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1、第七章第七章 地震导致的区域性砂土液化地震导致的区域性砂土液化 （1 1）基本概念及研究意义；）基本概念及研究意义；（2 2）地震时砂土液化机制；）地震时砂土液化机制；（3 3）区域性砂土地震液化的形成条件；）区域性砂土地震液化的形成条件；（4 4）砂土地震液化的判别；）砂土地震液化的判别；（5 5） 砂土地震液化的防护措施砂土地震液化的防护措施7.1 7.1 基本概念及研究意义基本概念及研究意义一、基本概念一、基本概念 砂土砂土无粘性土：无粘性土：干砂土振动密实效应干砂土振动密实效应饱水砂土振动液化饱水砂土振动液化1 1、砂土液化、砂土液化 对于对于饱和砂土饱和砂土，在，在振动荷载振动荷载的
2、作用下，空隙水压力上升到的作用下，空隙水压力上升到使砂粒间使砂粒间有效正应力降为零有效正应力降为零时，砂体就会悬浮于水中，砂体也时，砂体就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化砂土液化。饱水的粉细砂或轻亚粘土在地震力的作用下瞬时失掉强度，由饱水的粉细砂或轻亚粘土在地震力的作用下瞬时失掉强度，由固态变成液体状态的力学过程固态变成液体状态的力学过程 砂水悬浮液砂水悬浮液在上覆土层压力在上覆土层压力作用下，可能冲作用下，可能冲破土层薄弱部位破土层薄弱部位喷到地表，这就喷到地表，这就是是喷水冒砂现象喷水冒砂现象。 地震引起的砂土液化实例地震引起
3、的砂土液化实例l19641964年年6.166.16，日本，日本新寫发生新寫发生7.57.5级地震，级地震，因地基土发生液化因地基土发生液化造成破坏。造成破坏。l19951995年年1.171.17，发生，发生在神户的李氏在神户的李氏7.27.2级级地震造成桥梁地基地震造成桥梁地基及结构破坏。及结构破坏。二、砂土液化引起的破坏二、砂土液化引起的破坏 涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃土盐碱涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃土盐碱化、砂质化，同时造成河床、渠道、径井筒等化、砂质化，同时造成河床、渠道、径井筒等 淤淤塞，使农业灌溉设施受到严重损害。塞，使农业灌溉设施受到严重损害。1 1、涌砂、涌砂 日
4、本新泻日本新泻19641964年的地震引起的砂土液化，由于年的地震引起的砂土液化，由于地地基失效基失效, , 建筑物倒塌建筑物倒塌21302130所，严重破坏所，严重破坏62006200所，所，轻微破坏轻微破坏3100031000所。所。 19761976年唐山地震时，天津市年唐山地震时，天津市新港望河楼新港望河楼建筑群，建筑群，地基失效突然地基失效突然 下沉下沉38cm38cm，倾斜度达，倾斜度达3030。2 2、地基失效、地基失效由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和流动，可引起由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和流动，可引起大规模滑坡大规模滑坡。3 3、滑塌、滑塌 19641964年阿拉斯加地
5、震，年阿拉斯加地震，安科雷奇市安科雷奇市就因敏感粘土就因敏感粘土层中的砂层层中的砂层透镜体透镜体液化而产生大滑坡。这类滑坡可以液化而产生大滑坡。这类滑坡可以产生在极缓，甚至水平场地。产生在极缓，甚至水平场地。 19641964年阿拉斯加地震时，年阿拉斯加地震时，波特奇市波特奇市即因震即因震陷大而受海潮浸淹，迫使该市迁址。陷大而受海潮浸淹，迫使该市迁址。 1976 1976 年年, ,唐山地震时唐山地震时宁河县富庄村下沉宁河县富庄村下沉2.6-2.9m2.6-2.9m，塌陷区边缘出现大量宽，塌陷区边缘出现大量宽 1-2m1-2m的环的环形裂缝，全村变为池塘。形裂缝，全村变为池塘。 4 4、地面沉
