平坦，液化土層及地下水埋藏較深，上覆非液化土層較厚的地段作為建筑場地。液化砂土的地基處理措施主要有：振沖法、排滲法、強(qiáng)夯法、爆炸振密法、板樁圍封法、換土和增加蓋重等1)振沖法這種方法是本世紀(jì)加年代創(chuàng)始于德國，它對(duì)提高飽和粉、細(xì)砂土抗液化能力效果較佳，可使砂土的Dr增加到0.80。此法的主要設(shè)備是特制的振