3 砂土地震液化工程地质

在这个梯度作用下，砂粒就在自下而上的渗流中 发生液化，地面喷砂冒水，随之超孔隙水压力得 到消散。 当地表有不透水的粘土盖层时，只有超孔隙水压 力超过盖层强度或盖层有裂缝时，才能沿裂缝产 生喷砂冒水，
3.3影响砂土液化的因素

饱和砂土和地震是发生振动液化的必备条件。 土的类型及性质 饱和砂土的埋藏分布条件 地震动的强度及历时。


砂土的抗剪强度τ与作用于该土体上的往 复剪应力τd的比值来判定砂土是否会发 生液化。 当τ／τd>1时，不会产生液化 当τ／τd=1，处临界状态，砂土开始发 生剪切破坏；此时称为砂土的初始液化 状态砂土的抗剪强度随振动历时增大而 降低。
当τ／τd＜1时，则沿剪切面的塑性平衡E迅速扩大，导致 剪切破坏加剧。而当孔隙水压力继续上升，直至与总法向压 力相等，有效法向压力及抗剪强度均下降为零，即当 τ/τd=0时，砂土颗粒间将脱离接触而处于悬浮状态．此时 即为完全液化状态．
水是一种液体，它的突出力学特性是体积 难于压缩，能承受极大的法向压力，他不 能承受剪力。

泡和砂土由于孔隙水压力Pw0作用，度将小 于干砂的抗剪强度：
( w0 )tg 0 tg
σ0即为有效法向压力。显然σ0＞σ。
在地震过程中，疏松的饱和砂土在地震动引起 约剪应力反复作用下，砂粒问相互置必然产生 调整，而使砂土趋于密实，以期最终达到最稳 定的紧密排列状态。砂土要变密实就势必排水。
3.2砂土地震液化的机理
砂土地震液化的机理 影响砂土液化的因素 砂土地震液化的判别 防护措施等问题

3.2 砂土地震液化的机理

饱和砂土是砂和水的复合体系。 砂土是一种散体物质，它主要依靠颗粒间的摩擦 力承受外力和维持本身的稳定，而这种摩擦力主 要取决于粒间的法向压力。
tg
二、饱和砂土的埋藏分布条件

饱和砂层埋藏条件主要包括饱水砂层的厚度，砂 层上非液化粘性土层厚度以及地下水埋深这三方 面，它们决定了超孔隙水压力和有效覆盖压力的 大小。
饱水砂层愈厚，地震变密时所产生的超孔隙水压力愈大。 当液化砂层埋藏较深，上覆以较厚的非液化粘性土层时抑制了液化， 而直接出露地表的饱水砂层最易于液化。 一般饱水砂层埋深大于20m时难于液化，可以把液化最大地下水埋 深定为5m，因为当地下水埋深为3-4m时，液化现象很少。

震前孔隙水压力呈静水压力分布，不同 深处测压水位相同，无水头差。 当振动液化形成超孔隙水压力以后，不 同深处的测压水位就不再相等，随深度 增加则测压水位增高。 显然当饱和砂土出露于地面时，该水头 将高出地面；且砂土愈厚则水头愈高。



任意深度两点z1和z2之间的水头差h可以从下式 求出 h=（ρm-ρw）（z2-z1）/ρw 这两点之间的水力梯度为， I=h/（z2-z1）= （ρm-ρw）/ρw=ρ′/ρw (3—5) 此水力梯度即为完全液化的临界水力梯度。




可将砂土液化的发展过程划分为三个阶段： ①稳定状态(τ／τd>1)； ②临界状态或初始液化状态(τ／τd=1)； ③完全液化状态(τ/τd=0)． 从初始液化状态至完全液化状态往往发展 很快，二者界线不易判断，为了保证安全， 可把初始液化视作液化。
液化的形成过程和机理




西德(H．B．Seed)等人自1966年就进行室内 动力剪切试验，发现变向循环荷裁(振动)，作用 下饱和砂土最易液化。 循环荷载三轴压缩试验(动三轴剪)，试样首先在 各向均等的静压力σa下固结，然后在不排水条件 下同时在竖向上施加±1/2σd（压、拉），侧向 施加±1/2 σd（压、拉）的循环荷载。 循环荷载的频率近乎地震频率，即l-2r/s。 （τd）max=（σ1-σ3）/2=σd/2为最大循环剪 应力。