6、降及地面塌陷、地面沉降及地面塌陷 地震液化机制远比一般振动液化复杂。地震液化机制远比一般振动液化复杂。地震液化地震液化: :先后相继发生的先后相继发生的振动液化振动液化+ +渗流液化渗流液化7.2 7.2 地震时砂土液化机制地震时砂土液化机制一、振动液化一、振动液化 如振动前砂土处于紧密排列状态如振动前砂土处于紧密排列状态 如果砂土位于地下水位以上的包气带中如果砂土位于地下水位以上的包气带中 如果砂土位于地下水位以下的饱水带如果砂土位于地下水位以下的饱水带 振动液化振动液化 受振动时，每个颗粒都受到其值为受振动时，每个颗粒都受到其值为振动加速度与颗粒振动加速度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。
7、质量乘积的惯性力的反复作用。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运动状态，振动前紧密状态振动前紧密状态，震后排列和孔隙度不会有很大变化，振动前疏松状态振动前疏松状态，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。砂土位于地下水位以下的饱水带地下水位以下的饱水带，要变密就必须排水排水。急速变化的周期性荷载作用下，产生的孔隙度孔隙度瞬时减小都要求排挤出一些水， 砂的渗透性不良，排水不通畅，前一周期的排水尚未完砂的渗透性不良，排水不通畅，前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再减小又产生了。成，下一周期的
8、孔隙度再减小又产生了。孔隙水必然承孔隙水必然承受由孔隙度减小而产生的挤压力，生了剩余孔隙水压力受由孔隙度减小而产生的挤压力，生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力或超孔隙水压力(excess pore water pressure)(excess pore water pressure)。随振动持随振动持续时间的增长，剩余孔隙水压会不断累积而增大。续时间的增长，剩余孔隙水压会不断累积而增大。 空隙水压力为空隙水压力为pw0，振动过程中的剩余空隙水压力为，振动过程中的剩余空隙水压力为pw 振动前振动前 （-pw0）tg 振动时振动时： -（pw0+pw）tg 随随pw累积性增大，最终累积性增大，最终p
9、w0+pw，此时砂土的抗，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。剪强度降为零，完全不能承受外荷载而达到液化状态。振动液化形成超空隙水压力振动液化形成超空隙水压力二、渗流液化二、渗流液化渗流液化：渗流液化：水自下而上形成水自下而上形成水头差水头差，并产生自下而，并产生自下而上的渗流，动水压力推动砂粒向上的渗流，动水压力推动砂粒向悬浮状态悬浮状态转化，砂转化，砂粒处于失重状态，甚至向上运动。粒处于失重状态，甚至向上运动。 渗流液化渗流液化 饱和砂土，在强烈地震作用，振动液化，使空隙水压饱和砂土，在强烈地震作用，振动液化，使空隙水压力迅速上升，产生上、下水头差和孔隙水自下而上的
10、力迅速上升，产生上、下水头差和孔隙水自下而上的运动，动水压力推动砂粒向悬浮状态转化，形成渗流运动，动水压力推动砂粒向悬浮状态转化，形成渗流液化使砂层变松。液化使砂层变松。没有不透水盖层的情况下出现冒水，上部砂层松胀、强没有不透水盖层的情况下出现冒水，上部砂层松胀、强度丧失，但不喷水冒砂。裂缝处出现冒砂现象；度丧失，但不喷水冒砂。裂缝处出现冒砂现象；有不透水的粘土盖层，剩余水压由两个部分组成，液化有不透水的粘土盖层，剩余水压由两个部分组成，液化层的骨架和盖层的压力。剩余空隙水压力超过盖层强层的骨架和盖层的压力。剩余空隙水压力超过盖层强度，或盖层裂隙才有沿裂缝产生喷水冒砂，渗流液化度，或盖层裂隙才
