第七章 地震导致的区域性砂土液化
地震导致可液化砂土地基对建筑物的严重危害和预防措施
地震导致可液化砂土地基对建筑物的严重危害和预防措施【摘要】中国位于地震多发带，地震活动活跃。
对于地震发生时地基失效引起重大人员伤亡的情况多有发生。
其原因之一在于砂土的液化，导致地基下沉所致。
本文根据土体液化的机理，对其产生过程进行分析、提出有效的排查及解决方案，以供读者参考。
【关键词】地震；液化砂土；地基；土体；建筑；剪应力；预防措施0.绪论我国是一个地震多发国家，6度以上地震区几乎遍布全国各省、区。
尤其是近几年地震活动比较频繁，几年前的汶川大地震等，大量的房屋遭到破坏和坍塌，给人民生命财产带来了巨大的损失，给家庭社会造成了巨大的危害。
地震发生时，由于地面强烈运动震中产生的强烈横向及纵向震动，导致各类建筑物严重破坏。
其中地基失效，即当建筑物地基内含有饱和松软的无粘性土及稍具粘性土，在强烈的地震震动作用下，土颗粒处于悬浮于孔隙水中的状态，呈现类似于稀砂浆的物体。
使地基土体完全或部分丧失抗剪强度，在建筑物自重作用下产生较大的沉降。
使地基液化出现喷水冒砂，从而使地上建筑物产生坍塌，下沉等破坏性损失。
所以，对地震时土体的可能发生的液化危害进行妥善的改善和预防，会确保建筑物遭遇强震时，免遭完全破坏，为人民的生命和财产安全提供了稳定的保障。
1.土体的地震液化机理在地震破坏的建筑物记载中，饱和松散砂土发生液化的情况是最多的。
其次是塑性指数为IP=3-10的粉土、粉细砂。
除此之外还与土的颗粒组成成分、土质的密实度及地震烈度密切相关。
如平均颗粒D50在0.05-0.1mm之间的砂土为例。
当土体的不均匀系数在1.8以下时都具有可液化性。
而相对密度Dr大于20%的粉细砂不易液化。
如粉砂结构性差的土体，其粘土颗粒含量小于10%，孔隙比大于0.85，且大于0.05mm颗粒占全重40%以上时，在七度地震烈度就可能产生液化现象。
饱和砂土之所以发生液化，主要是由于砂土抗剪强度的降低所导致的。
根据有效应力原理，无粘性土的抗剪强度不仅取决于土体内部摩擦角的大小，而且与土体内的有效正应力成正比。
砂土地震液化总结
砂土地震液化总结砂土液化是指饱和砂土在地震，动荷载或其他外动力作用下，砂土受到强烈振动后，致使土体丧失强度，土粒处于悬浮状态，造成地基失效的作用或现象。
砂土液化可能引起的工程地质问题有涌砂、地基失效、滑塌、地面沉降及地面塌陷等。
一、砂土地震液化机制1.砂土液化的机理饱和砂土在地震力作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受由砂土土体骨架转向水，由于砂土渗透性不良，孔隙水压力逐渐累积，有效应力下降，当孔隙水压力累计至总应力时，有效应力为零，土颗粒在水中处于悬浮状态。
2.砂土液化的影响因素影响砂土地震液化的因素包括内因饱和砂土和外因地震作用两方面。
其中饱和砂土包括土体类型和性质以及饱和砂层的埋藏条件。
地震作用指地震强度和地震持续时间。
（1）土体类型和性质以以砂土的相对密度Dr以及砂土粒径和级配表征砂土液化条件。
（如表1所示）表1 影响砂土地震液化的因素之土体条件因素指标对液化的影响颗粒特性粒径平均粒径d50细颗粒较容易液化，平均粒径在0.1mm左右的粉细砂抗液化性最差级配不均匀系数C u C u越小，抗液化性越差，黏性土含量愈高，愈不容易液化形状圆粒形砂比棱角形砂容易液化密度相对密实度D r密度愈高，液化可能性愈小渗透性渗透系数K 渗透性低的砂土易液化结构性颗粒排列胶结程度均匀性原状土比结构破坏土不易液化，老砂层比新砂层不易液化压密状态超固结比OCR 超压密砂土比正常压砂土不易液化（2）饱和砂层的埋藏条件包括地下水埋深，砂土层上的非液化黏土层厚度。
表2 影响砂土地震液化的因素之埋藏条件因素指标对液化的影响上覆土层上覆土层有效压力上覆土层愈厚，土的上覆土层有效压力愈大，愈不容易液化静止土压力系数k0排水条件孔隙水向外排出的渗透路径长度液化砂层的厚度排水条件良好有利于孔隙水压力的消散，能减小液化的可能性边界土层的渗透性地震历史遭受过历史地震的砂土比未遭受地震的砂土不易液化，但曾发生过液化又重新被压密的砂土却易重新液化（3）地震强度指实测地震时最大地面加速度，计算在地下某一深度由处于地震而产生的实际剪切力，再用以判定该深度处的砂层能否液化。
地震引起的砂土液化问题
液化等级 判别深度为15m时 的液化指数 判别深度为20m时 的液化指数
轻微 0<IlE≤5 0<IlE≤6
中等 5<IlE≤10
严重 IlE>15
6<IlE≤18
IlE>18
4.液化土层的防治措施 《建筑抗震设计规范》规定， 根据地基的液化等级和建筑抗震 设防类别，选择部分或全部消除 液化和建筑结构的处理。 处理方法主要有： 换土法、加密法、围封法等 设沉降缝、筏板基础、深基础、 桩基
（3）饱和砂层的成因和年代 易于液化的砂体常见于河漫滩沉积、 一级阶地以及时代相似的古河床沉积 等。 （4）地震荷载 主要是地震烈度和持续时间。 Dmax＝0.82×100.862(M-5)
震级（M）
5 6 7 8
最大震中距（km）
1 5-10 50-100 200-300
3.2 砂土地震液化的判别 大致分为初判、液化判定、液化等 级判定三个阶段。 （1）初判
对砂土 ρc=3。 当N63.5<Ncr时，判定为液化；否 则判定为不液化。 此外还有静力触探法、剪切波速 法、理论剪应力法、动三轴试验测 试等。
ds≤15 15≤ds≤20
（3）液化等级判定 对存在液化土层的地基，探明 液化土层的深度和厚度，然后计算 每个钻孔的液化指数。
