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1、工程地质学资环学院 吴道祥第四章 砂土液化地震 工程地质研究砂土液化：饱饱水砂土在地震、动动力荷载载或 其它物理作用下，受到强烈振动动而丧丧失抗剪强 度，使砂粒处处于悬悬浮状态态，致使地基失效的作 用或现现象。v4.1 基本概念及研究意义v 粒间无内聚力的松散砂体，主要靠粒间摩擦 力维持本身的稳定性和承受外力。当受到振动时， 粒间剪力使砂粒间产生滑移，改变排列状态。如果 砂土原处于非紧密排列状态，就会有变为紧密排列 状态的趋势，如果砂的孔隙是饱水的，要变密实效 需要从孔隙中徘出一部分水，如砂粒很细则整个砂 体渗透性不良，瞬时振动变形需要从孔隙中排除的 水来不及排出于砂体之外，结果必然使砂体中空
2、隙 水压力上升，砂粒之间的有效正应力就随之而降低 ，当空隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零 时，砂粒就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强 度和承载能力，这就是砂土液化(sand liquefacation)。v砂土液化引起的破坏主要有以下四种：v (1)涌砂：涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃 土盐碱化、砂质化，同时造成河床、渠道、径井筒等 淤塞，使农业灌溉设施受到严重损害。v (2)地基失效：随粒间有效正应力的降低，地基 土层的承裁能力也迅速下降，甚至砂体呈悬浮状态时 地基的承栽能力完全丧失。建于这类地基上的建筑物 就会产生强烈沉陷、倾倒以至倒塌。例如，日本新泻 1964年的地震引起的砂土
3、液化，由于地基失效使建筑 物倒塌2130所，严重破坏6200所，轻微破坏31000所。 1976年唐山地震时，天津市新港望河楼建筑群，田地 基失效突然下沉38cm，倾斜度达30。(3)滑塌：由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和 流动，可引起大规模滑坡。如1964年阿拉斯加地震， 安科雷奇市就因敏感粘土层中的砂层透镜体液化而产 生大滑坡。这类滑坡可以产生在极缓，甚至水平场地 。v (4)地面沉降及地面塌陷：饱水疏松砂因振动而 变密，地面也随之而下沉，低平的滨海湖平原可因下 沉而受到海湖及洪水的浸淹，使之不适于作为建筑物 地基。例如1964年阿拉斯加地震时，波特奇市即因震 陷量大而受海潮浸淹，迫使该
4、市迁址。地下砂体大量 涌出地表，使地下的局部地带被掏空，则往往出现地 面局部塌陷，例如1976年唐山地层时宁河县富庄层后 全村下沉2.6一2.9m，塌陷区边缘出现大量宽12m的 环形裂缝，全村变为池塘。地震引起砂土液化(台中港1-4码头)v4.2 地震时砂土液化机制v4.2.1 振动液化v 砂土受振动时，每个颗粒都受到其值等于振动 加速度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。由于颗 粒间没有内聚力或内聚力很小，在惯性力周期性反复 作用下，各颗粒就都处于运动状态，它们之间必然产 生相互错动并调整其相互位置，以便降低其总势能最 终达到最稳定状态。如振动前砂体处于紧密排列状态 ，经震动后砂粒的排列和砂体
5、的孔隙度不会有很大变 化，如振动前砂土处于疏松排列状态，则每个颗粒都 具有比紧密排列高得多的势能，在振动加速度的反复 荷载作用下，必然逐步加密，以期最终成为最稳定的 紧密状态。v 如果砂土位于地下水位以上的包气带中，由于空气 可压缩又易于排出，通过气体的迅速排出立即可以完成这 种调整与变密过程，此时只有砂土体积缩小而出现的“覆 陷”现象，不会液化。如果砂土位于地下水位以下的饱水 带，情况就完全不同，此时要变密就必须排水。地层的振 动频率大约为1一2周期秒，在这种急速变化的周期性荷 载作用下，伴随每一次振动周期产生的孔隙度瞬时减小都 要求排挤出一些水，如砂的渗透性不良，排水不通畅，则 前一周期的