我国对邢台、通海和海城地震砂土液化的78件 喷砂样品粒度分析表明，粉、细砂土占57.7％， 亚砂土(Ip<7)占34.6%，中粗砂土及轻亚粘土 (Ip=7-10)占7.7％，而且全部发生在烈度为Ⅸ 度区内。 唐山地震时天津市区为Ⅶ度区，出现许多亚砂土 和轻亚粘土液化现象。 其界限是：粉粒含量大于40%，极易液化；粘 牲含量大于12.5%，则极难液化．粉粒含量大
地點：彰化縣伸港鄉大肚溪土壤液化

921集集大 地震，員林、 南投、大肚 溪以及台中 港等地區， 都有土壤液 化的現象， 導致地層下 陷、噴砂， 房屋倒塌、 傾斜、破壞 的情形。陷 落的情形。
彰化縣伸港鄉大肚溪土壤化

彰化縣 伸港鄉的 大肚溪口， 南側河道 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，
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砂土地震液化工程地质
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
概述 砂土地震液化的机理 影响砂土液化的因素 砂土地震液化的判别 砂土地震液化的防护措施
3.1概述


一、定义 饱水砂土在地震，动力荷载或其它外力作用下， 受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮 状态，致使地基失效的作用或现象称为砂土液化 (sand liquefaetion)或振动液化。 地震导致砂土液化往往是区域性的，可使广大地 域内的建筑物遭受毁坏


★密实度 松砂极易液化，密砂不易液化。相对密度 Dr<50%时，很易液化，Dr>80%时，不易液化。 ★成因及年代 多为冲积成因的粉细砂土，如滨海平原、河口 三角洲等。 沉积年代较新：结构松散、含水量丰富、地下 水位浅

相对密度Dr，作为判别砂土掖化可能性的指 标。
emax e Dr emax emin


砂土液化在宏观震害中的双重作用，即产生液化 的场地往往比同一震中距范围内未发生液化场地 的宏观烈度要低些。 这是因地震剪切波在此层中受阻(流体不能传递 剪力)，使传至地面上的地震波相应地衰减。


砂土地震液化问题，作为一种自然灾害现象进行 深入研究，从20世纪60年代才开始。 1864年阿拉斯加和新泻两次地震所造成的严重 破坏，均为砂土液化的缘故，故在美国，日本和 其它一些国家的工程地质界引起了很大的关注。
(1)地面下沉



饱水疏松砂土因振动而趋于密实，地面随之下沉， 结果可使低平的滨海(湖)地带居民生活受到影响， 甚至无法生活。 1964年阿拉斯加地震时，波特奇市因砂土液化地 面下沉很多，每当海水涨潮即受浸淹。迫使该市 不得不迁址。 唐山地震时，烈度为Ⅸ度的天津汉沽区富庄大范 围下沉，原来平坦的地面整体下沉达1.6-2.9m.
式中：e为天然孔隙比：emax和emin分别为最大、最小孔隙比。 一般的情况是，Dr<50%时砂土在振动作用下很快液化； Dr>80%时不易液化。据海城地震的统计资料，砂土的Dr>55%，Ⅶ度 区不发生液化； Dr＞70%，Ⅷ度区也不液化；
饱水砂土的成因和堆积年代对液化的影响



近20多年来报道的大范围砂土地震液化的地点， 多位于滨海平原、河口三角洲和近期河床堆积物 区。 这些地区的沉积物一般是在历史时期内形成构， 主要为冲积成因的粉、细砂土，结构疏松，且地 下水埋深很浅。 唐山地震引起的大范围砂土液化区，位于冀东沿 海平原，绝大部分是新石器时代(距今40005000年)以来形成的，其中又以滦河河口三角洲 为主。

日本新泻 1964年地 震时砂土 液化影响。 这些设计 为抗震的 建筑物倾 斜而未受 损坏。

加州沃 森维尔 附近的

唐山地造成的 喷水冒砂区分 布图震

地震导致的砂土液化现象在饱水疏松砂 层广泛：分布的海滨，湖岸，冲积平原， 以及河漫滩、低阶地等地区尤为发育， 使位于这些地区的城镇，农村、道路， 桥梁、港口、农田、水渠、房屋等工程 经济设施深受其害。
(2)地表塌陷