Ni I lE 1 N来自d i wi i 1 cri
2.地震引起砂土液化的机理
地震作用下，砂土颗粒受到其值等于震动加速 度和颗粒质量乘积的惯性力的反复作用，土层的 振动频率一般是1~2周期/秒，在这种高频振动荷 载下，加之砂土没有内聚力或内聚力基本为零， 土颗粒就会处于运动状态而趋于密实。在此过程 中，土中孔隙水受到挤压而产生孔隙水压力，并 向外排出一部分来消散孔隙水压力。但是由于震 动周期极短，上次震动产生的孔隙水压力还未完 全消散，又开始下一周期的震动，从而使得孔隙 水压力逐渐增高。
场地的地震效应及砂土地基的液化
场地的地震效应及砂土地基的液化陈有顺(青海省地震局,青海西宁810001)摘要:论述了场地地震效应的表现形式,影响砂土液化的主要因素和砂土液化危害的主要特点。
关键词:地震效应;砂土液化;场地特征中图分类号: P315. 9 文献标识码:A 文章编号:1005 - 586X(2004) 01 - 0035 - 050 引言场地工程地震条件勘察中十分关注场地可能形成的地震效应与砂土地基的地震液化问题。
本文从地震效应与砂土地基地震液化的理论出发,结合长期从事的土层剪切波速测试实践以及最新震例,分析讨论了场地地震效应的表现形式,影响砂土液化的主要因素和砂土液化危害的主要特点。
1 场地地震效应的表现形式地震波从震源发出后经过不同路径向地表面传播,在经过不同岩层与土层时,因各岩层、土层对地震波的透射、反射、阻尼等性质不同,再加上地面高低起伏对波的传播影响,造成地表各点的地震反应不一致,与震源处发出的初始波也不相同。
有时由于地形变化大或土性变化大,相邻场地的烈度可以相差1～2 度,或在大范围内出现小范围的地震异常区。
场地的地震效应可以从地震反应谱上得到反映,图1a 就是某一地震对某个场地的反映谱,其横坐标为建筑物的基本自振周期,它可以理解为从短周期至长周期的一系列建筑的顺序排列;纵坐标则为建筑物所受的地震反应的大小,一般以加速度表示。
场地距震源的远近和传播途径中的条件不同,反应谱也不同,建在不同场地上的建筑所受的地震效应也不同。
场地的地震效应主要有放大作用、共振作用、破坏的进行性和地基的失稳与不均匀沉降几个方面1 。
1 . 1 放大作用地震波由震源传至建筑场地下的基岩,再传至土层。
地震波一经传入土层立即得到收稿日期:2004 - 01 -28作者简介:陈有顺(1976 - ) ,男,助理工程师,青海省乐都县人。
1999 年7 月毕业于长春科技大学环境与建筑学增强 ,且越到地表 ,放大作用越强 。
图 1b 是日本 1968 年东松山地震时土层放测结果 。
砂土地震液化的形成机制及防治措施
ＤＯＩ：１０．１９３９２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１ ７３４１．２０２０１９０８９砂土地震液化的形成机制及防治措施马 旺 欧阳九发 康 林 乔 丰 郑有伟内蒙古科技大学 内蒙古包头 ０１４０１０摘 要：在查阅大量资料的基础上，对砂土地震液化的机制、形成条件进行分析，并总结地震砂土液化对人类工程活动所造成的危害，以及常用的防治措施。
关键词：砂土地震液化机制；危害；防治 导致砂土液化的主要原因是地震振动和机械振动，由地震振动引起的砂土液化往往是区域性的危害较大的，１９７６年唐山地震，宁河县福庄在此次地震中整体下降２米，塌陷区边缘出现环形裂缝；日本新 地震均导致大规模的砂土液化，造成码头被毁，楼房倾斜，大量交通线路被毁；而机械振动引起的砂土液化危害较小，鉴于砂土液化给人类工程建设中带来的危害，人们对其进行深入的研究。
１砂土地震液化机制由地震振动引起的砂土液化相对来说比较复杂，一般认为其液化过程分为两个阶段。
振动液化阶段内，饱水的砂体受周期性的惯性力的作用下，就会有逐渐变密的趋势，每一次振动都会使空隙减小，排出一部分的水，如果水不能及时排出砂土外，随着振动周期次数的增加空隙水压力就会不断上升，当其上升到等于围压时，砂粒间的有效正应力就会逐渐减小，砂的变形速度就会加快，直到砂体完全液化，振动液化后某点的总空隙水压力等于静水压力与剩余空隙水压力之和，形成了水头差，在水流运动的过程中砂粒就会被推向水中，形成渗流液化。
２砂土地震液化形成条件２．１砂土的自身条件（１）相对密度：当砂的相对密度较大时，就会需要更大的地震加速度值或更多的振动次数才能使其完全液化，而松砂液化的条件较为简单，所以，疏松的砂是液化的必要条件。
（２）粒度和级配：随砂土平均粒度的减小，砂土充裕空隙比（天然孔隙比与最小空隙比的差值）就会增大，所以在地震时排出的孔隙水增多，并且随着平均粒度的减小，砂土的透水性就会降低。
在一定的粒度范围内，级配良好会减少砂体内的孔隙，所以配级愈差，粒度愈均匀，越有利于液化。
7-地震导致的区域性砂土液化
二、地震强度及持续时间
动力--地震加速度，地震愈强、加速度愈大，愈 容易引起砂土液化。 按不同烈度评价某种砂土液化的可能性。
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0.05-0.15， 0.03-0.25，0.015-0.5mm。 地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。又如， 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。