6、排水尚未完成，下一周期的孔隙度再减小又产 生了。应排除的水不能排出，而水又是不可压缩的，所以 孔隙水必然承受由孔隙度减小而产生的挤压力，于是就产 生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力(excess pore water pressure)。前一个周期的剩余孔隙水压尚未消散，下一 周期产生的新的剩余孔隙水压力又迭加上来，故随振动持 续时间的增长，剩余孔隙水压会不断累积而增大。v 已知饱水砂体的抗剪强度由下式确定：（n-pw)tg= 0 tg 式中：pw为孔隙水压；0为有效正压力。在地震前 外力全部由砂骨架承担，此时孔隙水压力称中性压力 ，只承担本身压力即静水压力。令此时的空隙水压力 为pw0，振动过
7、程中的剩余空隙水压力为pw，则振动 前砂的抗剪强度为：（-pw0）tg振动时： -（pw0+pw）tg（41）随pw累积性增大，最终pw0+pw，此时砂土的 抗剪强度降为零，完全不能承受外荷载而达到液化状 态v4.3 区域性砂土地震液化的形成条件v 从砂土地霞液化机制的讨论中可以得出，砂土 层本身和地震这两方面具备一定条件才能产生砂土液 化。砂土层本身方面一般认为砂土的成分、结构以及 饱水砂层的埋藏条件这几个方面需具备一定条件才易 于液化。这里需要指出的是，凡具备上述易于液化的 条件而又在广大区域内产出的砂土层，往往具有特定 的成因与时代特征。地震方面主要是地震的强烈程度 和持续时间。现根据试
8、验和地层液化区的观测资料分 别说明如下。v 4.3.1 沙土特性和饱水砂层埋藏条件及成因时代特 征v 4.3.1.1 砂土特性v 对地层液化的产生具有决定性作用的，是土在 地震时易于形成较高的剩余空隙水压力。高的剩余空 隙水压力形成的必要条件，一是地震时砂土必须有明 显的体积缩小从而产生空隙水的排水二是向砂土外 的排水滞后于砂体的振动变密，即砂体的渗透性能不 良，不利于剩余空隙水压力的迅速消散，于是随荷载 循环的增加空隙水压力因不断累积而升高。通常以砂 土的相对密度和砂土的粒径和级配来表征砂土的液化 条件。n 1 砂土的相对密度n 从动三轴试验得知,松砂极易完全液化,而密砂则 经 多次循环的动
9、荷载后也很难达到完全液化。也就 是说 ， 砂的结构疏松是液化的必要条件。表征砂土 的疏与密界限的定量指标，过去采用临界孔隙度。这 是从砂土受剪后剪切带松砂变密而密砂变松导出的一 个界限指标，即经剪切后即不变松也不变密的孔隙度 。目前较普遍采用的是相对密度Drn Dr=emaxe/emaxemin 其中：e土的天然孔隙比； emax和emin分别为该土的最大 、最小孔隙比v 2砂土的粒度和级配v 砂土的相对密度低并不是砂土地震液化的充分 条件，有些颗粒比较粗的砂，相对密度虽然很低但却 很少液化。分析邢台、通海和海城砂土液化时喷出的 78个砂样表明，粉、细砂占57.7，塑性指数7的 粉土占34.6
10、，中粗砂及塑性指数为710的粉土仅 占7.7，而且全发生在XI度烈度区。所以具备一定粒 度成分和级配是一个很重要的液化条件。v 4.3.1.2 饱水砂土层的埋藏条件v 当空隙水压大于砂粒间有效应力时才产生液化 ，而根据土力学原理可知，土粒间有效应力由土的自 重压力决定，位于地下水位以上的土内某一深度Z处 的自重压力Pz为：v Pzz (48)v式中为土的容重。如地下水埋深为h，Z位于地下 水位以下，由于地下水位以下土的悬浮减重，Z处自 重压力则应按下式计算：v Pz = h十(w)(Z-h) (49)v如地下水位位于地表，即h0，则：v Pz =( w)Z (410)v显然，最后一种情况自重压
