3 砂土地震液化工程地质

还应该看到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。 地震运动传给结构物的能量由于大部分已消耗在液化 方面而相对减弱。结果使地面运动在较短时间内停止。 振动历时减少对建筑物的稳定是有利的。



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



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。 如日本新泻地震砂土液化最强烈的地区，即是近1000 年之内形成的信浓川河口堆积与人工堆积而成的沿海平 原。 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4000-5000年)以来形成 的，其中又以滦河河口三角洲为主。


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。
(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.
(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坏。

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。
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 港等大規模 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。
地點：彰化縣伸港鄉大肚溪土壤 液化
彰化縣伸 港鄉的大肚 溪口，南側 河道高灘地 部份，地震 後，產生廣 泛的土壤液 化，並造成 噴砂的現象， 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。


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。对液化与未被化土的颗分表明，二者粉粒和粘粒含量的差 别明显，前者粉粒含量高，粘粒含量低，而后者正好相反。 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．粉粒含量大有助于液化，粘粒含量大则 不易液化。

砂土的密实程度也是影响液化的主要因素之一。松砂 极易液化，而密砂则不易液化。相对密度Dr，作为判 别砂土掖化可能性的指标。
emax e Dr emax emin
式中：e为天然孔隙比：emax和emin分别为最大、 最小孔隙比。


在相对密度小于90％的范围内，不同振动循环次数 的砂土相对密度与液化应力比之间呈通过坐标原点的 直线关系。 砂土的相对密度愈大，需要的动应力(σd)也愈大或更 多的应力循环次数（n），才能使它液化。
3.2砂土地震液化的机理
饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，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。
1 )液化机理： 砂土的抗剪强度：
＝ tg ( u 0 ) tg [ (u 0 u )]tg ( u ) tg


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



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。


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．
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野外涌沙
砂土液化（横向移动）系因地震时球粒（理想砂粒）的 重新堆集。地震振动造成这种固体颗粒堆集更加有效， 这会占据少量体积。一部分覆盖层荷载由水来支撑，这 就无法阻止水体运移。
唐山地造成的喷水冒砂区分布图震



砂土地震液化问题，早就被人们所注意，我国的史书 记载就不乏其例。但作为一种自然灾害现象进行深入 研究，却是从本世纪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。 他们进行宏观震害调查和分析的同时，又在实验室内 利用各种振动试验研究饱和砂土液化的机理和条件， 探讨饱和砂土液化的方法，探讨饱和砂土的地震效应 分析方法和孔隙水压力的发展过程，给出了预测砂土 液化的方法。
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。




根据我国一些地区液化土层的统计资料；最易发 生液化的粒度组成特征值是：平均粒径(d50)为 0.02—0.10mm，不均粒系数(η)为2-8，粘粒 含量小于10%。 主要原因是这类：土的颗粒细小而均匀，透水性 较差；又不具粘聚力或粘聚力很微弱，在振动作 用下极易形成较商的超孔隙水压力。其次是这类 土的天然孔隙比与最小孔隙比的差值(e-emin)往 往比较大，地震变密时有可能排挤出更多的孔隙 水。 粘粒含量较高的粘性士，属水胶连结，较强的粘 聚力抑制了液化。而粗粒土，尤其当其级配不均 匀，结构较密实时，透水性又较强，也是难以液 化的。
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砂土地震液化工程地质
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 3.2 3.3 3.4 3.5
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，所以是地震工程学和工程地质学 的重要研究课题。

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。





Байду номын сангаас

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 g· Δpw=ρm· z-ρw· z=(ρm-ρw)· z=ρ′· z。 g· 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。
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。根据对 国内外大量砂土地震液化资料的分析表明，影响砂土 液化的因素主要有： 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。
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，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。
(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，但液化现象一般局限于喷冒口附近。 盖层愈厚。其隔水性愈强，液化形成的暂时性承压水 头就愈高。因此，一旦盖层被突破，喷砂冒水就更加 强烈。
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。 他们进行的是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。
(4)地面流滑




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)． 阿拉斯加地震时，安科雷季市大滑坡发生的主要原因 也是厚层灵敏粘土层中透镜砂层的振动液化(见图232)． 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。 而唐山地震时，天津市河东区柳林一带的严重滑移， 则为水平场地。