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具备一定粒度成分和级配是一Fra bibliotek很重要的液化条件。
2、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。 (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 地下水面附近产生液化，液化也就不会向深处发展。 Pz= rh+(r-rw)(Z-h)
3、饱水砂层的成因和时代
颗粒细、结构疏松、 上覆非液化盖层薄和地 下水埋深浅等条件，而 又广泛分布的砂体。 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。
砂水悬浮液 在上覆土层压力 作用下，可能冲 破土层薄弱部位 喷到地表，这就 是喷水冒砂现象。
地震引起的砂土液化实例
1964年6.16，日本 新寫发生7.5级地 震，因地基土发生 液化造成破坏。
2019年1.17，发生 在神户的李氏7.2 级地震造成桥梁地 基及结构破坏。
二、砂土液化引起的破坏
4、土质条件
液化土的某些特性指标的限界值为:
➢ 平均粒径(D50)为0.01-1.0mm； ➢ 粘粒(粒径＜0.005)含量不大于10％；或15 ％。 ➢ 不均匀系数(η)不大于10； ➢ 相对密度(Dr)不大于75％； ➢ 级配不连续的土粒径＜ 1mm的颗粒含量大于40 ％； ➢ 塑性指数( I p )不大于10。
第七章地震导致的区域性砂土液化祥解
液化等级与液化指数的对应关系
液化等级
轻微
中等
严重
液化指数Iie
0＜Iie≤6
6＜ Iie ≤18
Iie＞18
五.砂土地震液化的防护措施
抗液化措施选择原则
建筑类别
地基液化等级
轻微
中等
严重
甲类
特殊考虑
乙类
〔B〕或〔C〕
〔A〕或〔B+C〕
〔A〕
丙类
〔C〕或〔D〕
〔C〕或其它更高措施
〔A〕〔B+C〕
2.可液化砂土层的埋藏分布条件 砂层埋藏条件包括地下水和砂层埋深；其上的非液化粘性土层厚度这两类条件。地下水埋深愈浅，砂层埋藏浅，厚度大，非液化盖层愈薄，在其它条件相同时则愈易液化。 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条件，而又广泛分布的砂体，主要是滨海平原，近代河口三角洲，冲积平原，低阶地及漫滩及古河道1.大型水利水电工程：对区域稳定性要求最为严格的工程之一。有关部门规定，在地震烈度为7度及以地区修建大型水利水电工程必须进行区域稳定性评价。水工建筑物应尽可能选择在相对稳定地段，避开不稳定地段，确保工程的安全和经济合理。 如二滩水电站，三峡工程 2.核电站工程规划：确保核电站设施安全运行，防止核泄漏必须考虑的问题。 如苏南核电站 3.城市区域稳定性评价： 为城市规划建设服务，如深圳，宁波，西安等
沙土液化
砂土地震液化1、砂土地震液化的概念及研究意义饱和沙土在地震、动力荷载或其他外力作用下，受到强烈振动二丧失抗剪强度，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或震动液化。
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。
其危害性归纳起来有以下四个方面：(1) 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。
(2) 地基失效：随粒间有效正应力完全丧失。
建于这类地基上的建筑物就产生强烈沉陷、倾倒以至倒塌。
(3)涌砂：涌出的砂覆盖农田，压死作物，使沃土盐渍化，砂碛化，同时造成河床、渠道、井筒等淤塞，失农业灌溉设施受到严重损害。
(4) 滑塌：由于下伏砂层或敏感粘土层地震液化和流动，可引起大规模滑塌。
2、砂土地震的液化机理及影响因素饱和砂土是砂和水的复合体系。
在震动作用下，饱和砂土是否发生液化，取决于砂和水的特征，是二者矛盾斗争发展的结果。
2.1砂土地震液化的机理砂土是一种松散物质，主要依靠颗粒间的摩擦力承受外力和维持自身稳定，而这种摩擦力取决于粒间的法相压力：τ=σ·tgφ砂土受地震时，砂粒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。
由于颗粒之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。
砂土要变密实就势必排水。
在急剧变化的周期性荷载作用下，所伴随的空隙度减少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畅，则前一周期的排水尚未完成，后一周期的孔隙度再减少了，应排除的水来不及排走，而水又是不可压缩的，于是就产生了剩余水压力或超孔隙水压力，随着振动时间的增长，剩余空隙水压力不断地叠加而积累增大，使砂土的抗剪强度不断降低，甚至完全丧失，以上就是砂土液化的形成机制。
2.2砂土地震液化的影响因素饱和砂土和地震动是发生振动液化的必备条件，影响砂土液化的因素主要有：土地类型及性质、饱和砂土的埋藏条件以及地震动的强度及持续时间。
砂土地震液化的形成机制及防治措施
砂土地震液化的形成机制及防治措施作者：马旺欧阳九发康林乔丰郑有伟来源：《科技风》2020年第19期摘要：在查阅大量资料的基础上，对砂土地震液化的机制、形成条件进行分析，并总结地震砂土液化对人类工程活动所造成的危害，以及常用的防治措施。