11、力随深度的增加最小， 亦即直接在地表出露的饱水砂层最易于液化。而液化 的发展也总是由接近地表处逐步向深处发展。如液化 达某一深度z1，则z1以上通过骨架传递的有效应力即 由于液化而降为零，于是液化又由Z1向更深处发展而 达Z2直到砂粒间的侧向压力足以限制液化产生为止。 显然，如果饱水砂层埋藏较深，以至上覆土层的盖重 足以抑制地下水面附近产生液化，液化也就不会向深 处发展。 v饱水砂层埋藏条件包括地下水埋深及砂层上的非液 化粘性土层厚度这两类条件。地下水埋深愈浅，非液 化盖层愈薄，则愈易液化。 4.3.1.3 饱水砂层的成因和时代v 具备上述的颗粒细、结构疏松、上覆非液化盖 层薄和地下水埋深浅等
12、条件，而又广泛分布的砂体， 主要是近代河口三角洲砂体和近期河床堆积砂体，其 中河口三角洲砂体是造成区域性砂土液化的主要砂体 。已有的大区域砂土地震液化实例，主要形成于河口 三角洲砂体内。而是往往历史历时期或全新世形成的 疏松沉积物。v432 地震强度及持续时间v 引起砂土液化的动力是地震加速度，显然地震愈强 、加速度愈大，则愈容易引起砂土液化。简单评价砂土液 化的地震强度条件的方法是按不同烈度评价某种砂土液化 的可能性。v 例如，根据观测得出，在VII、VIII、IX度烈度区 可能液化的砂土的D50分别为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
13、的砂土的平均 粒径范围愈大。又如，烈度不同可液化砂上的相对密度值 也不同，烈度愈高可液化砂土的相对密度值也愈大。v 确切评价砂土液化的地震强度条件需实测出地震时 最大地面加速度，计算在地下某一深度处由于地震而产生 的实际剪应力，再用以判定该深度处的砂土层能否液化。v4.4 砂土地震液化的判别v4.4.1 地震液化初判的限界指标v4.4.1.1 地震条件v 1液化最大震中距v 分析我国1955年以前近900 a间历次地震喷水冒 砂资料得出震级(M)与液化最大震中距(Dmax)有如下关 系：v Dmax0.82100.862(M-5)v由上式可以判定，如M5则液化范围限于震中附近 1km之内。v
14、v 2液化最低地震烈度v 我国地震文献中没有地震震级小于5级的喷水冒 砂记录。v 故液化最低烈度为VI度。v4.4.1.2 地质条件v 震级5级震中烈度为VI度，v 近年来历次地震震后调查发现，发生液化处所 多为全新世乃至近代海相及河湖相沉积平原，河口三 角洲，特别是洼地、河流的泛滥地带、河漫滩、古河 道、滨海地带及人工填土地带等。v 4.4.1.2 埋藏条件v 1最大液化深度v 一般认为液化判别应在地下15m深度范围内进行 。最大液化深度可达20m，但对一般浅基础而言，即使 15m以下液化，对建筑物影响也极轻微。v 2最大地下水位深度v 喷砂冒水严重的地区，地下水埋深一般不超过 3m，甚至不
15、足1m，深为34m时喷砂冒水现象少见，超 过5m没有喷砂冒水实例。v 4.4.1.4 土质条件v 液化土的某些特性指标的限界值为；v (1)平均粒径(D50)为0.01一1.0mm；v (2)粘粒(粒径0.005)含量不大于10；或15 。v (3)不均匀系数()不大于10；v (4)相对密度(Dr)不大于75；v (5)级配不连续的土粒径1mm的颗粒含量大 于40；v (6)塑性指数(Ip)不大于10。v v 按上述判别条件进行初判可归纳为如图419的 流程框图。初判结果虽偏于安全，但可将广大非液化 区排除，把进一步的工作集中于可能液化区。图419 地震砂土液化限界指标初判流程图v 4.4.2 现场测试法v 经初步判别认为有可能液化或需考虑液化影响的 饱和砂土或粉土，都应进行以现场测试为主的进一步 判别。主要方法有标贯判别，静力触探判别和剪切波 速判别。其中以标贯判别简便易行最为通用。v4.4.2.l 标贯判别法v 日本新泻地震时，有两个地区的土层性质、地下 水埋深