11、有沿裂缝产生喷水冒砂，渗流液化局限于喷砂口附近局限于喷砂口附近。 地表无覆盖层时，产地表无覆盖层时，产生遍地冒水、上部砂层松生遍地冒水、上部砂层松胀胀 、强度丧失。不产生喷、强度丧失。不产生喷水冒沙水冒沙。 地表有不透水粘土盖层，形成地表有不透水粘土盖层，形成暂时承压水。一旦压力突破盖层，暂时承压水。一旦压力突破盖层，产生喷水冒沙。产生喷水冒沙。剩余空隙水压力：剩余空隙水压力：Pwe=(r-rw)M1+rgM27.3 7.3 区域性砂土地震液化的形成条件区域性砂土地震液化的形成条件 n 砂土层：砂土层：砂土的成分、结构以及饱水砂层的埋藏砂土的成分、结构以及饱水砂层的埋藏条件条件。n 地震方面主
12、要是地震方面主要是地震的强烈程度和持续时间地震的强烈程度和持续时间。 从砂土地震液化机制的讨论，砂土层本身和地从砂土地震液化机制的讨论，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震这两方面具备一定条件才能产生砂土液化: :一、砂土特性和饱水砂层埋藏条件及成因时代特征一、砂土特性和饱水砂层埋藏条件及成因时代特征 1 1、砂土特性、砂土特性 高的剩余空隙水压力形成的必要条件：高的剩余空隙水压力形成的必要条件： 一是地震时，砂土必须有明显的一是地震时，砂土必须有明显的体积缩小体积缩小从而产生空隙水的从而产生空隙水的排排水水 二是向砂土外的二是向砂土外的排水滞后排水滞后于砂体的振动变密，即砂
13、体的渗透性于砂体的振动变密，即砂体的渗透性能不良，不利于剩余空隙水压力的能不良，不利于剩余空隙水压力的迅速消散迅速消散， 随随荷载循环荷载循环的增加的增加, , 空隙水压力因不断累积而升高。空隙水压力因不断累积而升高。表征砂土的液化条件的指标：表征砂土的液化条件的指标： (1) (1) 砂土的相对密度砂土的相对密度 DrDr=(=(e emaxmax-e)/(e-e)/(emaxmax-e-eminmin) ) 相对密度愈大，需要愈大的震相对密度愈大，需要愈大的震动强度或更多的振动循环次数动强度或更多的振动循环次数N N才才能使它液化。能使它液化。 (2) (2) 砂土的粒径和级配砂土的粒径和
14、级配 相对密度低并不是砂土地震液化的充分条件，相对密度低并不是砂土地震液化的充分条件， 有些颗粒比较有些颗粒比较粗的砂，相对密度虽然很低但却粗的砂，相对密度虽然很低但却很少液化很少液化。 具备一定具备一定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。 2 2、饱水砂土层的埋藏条件、饱水砂土层的埋藏条件 直接在地表出露的饱水砂层最易于液化。直接在地表出露的饱水砂层最易于液化。(Pz=r-rw)(Pz=r-rw) *Z 如果饱水砂层埋藏较深，上覆土层的盖重足以抑制如果饱水砂层埋藏较深，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。地下水面附近产生液
15、化，液化也就不会向深处发展。Pz= rh+(r-rw)(Z-h)Pz= rh+(r-rw)(Z-h)3 3、饱水砂层的成因和时代、饱水砂层的成因和时代 颗粒细、结构疏松、颗粒细、结构疏松、上覆非液化上覆非液化盖层薄盖层薄和地和地下下水埋深浅水埋深浅等条件，而等条件，而又广泛分布的又广泛分布的砂体砂体。近代近代河口三角洲砂体和河口三角洲砂体和近期河床堆积砂体近期河床堆积砂体，其，其中河口三角洲砂体是造中河口三角洲砂体是造成区域性砂土液化的主成区域性砂土液化的主要砂体。要砂体。 动力动力-地震加速度地震加速度，地震愈强、加速度愈大，愈，地震愈强、加速度愈大，愈容易引起砂土液化。容易引起砂土液化。按
16、不同烈度评价某种砂土液化的可能性按不同烈度评价某种砂土液化的可能性。 二、地震强度及持续时间二、地震强度及持续时间 根据观测得出，在根据观测得出，在、度烈度区可能液化的砂度烈度区可能液化的砂土的土的D D5050分别为分别为0.05-0.150.05-0.15， 0.03-0.250.03-0.25，0.015-0.5mm0.015-0.5mm。地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。又如，地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。又如，烈度不同的可液化砂土的相对密度值也不同，烈度愈高可烈度不同的可液化砂土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。液化砂土的相对密度值