关键词：砂土地震液化机制;危害;防治导致砂土液化的主要原因是地震振动和机械振动，由地震振动引起的砂土液化往往是区域性的危害较大的，1976年唐山地震，宁河县福庄在此次地震中整体下降2米，塌陷区边缘出现环形裂缝;日本新潟地震均导致大规模的砂土液化，造成码头被毁，楼房倾斜，大量交通线路被毁;而机械振动引起的砂土液化危害较小，鉴于砂土液化给人类工程建设中带来的危害，人们对其进行深入的研究。
1 砂土地震液化机制由地震振动引起的砂土液化相对来说比较复杂，一般认为其液化过程分为两个阶段。
振动液化阶段内，饱水的砂体受周期性的惯性力的作用下，就会有逐渐变密的趋势，每一次振动都会使空隙减小，排出一部分的水，如果水不能及时排出砂土外，随着振动周期次数的增加空隙水压力就会不断上升，当其上升到等于围压时，砂粒间的有效正应力就会逐渐减小，砂的变形速度就会加快，直到砂体完全液化，振动液化后某点的总空隙水压力等于静水压力与剩余空隙水压力之和，形成了水头差，在水流运动的过程中砂粒就会被推向水中，形成渗流液化。
2 砂土地震液化形成条件2.1 砂土的自身条件（1）相对密度：当砂的相对密度较大时，就会需要更大的地震加速度值或更多的振动次数才能使其完全液化，而松砂液化的条件较为简单，所以，疏松的砂是液化的必要条件。
（2）粒度和级配：随砂土平均粒度的减小，砂土充裕空隙比（天然孔隙比与最小空隙比的差值）就会增大，所以在地震时排出的孔隙水增多，并且随着平均粒度的减小，砂土的透水性就会降低。
在一定的粒度范围内，级配良好会减少砂体内的孔隙，所以配级愈差，粒度愈均匀，越有利于液化。
（3）埋藏条件：由砂土液化机制知，砂粒间的有效正应力降为零时，砂体才能被液化，当液化砂层上伏盖层重量较大时，空隙水压力则不足以抵抗由此产生的应力，会抑制砂层液化，所以，易液化的砂层一般埋藏较浅。
砂土液化-课堂演讲PPT资料
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Dr
emax e emax emin
式中：e为天然孔隙比：emax和emin分别为最大、最小孔隙比。 ★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。
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%。
( pw0 pw)tg pwtg
此时其抗剪强度更低了。随震动持续时间增长，剩余 空隙水压力不断增大，使砂土抗剪强度不断降低，甚 至完全丧失。
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各地的砂土液化现象
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② 液化状态的判定
在实际工程中，一般采用砂土的抗剪强度τ 与作用于该砂土体的往复应力τd的比值来判定砂 土是否发生液化:
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砂土液化 主要危害
1）地面下沉：饱水疏松砂土因振动而趋密实，地面随之 下沉。 2）地表塌陷：地震时砂土中空隙水压力剧增，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。 3）地基土承载力丧失：持续的地震动使砂土中空隙水压力 上升，导致砂土粒间有效应力下降，当有效应力为零时，砂 粒处于悬浮状态，丧失承载能力，地基失效。
案例：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。
砂土液化的机理和防止砂土液化的措施
砂土液化的机理和防止砂土液化的措施1.引言1.1 概述概述砂土液化是指在一定条件下，原本固态的砂土变成液态的过程。
这种现象往往发生在地震或其他外力作用下，造成了许多灾害和破坏。
砂土液化的机理和防止措施成为了工程领域中研究的重要课题。
本文旨在探讨砂土液化的机理以及采取的有效措施，以提供相关工程项目的参考和指导。
文章将分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，我们将首先对砂土液化进行简要介绍，包括定义和原因。
随后，我们将概述整篇文章的结构和各部分的内容。
最后，我们将明确本文的目的，即深入探究砂土液化的机理，并提出相应的防止措施。
通过本文的阅读，读者将能够了解砂土液化的机理和原因，了解砂土液化对工程项目的危害，以及掌握一些有效的防止砂土液化的措施。
同时，读者也将认识到砂土液化机理的重要性，以及为工程项目采取防止措施的必要性。
下面将按照目录中的顺序，逐一介绍各个部分的内容，以帮助读者全面理解砂土液化问题。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以写为：文章结构：本文主要包含三个部分：引言、正文和结论。
在引言部分，将对砂土液化的机理和防止砂土液化的措施进行介绍和概述。
首先，我们将简要介绍本文的背景和研究意义，以引起读者的兴趣和重视；接着，我们将详细阐述文章的结构和章节安排，以便读者可以更好地理解和掌握整篇文章的脉络；最后，我们将明确本文的目的和研究问题，以提供读者对本文内容的预期和期望。
在正文部分，将详细探讨砂土液化的机理和防止砂土液化的措施。
首先，为了更好地理解砂土液化的机理，我们将对液化的定义和原因进行分析和解释，明确造成砂土液化的物理和化学机理；接着，我们将详细介绍防止砂土液化的措施，包括土体改良技术和结构加固措施，以提供读者一些具体的方法和策略。