地震时砂土中孔隙水压力剧增，当砂土出露地表或其上 覆土层较薄时，即发生喷砂冒水，造成地下淘空，地表 塌陷。 如海城地震时，在震中以西的下辽河，盘锦地区大量喷 砂冒水，一般开始于主震过后数分钟，持续时间5—6小 时甚至数日。喷出的砂水混合物高速3-5m，形成许多圆 形、椭圆形陷坑，坑口直径3—4m至7—8m，深数十厘米 至数米。给交通和水利设施、农田、房屋、地下管道和 油井等造成严重损害。 唐山地震时，自滦河口以西直至宁河一带，数千平方公 里范围内到处喷砂冒水，使十几万亩农田被喷砂掩覆， 十几万口机井淤塞，不少房屋和公路，铁路桥墩毁坏。


在急剧变化的周期性荷载作下，所伴随的孔隙度 减小都要求排挤出一些水，且透水性变差。如果 砂土透水性不良而排水不通畅的话，则前一周期 的排水尚末完成，下一周期的孔隙度再减少又产 生了，应排除的水来不及排走，而水又是不可压 缩的，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水 压力(excess pore pressure)。 随振动持续时间的增长，剩余孔隙水压力不断叠 加而积累增大，而使砂土的抗剪强度不断降低， 甚至完全丧失。



可按下列经验公式表示其关系， lgR=0.77M-3.6 (3-7) 式中，M为震级(一般M>6)；R为液化最远点的 震中距(Km)。
2)、理论计算方法
这种计算方法一般是根据实测的地震最大地面加 速度，计算在地下某深度处由于地震产生的实际 剪应力；再用以判定该深度处的砂土层是否会发 生液化。 希德等人提出的计算公式为 (τd)max=ρ· g· max/g=ρ· αmax H· α H· 式中(τd)max为单元土体的最大剪应力； ρ· H为砂土的密度及埋深 Αmax为最大地面加速度

3.4砂土地震液化的判别
(3)地基土承载力丧失



持续的地震动使砂土中孔凉水压力上升， 而导致土粒间有效应力下降．当有效应 力趋于零时，砂粒即处于悬浮状态，丧 失承载能力，引起地基整体失效。 如1064年日本新泻地震，由于地基失效 使建筑物倒塌2130座，严重破坏6200座， 轻微破坏达31000座。 唐山地震时，唐山和天津地区的许多房 屋、桥梁和铁路路段也因地基失效而破
三、地震动的强度及历时

地震动的强度和历时是砂土液化的动力．显然， 地震愈强，历时愈长，则愈易引起砂土液化；且 波及范围愈广，破坏愈严重。


评价地震动强度的方法有两种：统计的方法及理 论计算的方法。 1)统计方法 统计方法是一种简单评价的方法。可液化砂土的 平均粒径(d50)范围愈大，其相对密度(Dr)也愈 大，在Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度烈度区可能液化砂土的d50 分别为0.05—0.15、0.03—0.25、0.015— 0.5mm。

取松砂和密砂试样分别进行试验，发现试 验结果明显不同。 当随着动荷载循环周期数的增加，孔隙水 压力不断增大，直至Pw=σa时，砂的剪切 变形开始增大。 继续反复加荷，松砂变形迅速加大，不久 即全液化；而密砂变形则缓慢增大，难于 全液化。






当饱和砂土完全液化时，在一定深度z处 的总孔隙水压力Pw=pw0+σ。 (假设地下水面位于地表面)，其中 σ=ρm· z;则Δpw=ρm· zg· g· ρw· z=(ρm-ρw)· z=ρ′· z。 g· g· g· 式中ρm ρ′分别为砂土的饱和密度和浮密 度，ρw为水的密度。 砂土的深度愈大，完全液化时的超孔隙 水压力就愈大。
(4)地面流滑


源自文库

斜坡上若有液化土层分布时，地震会导致液化流 滑而使斜坡失稳． 1960年智利8.9级大震时，内华湖附近圣佩德罗 河上最大一个滑坡体的发生，是由于粘土层中含 有大量粉砂土透镜体的液化所致(图3-2)． 有时场地地面极缓甚至近于水平也发生滑移．如 1971年美国圣费尔南德地震滑移地段，地面坡度 仅2度。 唐山地震时，天津市河东区柳林一带的严重滑移， 则为水平场地。
硬
软
硬
软 硬
有利 软
硬 不利
最有利
土的类型及性质

土的类型及性质是砂土液化的内因。

宏观考察资料表明，极易液化土的特征是： 平均粒度0.02-0.10mm，ŋ=2-8，粘粒含量 <10%
粉细砂土最易液化，避随着地震烈度的增高， 亚砂土，轻亚粘土、中砂土等也会发生液化。 国内外对地震液化喷出物作了大量的粒度分 析和统计工作。