17、也愈大。 确切评价砂土液化的地震强度条件确切评价砂土液化的地震强度条件, ,需实测出地震需实测出地震时时最大地面加速度最大地面加速度，计算在地下某一深度处由于地震，计算在地下某一深度处由于地震而产生的而产生的实际剪应力实际剪应力，再用以判定该深度处的砂土层，再用以判定该深度处的砂土层能否液化。能否液化。 地震条件地震条件-地质条件地质条件-埋藏条件埋藏条件-土质条件土质条件7.4 7.4 砂土地震液化的判别砂土地震液化的判别一、地震液化的初判条件一、地震液化的初判条件 1 1、地震条件、地震条件震级震级(M)(M)与液化最大震中距与液化最大震中距(D max)(D max)有如下关系：有如下关
18、系： D Dmaxmax 0.820.8210100.862(M-5)0.862(M-5) 由上式可以判定：如由上式可以判定：如M M5 5，则液化范围限于震中附近，则液化范围限于震中附近1km1km之内。之内。（1 1） 液化最大震中距液化最大震中距 我国地震文献中没有地震震级小于我国地震文献中没有地震震级小于5 5级的喷水冒砂记录。震级的喷水冒砂记录。震级级5 5级震中烈度为级震中烈度为VIVI度，度，故液化最低烈度为故液化最低烈度为VIVI度度。 （2 2）液化最低地震烈度）液化最低地震烈度近年来历次地震震后调查发现，发生液化处所多为近年来历次地震震后调查发现，发生液化处所多为: : 全
19、新世乃至近代海相及河湖相沉积平原，河口三角洲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，特别是洼地、河流的泛滥地带、洼地、河流的泛滥地带、 河漫摊、古河道、滨海地带及人工填土地河漫摊、古河道、滨海地带及人工填土地带等。带等。 2 2、地质条件、地质条件 喷砂冒水严重的地区，地下水埋深一般喷砂冒水严重的地区，地下水埋深一般不超过不超过3m3m，甚至不足，甚至不足1m 1m ，深为，深为 3-4m3-4m时喷砂冒水现象少见，时喷砂冒水现象少见，超过超过5m5m没有喷砂冒水实例没有喷砂冒水实例3 3、埋藏条件、埋藏条件(1) (1) 最大液化深度：最大液化深度： 一般认为液化判别应在一般
20、认为液化判别应在地下地下15 m15 m深度深度范围内进行。最大液范围内进行。最大液化深度可达化深度可达20m20m，但对一般浅基础而言，即使，但对一般浅基础而言，即使15m15m以下液化，对以下液化，对建筑物影响也极轻微。建筑物影响也极轻微。(2) (2) 最大地下水位深度：最大地下水位深度： 平均粒径平均粒径(D(D5050) )为为0.01-1.0mm0.01-1.0mm； 粘粒粘粒( (粒径粒径0.005)0.005)含量不大于含量不大于1010；或；或15 15 。 不均匀系数不均匀系数()()不大于不大于1010； 相对密度相对密度(Dr)(Dr)不大于不大于7575； 级配不连续
21、的土粒径级配不连续的土粒径 1mm1mm的颗粒含量大于的颗粒含量大于40 40 ； 塑性指数塑性指数( I p )( I p )不大于不大于1010。 液化土的某些特性指标的限界值为液化土的某些特性指标的限界值为:4 4、土质条件、土质条件 凡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凡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。或粉土，都应进行以现场测试为主的进一步判别。 二、现场测试法二、现场测试法 标贯判别（常用方法）标贯判别（常用方法） 静力触探判别静力触探判别 剪切波速判别剪切波速判别液化临界标准贯入击数液化临界标准贯入击数N