在结论部分，将对砂土液化的机理进行总结和归纳，明确我们对砂土液化机理的认识和理解；同时，我们将强调防止砂土液化的措施的重要性，并对未来可能的研究方向和研究意义进行展望。
浅谈地震砂土液化及其防治措施
试点论坛shi dian lun tan140浅谈地震砂土液化及其防治措施◎郭文博摘要：本文对地震中砂土液化发生的液化机理及条件因素进行了总结与分析，并对砂土液化防治措施及其发展趋势进行了探讨与展望。
关键词：液化机理；液化条件；防治措施一、引言至二十世纪以来，全球地震灾害频发。
如1964年日本新潟地震、1985年米却肯州地震、1999年土耳其科塞利地震、2008年中国汶川大地震、2010年智利地震等。
而在上述全球范围内的破坏性地震中，都出现了各种地质灾害，其中砂土液化尤为显著。
由于砂土液化后往往易引发大规模滑坡和地基失稳，这会对房屋、桥梁、道路、堤坝、地下生命线设施等建筑物造成严重破坏，有时甚至会造成严重的生命财产损失[1]。
中国地震主要为大陆板块地震，震源较浅，具有分布范围广、强度大且区域差异较大的特点。
然而中国地震在较大震级地震时间分布上却呈现出一种活跃与平静相间的独特规律性。
以Ms≥7.0为统计，20世纪以来，中国已经历了5个地震活跃幕（即大震级地震高发时间段）。
因此对地震砂土液化及其防治措施展开分析研究就显得尤为重要。
二、地震砂土液化机理对于松散的砂土，其初始的颗粒排列呈现为疏松状态。
但在受到振动荷载的作用后，其颗粒会逐渐脱离原来的位置，并移动到新的位置，达到较为稳定的密实状态。
而对于饱和松散的砂土，其颗粒之间的孔隙都被水所充满。
若在此时受到振动荷载的作用，那么砂土孔隙内的水在所受震动的短促期间内将无法被排出，砂土颗粒将随之出现从疏松堆叠到密实排列的过度状态。
此时砂土颗粒脱离了原来的位置，且未能沉落到新的稳定位置，处于悬浮的状态。
根据有效应力的原理，此时砂土颗粒自重和作用在土体上的振动荷载，将全部由孔隙间的水所承担。
此时，土体的抗剪强度将几乎衰减为零，砂土会出现流动状态。
三、砂土液化的条件因素日本、美国和中国相关学者研究和行业规范对饱和砂土液化的综合指标进行了研究和界定[2]，可概括如下：（1）日本建筑学会于1974年11月修订的《建筑物基础结构设计基准》中提出，地震加速度为0.2g时，砂土的可液化条件为：砂层埋深h≤15~20m，黏粒含量<10%，平均粒径d50=0.075~2.0mm（尤其是d50=0.075~1.0mm时更易液化），不均匀系数Cu<10（尤其是Cu<5时更易液化）。
【精品】砂土液化
浅述地震液化摘要：砂土液化是地震中常见的灾害，本文基于大量文献，结合汶川地震中砂土液化实例，浅述液化宏观现象、液化机理、液化影响因素、砂土地基液化判别、处理砂土液化的工程措施以及液化问题研究的发展。
关键字：地震液化汶川我国是一个地震多发的国家，其中1976年7.8级的唐山大地震和2008年8.0级的汶川大地震是最为国人所知。
这两次大地震破坏性强，波及范围广，损失严重。
在这两次地震中，都出现了大面积的砂土液化，地表开裂下沉，从而导致大量建筑物遭到破坏。
由此可见，地震中液化是岩土地震工程研究中不可避免的问题。
从60年代开始，地震液化问题就一直是土木工程抗震领域的一个热点的研究话题，也是具有重大理论价值和实用意义的一个难点研究。
此外，在学习地震工程学过程中，陈国兴老师以及孙田学长都介绍了地震液化的相关内容和试验。
1．地震液化的宏观现象从地震工程学的角度出发，地震灾害可以分为直接震害和间接震害，直接震害又包括地表破坏和工程结构破坏，地表破坏主要指地表变形产生相对位移引起的结构破坏。
而砂土液化则是引起地面变形的主要原因之一。
地震引起的饱和砂土振动孔隙水压力达到上覆土压力时，松散的饱和砂土将完全抗剪能力，此时，地下水就从地下喷出，同时夹带大量泥沙，形成所谓的喷砂冒水现象。
如果饱和砂土层埋深较浅，地基承载能力就会急剧下降，甚至完全损失，从而导致结构物迅速下沉、倾斜，引起严重破坏。
地震中，液化会伴随着喷水冒砂、地面塌陷、地裂缝等宏观现象。
根据大量学者调查研究，结合汶川大地震，简单介绍地震中液化宏观现象。
①喷砂冒水判定场地是否发生液化，最明显直接的证据就是喷水冒砂，而喷水的高度、时间以及喷砂量能够在一定程度上反映液化层的深度、厚度等情况。
根据统计，汶川地震液化中，喷水高度从几十厘米到十几米不等，其中1～3m左右居多。
另外，此次地震液化喷水时间一般仅持续几分钟，但也有个别比较长的。
如在什邡市思源村、广汉市双石桥村，地震后一个多月，仍有冒水现象，而在乐山市新联村，冒水现象持续3个月之久。
第七章地震导致的区域性砂土液化
Dr=emax—e/emax—emin
其中：e土的天然空隙比； emax和emin分别为该土的最大。
最小空隙比
2．砂土的粒度和级配
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％，中粗砂及塑性指数为 7—10的粉土仅占7.7％，而且全发生在XI度烈度区。
砂土液化引起的破坏主要有以下四种：
(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。
(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，日本新漏1964年的地震引起的砂土液化，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。
第七章 地震导致的区域性砂土液化
7.1 基本概念及研究意义
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 使砂体中空隙水压力上升，砂检之间的有效正应 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，砂钦就会悬浮于水中，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)。这种秒水悬浮液在
砂土液化
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无粘性土液化判别及危害程度评价方法
液化判别是指地基是否发生液化, 液化危害程度是指地基液化程 度。传统液化判别和危害程度评价方法多是在宏观地震灾害现象资料、 现场试验和室内试验基础上总结、分析、统计得出的规律。
传统土液化判别方法大致可归纳为现场实验、室内实验、经验对 比、动力分析四大类。
饱和砂土地震液化治理措施简介
砂土液化的影响因素
土在振动作用下是否液化，主要与土的性质、地震前的应力状况、 震动的特性等因素有关。将前人的研究成果列为下图，较为全面地总结 了土体液化的已知因素。从图中可以看出，地基液化影响因素众多，且 众因素对地基液化的影响呈高度的非线性。现在还很难用统计、简化的 模型、单一弹性体理论或塑性理论甚至包括弹塑性理论准确判别地基液 化和评估危害程度。
地震导致的区域性砂土液化
砂土液化(sand liquefacation):
地面以下一定深度处，饱和松散的细沙、粉细砂在外荷载的反复 作用下，空隙水压力上升，导致骨架应力趋于零，砂土颗粒处于悬浮 状态，砂土的抗剪强度部分或全部丧失, 砂土即出现不同程度的变形 或完全液化，这就是砂土液化现象。
喷水冒砂：
砂土液化后，孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。如果砂土 层上部没有渗透性更差的覆盖层，地下水即大面积溢于地表；如果砂 土层上部有渗透性更弱的粘性土层，当超孔隙水压力超过盖层强度， 地下水就会携带砂粒冲破盖层或沿盖层裂隙喷出地表，产生喷水冒砂 现象。
宏观震害调查表明, 喷冒的主要危害是: (1) 喷冒造成大量水土流失, 地面和建筑物大幅度沉陷; (2) 喷冒使土变得极不均匀, 喷冒孔周围土结构完全改变, 极为松散, 标贯击数 甚至为零。据实测资料, 总的规律是砂层深部变密, 浅部变松; 震后初期较松, 后期因再固结而变密。 (3) 由于地形、地层、工程的影响, 喷冒的分布极不均匀, 加剧了地基的不均匀 性。 (4) 模型试验发现, 喷冒前地基中若有水加层, 其强度为零, 这种情况下考虑液 化土的残余强度是与实际不符的。
砂土液化
由于我国对砂土液化现象的研究处于起步时期，还没有制定出很多特定的测试方法。下面所介绍的仅仅是一种砂土受力状态分析的方法，通过对测试筒中砂的受力状态的分析来取得目标砂土的稳定性。由于饱和砂土受振动时所产生的孔隙压力，不仅决定于砂的密实度和透水性，而且决定于砂的原始应力状态，以及破坏结构的动力强度和持续时间等因素。因此，解决液化问题的关键在于找出这些因素之间的相互关系。
⑶通过改善砂基或砂坡内的应力分布情况，来降低砂基或砂坡的液化现象的发生。前面提到过δ3（静力作用下砂基或砂坡中某一点处的最小主应力）和δ1-δ3（侧压力最大值与最小值差），采用这种防护措施就是增加δ3值或者是减少最大主应力与最小主应力之差
。即δ1-δ3，通过这两个数值的改变，使得在动力作用下的密度rd和不同应力状态时孔隙水压力Μ的发生变化，从而改变了砂土的密实度，当然，也就能在很大程度上缓解砂基液化现象的发生。
砂土的渗透性对砂基或砂坡的液化稳定性有很大的影响，透水性小的细砂，液化历时过程长。因此，当动力荷载的动能波在大体积的砂基或砂坡内传递的时候，最大的液化度极有可能在砂基或砂坡内各处同时发生。相反，在渗透性大的粗砂地基或大坝中，这种各处同时达到最大液化度的可能性就比较小了。同理，采取措施，使细砂地基或坝坡内的水能更易排出来，这确实可以增强砂基或砂坡的抗液化稳定性，而且此项工作较易完成。
一、砂土液化的原因分析
砂土液化现象，早在《梦溪笔谈》中就有过描述，最近几十年，许多学者都对此进行研究，但问题的机理还未彻底阐明，看法还有很大的分歧，也缺少一种正确鉴定液化现象的方法。
砂土液化
砂土液化一、概述在外力或内力(通常是孔隙水压力)作用下，砂土颗粒丧失泣间接触压力以及相互之间的摩擦力，不能抵抗剪应力，就会发生液化。
砂土液化后，孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。
如果砂土层上部没有渗透性更差的覆盖层，地下水即大面积溢于地表;如果砂土层上部有渗透性更弱的粘性土层，当超孔隙水压力超过盖层强度，地下水就会携带砂粒冲破盖层或沿盖层裂隙喷出地表，产生喷水冒砂现象。
地震、爆炸、机械振动等都可以引起砂土液化现象，尤其是地震引起的范围广、危害性更大。
砂土液化的防治主要从预防砂土液化的发生和防止或减轻建筑物不均匀沉陷两方面入手。
包括合理选择场地;采取振冲、夯实、爆炸、挤密桩等措施，提高砂土密度;排水降低砂土孔隙水压力;换土，板桩围封，以及采用整体性较好的筏基、深桩基等方法。
砂土液化在地震时可大规模地发生并造成严重危害。
在中国1966年的邢台地震，1975年的海城地震和1976年的唐山地震等几次大地震中，有些建筑物的破坏，就是由砂土液化造成的。