22、 Ncrcr ：1 1、标贯判别法、标贯判别法 N Ncrcr=N=N0 01+0.1(d1+0.1(ds s-3)-0.1(d-3)-0.1(dw w-2)(3/p-2)(3/pc c)0.5 )0.5 =N=N0 0 0.9+0.1(d 0.9+0.1(ds s-d-dw w)(3/p)(3/pc c)0.5)0.5 式中：式中：pc pc 为粘粒含量百分数，小于为粘粒含量百分数，小于3 3或砂土时取或砂土时取3 3。 dsds 为砂土层埋深。为砂土层埋深。 dwdw 为地下水埋深。为地下水埋深。烈度震中距烈度震中距近震近震6 610101616远震远震8 812121818 将砂层埋深（
23、将砂层埋深（dsds）为）为3m3m、地下水埋深（、地下水埋深（dwdw）为）为2m2m作为基本情况，作为基本情况，求出不同烈度情况下液化与不液化的标准贯入击数求出不同烈度情况下液化与不液化的标准贯入击数基准值基准值N N0 0。 工业民用建筑抗震设计规范工业民用建筑抗震设计规范 GBJ11-89 GBJ11-89 2 2、剪切波速判别、剪切波速判别 利用剪切波速利用剪切波速VsVs与标贯击数与标贯击数N N值之间的相关性（值之间的相关性（Vs100N0.2 ），），可以将以可以将以N N为判据的判别式转换为以为判据的判别式转换为以VsVs为判据的判别式。为判据的判别式。 为液化临界剪切波速；
24、为液化临界剪切波速； 为液化临界剪切波速基准值为液化临界剪切波速基准值 与与N0的对应值的对应值N N0 0 6 6 8 8 10 10 12 12 16 16 18 18 （ m/sm/s ） 145 145 150 150 160 160 165 165 175 175 180 180 三、理论计算判别三、理论计算判别 H HB B希德所提出的判别方法及准则希德所提出的判别方法及准则土的动三轴试验土的动三轴试验求出的应力比求出的应力比 ( (ddaa）能引起该砂土层液化的剪应力能引起该砂土层液化的剪应力砂土层抵抗液化的抗剪强度砂土层抵抗液化的抗剪强度据地震加速度求得的等据地震加速度求得的等
25、效平均剪应力效平均剪应力( (aa ) )土层的实际应力状态土层的实际应力状态（土层有效上覆压力）（土层有效上覆压力） aa 则可能液化则可能液化 7.5 7.5 砂土地震液化的防护措施砂土地震液化的防护措施 一、良好场地的选择一、良好场地的选择 建建筑筑类类别别地地 基基 液液 化化 等等 级级轻轻 微微中中 等等严严 重重甲甲 类类特特 殊殊 考考 虑虑乙乙 类类BB或或CCAA或或B+CB+CAA丙丙 类类CC或或DDCC其它更其它更高措施高措施AA或或B+CB+C丁丁 类类DDDDCC或其它更或其它更经济措施经济措施A.为全部消除地基液化沉陷的措施，如采用桩基、深基础、深层处理至为全部
26、消除地基液化沉陷的措施，如采用桩基、深基础、深层处理至B. 液化深度以下或挖除全部液化层；液化深度以下或挖除全部液化层；B. 为部分消除地基液化沉陷的措施，如处理或挖除部分液化土层等；为部分消除地基液化沉陷的措施，如处理或挖除部分液化土层等； C. 为基础结构和上部结构的构造措施，一般包括减小或适应不均匀沉陷为基础结构和上部结构的构造措施，一般包括减小或适应不均匀沉陷的各项构造措施；的各项构造措施； D. 为可不采取措施为可不采取措施 。 二、人工改良地基二、人工改良地基1、增加盖重、增加盖重2、 换土换土3、改善饱水砂层的密实程度、改善饱水砂层的密实程度 爆炸振密法爆炸振密法 强夯与碾压水冲振捣强夯与碾压水冲振捣 回填碎石桩法回填碎石桩法( 振冲法振冲法 ) 4、消散剩余孔隙水压、消散剩余孔隙水压 排渗法排渗法 5、围封法、围封法 将可液化砂层截断封闭将可液化砂层截断封闭 在有液化可能性的地基上建筑，不能将建筑物置于地表或深埋于可液 化深度范围之内。 如采用桩基，宜用较深的支承桩基或管柱，浅摩擦桩的震害严重。 层数较少的建筑物可采用筏板，并尽量使荷重分布均匀，以便地基液 化时仅产生整体均匀下沉，这样就可以避免采用昂贵的桩基。 建于液化地基上的桥梁，往往因墩台强烈沉陷造成桥墩折断，最好以 选用管柱基础为宜。 三、基础形式选择三、基础形式选择