国外也有类似的例子，在美国1964年的阿拉斯加地震和日本1964年的新※地震中，砂土液化也使许多建筑物下沉、歪斜和毁坏，有的地下结构甚至浮升到地面。
1925年，美国的舍费尔德土坝在地震时全部崩溃，也是由坝底部分饱水砂土振动液化所致。
美国A.卡萨格兰德在20世纪30年代就开始研究砂土液化现象。
近年来，H.B.希特等许多学者对此做了大量工作。
中国学者早在50年代就倡议用动力三轴试验进行液化研究。
从邢台大地震以来，大量砂土液化事例的出现，有力地推动了中国学者对地震液化的研究。
二、机理从力学性质来说，物质在固体状态时，同时具有抵抗体变(体积应变)和形变(剪应变)的能力，因此固体物质在力的作用下，内部可以同时存在球应力张量和偏应力张最状态。
理想液体只具有抵抗体变的能力，而没有抵抗形变的能力，粘滞液体也只有在形变运动过程中才产生与剪应变速率相当的剪应力。
物质从固体状态转化为液体状态的液化现象，从力学观点看，可以说是它的抗剪强度在某种条件下趋于捎失的过程。
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类型：砾，粗，中砂，特别是粉、细砂和少粘性的粉土。 D50=0.015-1.25mm,其中0.02-0.1mm易液化
不均匀系数η=1.7-8 粘粒含量一般≤10% 砂土的密实度用相对密度Dr=emax—e/emax—emin 松砂极易完全液化,而密砂则经多次循环的动荷载后也很
难达到完全液化。即砂的结构疏松是液化的必要条件。
唐山地震时烈度为九度的汉沽区大面积下沉，原 来平坦的地面整体下沉1.6一2.9m，塌陷区边缘出现 大量宽1—2m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)
二.砂土液化的机制 ☆静力条件下，砂土抗剪强度τ＝σtgφ ☆当砂土处于饱和状态下，由于静止孔隙水压力U0 作用，砂土的抗剪强度τ＝(σ-U0)tgφ, τ反映了 饱和砂土抗液化能力的强弱。 ☆在地震情况下，产生水平地震力τd,此时地震力 作用于土体上也产生水平往复的作用，同时在振动 荷载的反复作用下，疏松饱水砂土将趋于密实，透 水性变小，瞬时荷载作用下来不及排走，在原来静 止孔隙水压力的基础上又产生了附加孔隙水压力， 随着振动荷载的反复作用，附加孔隙水压力不断积 累而逐渐上升，设为△U，则：
2．断裂活动性研究
断裂活动是地壳活动的重要表现形式，活
动断裂的研究就是确认那些是活断层，圈定目 前和未来最有可能发生断裂和地震活动，并对 工程构成危险的地段。 3．区域重力场和热力场的研究
重力场和热力场的变化特征，标志着近代
岩石圈的动力条件，也是区域稳定性评价的标
志之一。在区域稳定性评价中，重力场和热力
近代河口三角洲和近期 河床堆积砂体 砂层的成 因和时代
砂土层埋深＞20m，难于液化，一般15m， 地下水埋深＞3m不易。
3.振动的历时和强度
振动强度是产生液化的重要因素，只有振动强度
达到一定的界限值才能在土层中引起足够的剪应力， 并使饱水砂土层中的孔隙水压力升高到产生液化的程 度。振动经历的时间越长，振动次数越多越易。 在VII、VIII、IX度烈度区可能液化的砂土的D50分别
地面下存在饱和砂土和粉土时,除6度外,应 进行液化判别;存在液化土层的地基,应根据建筑 的抗震设防类别、地基的液化等级，结合具体情 况采取相应的措施。 （一）饱和的砂土或粉土，当符合下列条件之一 时，可初判为不液化或可不考虑液化影响：
1.地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时，7，8度 时可判为不液化。 2.粉土的粘粒含量百分率,7,8,9度分别不小于10,13,16 时可判为不液化土。 3.浅埋天然地基的建筑,当上覆非液化土层厚度和地下水 位深度符合下列条件之一时,可不考虑液化影响:
6.5-7.0 8-9 0.25-0.50 6-1.1 0.1-10 较强活动 1.9×107 -4.5×107 明显 有条件适宜大 型和生命性工 程，需做专门 抗震设计
＞7.0 ＞9 ＞0.5 ＜1.1 ＞10 现代强烈活动 ＞4.5×107 十分明显 不适宜大型工程建筑
地震
基本烈度 水平加速度/g 年龄/×104a
指 参
分
标
量 最大震级
级
稳定区
基本稳定区
次稳定区
不稳定区
≤5.25 ≤6 0.062 ＞240 或240-73 0-0.1 不活动 ≤2.5×106 无 适宜所有类 型工程建筑， 不需或作适 当抗震设计
≤5.5-5.75 ≤7 0.125 73-6 0.1-1 不活动或微活动 3.4×106 -4.7×106 不明显 适宜所有类型工 程建筑，需抗震 设计
有机联系。特别是断裂活动和地震活动的联系更
为紧密，对区域稳定性的影响也更为显著和直接。
（二）区域稳定性评价的主要内容 为以下方面： 1．区域地质构造研究 区域地质构造是区域稳定性评价的基础。分 析区域地质构造的目的在于查明地质历史过程中 区域构造的活动性特征，以判定区域地壳现代活 动的程度。 区域地质构造包括褶皱、断裂和其它类型的 构造及其具体性状及空间展布，是大地构造、地 壳演化和断裂活动的反映。褶皱剧烈、断裂发育 指示出地质历史上是地壳活动强烈的大地构造单 元，反之，则地壳为稳定的。
〔D〕 〔D〕
〔A〕〔B+C〕
〔C〕或其它更经济措施
注：A.为全部消除地基液化沉陷的措施，为采用桩基、深基础、深层处理至液化深度以下或挖 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，一般包括减少或适应不均匀沉陷的各项构造措施； D.为可不采取措施。
du＞d0+db-2 dw ＞d0+db-3 du+dw ＞1.5d0+2db-4.5 du---上覆盖非液化土层厚度,计算时宜将淤泥和 淤泥质土层扣除; dW---地下水位深度,宜按设计基准期内年平均最 高水位采用,也可按近期内年最高水位采用; db---基础埋臵深度,不超过2m时应采用2m; d0液化土特征深度,按下表采用
为0.05一0.15，0.03一0.25，0.015一0.5mm。亦即地
震震级越大，烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范
围愈大。烈度愈高可液化砂土的相对密度值也愈大，
Dr＞55%， VII度区不液化， Dr ＞70%，VIII度区不 液化。
四. 砂土地震液化的判别
（建筑抗震设计规范GB50011-2010）
活动 断裂
活动速率/mm.a-1 综合评价
地球 物理
地壳应变能/J 区域性重磁异常
工程建设的适宜性 及抗震措施
（四）区域稳定性评价对象及实例 1.大型水利水电工程：对区域稳定性要求最为严格 的工程之一。有关部门规定，在地震烈度为7度及 以地区修建大型水利水电工程必须进行区域稳定性 评价。水工建筑物应尽可能选择在相对稳定地段， 避开不稳定地段，确保工程的安全和经济合理。 如二滩水电站，三峡工程 2.核电站工程规划：确保核电站设施安全运行，防 止核泄漏必须考虑的问题。 如苏南核电站 3.城市区域稳定性评价： 为城市规划建设服务，如深圳，宁波，西安等
液化土特征深度(m) 饱和土类别 粉土 砂土 7度 6 7 8度 7 8 9度 8 9
地震砂土液化限界指标初判流程图
(二)砂土液化的进一步判别 当饱和砂土、粉土的初判认为需要进一步进行 液化判别时，应采用标准贯入试验判别地面下20m 范围内的液化。当饱和土标准贯入击数小于或等于 液化判别标准贯入锤击数临界值时应判为液化土。 （实际贯入击数N63.5≤Ncr，液化） 计算临界标贯击数
液化等级与液化指数的对应关系
液化等级 轻微 中等 严重
液化指数Iie
0＜Iie≤6
6＜ Iie ≤18
Iie＞18
五.砂土地震液化的防护措施
抗液化措施选择原则
地基液化等级 建筑类 别 甲类 乙类 〔B〕或〔C〕 轻微 中等 特殊考虑 〔A〕或〔B+C〕 〔A〕 严重
丙类
丁类
〔C〕或〔D〕 〔C〕或其它更高措施
Dr＜50%易液化，Dr＞75%不易 同样条件下，松散、均匀的粉细砂土最易液化。
2.可液化砂土层的埋藏分布条件 砂层埋藏条件包括地下水和砂层埋深；其 上的非液化粘性土层厚度这两类条件。地下水 埋深愈浅，砂层埋藏浅，厚度大，非液化盖层 愈薄，在其它条件相同时则愈易液化。 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条件，而又广泛分布的 砂体，主要是滨海平原，近代河口三角洲，冲 积平原，低阶地及漫滩及古河道分布地区。
（三）区域稳定性分区 区域稳定性研究的目的，是进行区域稳定性分 区，即把一定区域内具有不同稳定程度的地段分成 小区，编制分区图，供工程规划设计部门和有关决 策部门使用。 由于影响区域稳定性的因素较多，需要进行全 面的综合评价。而断裂活动和地震作用是影响区域 稳定性的主要因素，仅以地震烈度指标为主，概括 分析其它指标的基础上，结合各类工程的抗震设计 规范要求，将区域稳定性分为：稳定区、基本稳定 区、次稳定区，不稳定区。 各分区主要特征见下表。
场指标有重要意义。
4．地震影响评价 地震对区域稳定性的影响十分显著，工程部 门历来重视地震活动性研究。当前一些大型工程， 一般以工程区为中心，在半径300km范围内，对 地震资料进行综合分析。 分析研究震源区的位臵、特征、震级和烈度， 判断发震的危险性，以掌握地震活动的时间、空 间和强度规律。 5．预测水库诱发地震 根据区域地震背景及场地的具体地质条件， 对修建水库诱发地震的可能条件做出评价，并对 诱发地震的地点和强度做出预测。
三.影响砂土液化的条件
砂土特性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:砂土的成分、结构以及饱水 砂层的埋藏条件。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:地震的强烈程度和持续时间。
1.土的类型及其特性 用土的颗粒组成特征值表示：
(2)地基失效：随粒间有效正应力的降低，地基土
层的承载能力也迅速下降，甚至砂体呈悬浮状态时 地基的承载能力完全丧失。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。
Байду номын сангаас
1976年唐山地震时，天津市新港望河楼建筑群， 因地基失效突然下沉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。 (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。
§4
地震导致的区域性砂土液化
一.基本概念及研究意义 由于地震或其它外力作用,饱水砂土受强烈
振动而丧失其抗剪强度,处于流动状态,没有承载
能力,造成地基失效,使建筑物毁坏，这种过程和
现象称为砂土液化(sand liquefacation)。
因地震所引起的砂土液化规模大，范围广，
对工程建筑造成很大破坏，成为地震学及工程地