地震作用下土的液化评述

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试验和计算都证明, 在有建筑物的情况下, 由于基础 附加应力的作用, 其液化势的分布, 与一维水平层的自由 场情况是不同的。直接位于基础下的土, 由于附加应力的 抑制而较难液化; 位于基础外侧的浅层土最易液化。以同 一标高的不同水平位置相比, 液化难易程度的次序是, 基 础外侧最先液化, 自由场次之, 基础下最晚。据陈克景、 刘忠珊的研究, 在达到极限平衡状态时, 基础下土的孔压 比最大值一般在0.5以下, 基础两侧为0.8-1.0,自由场不 大于0.8。因此,液化地基的破坏是由于基础外侧土首先软 化和液化, 中间土失去侧向支承力的结果。具体地说,基 础两侧土软化后, 土中附加应力重分布, 基础下的土应力 增加; 两侧土液化后附加应力完全集中在基础下的土上, 基础下的土自身软化, 又失去两则土的支承. 导致失稳和 大量沉陷。
地震力作用下影响饱和砂土液化的因素
• 颗粒特征: 反映土的颗粒特征的物理指标, 我们主要采用 平均粒径d50 , 不均匀系数Cμ ,以及粘粒含量Mc。 实验室 的研究和现场观察证明: 平均粒径越大, 不均匀系数越高, 粘粒含量增加, 土的抗液化能力越高。 • 土的密度特征: 一般用相对密度来衡量. 对同一种砂土而 言, 相对密度越低, 越易液化; 反之, 越不易液化. 松砂 在振动中, 体积易于压缩( 剪缩) , 孔隙水压力上升快, 故较密砂易液化。 • 土的起始应力条件: 土的起始应力条件显著地影响着土的 抗液化能力. 在侧限实验条件下, 应力状态常用覆盖有效 压力σ 表示。σ 越大, 土的抗液化能力越强。 • 地震情况: 主要指地震的振幅、频率、持续时间等. 实验 表明, 振幅越大、频率越高、持续时间越长,砂土越易液 化。
以上论述可以得到以下几点重要结论; (1) 在最大孔压比达到液化之前, 地基即已产生可观的沉 陷, 故孔压比不宜大于0.6-0.7 ; (2) 基础外侧比自由场更易液化; (3) 宽度大的基础有利于抗震; (4) 地震时可液化的土不应直接作为基础的持力层。
震陷
震陷是地震引起的土的竖向残余变形。广义的震陷由 以下三部分组成: (l) 残余体积变形; (2) 残余的土体形变, 由侧胀及剪切变形引起; (3) 喷水冒砂的水土流失导致的震陷。 在以上三部分中, 由于地基失稳基础滑动而产生的沉 陷以及喷水冒水上流失产生的竖向变形, 数值很大, 但还 不能定量计算, 难以预测。残余体积变形是地震时受动剪 应力作用, 砂土变密, 孔隙水排出的固结变形。砂土越松, 烈度越高, 砂层越厚, 变形(震陷) 越大,一般不超过5%, 常见2%以下。
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• 式中: Δ u为因振动而产生的剩余孔隙水压力; u为总孔隙 水压力。
• 显然, 此时砂土的抗剪强度将更低了。随振动持续时间的 增长, 剩余空隙水压力不断地叠加而累积增大, 而使砂土 的抗剪强度不断降低, 甚至完全丧失。 • 在工程实践中, 一般都采用砂土的抗剪强度τ 与作用于该 土体上的往复剪应力τ d 的比值来判定砂土是否发生液化。 τ d 大小和方向随时间不断变化的, 其对单元用方式如图1 所示。
强度失效
根据库仑定律, 在动力作用下的无粘性土, 其强度为: 式中σ --总应力; u --孔隙水压力; --土的动力作用下 的内摩擦角。 土层液化时,孔压u急剧上升,来不极消散,当u=σ 时, τ =0,地基完全丧失强度,产生大幅度的沉陷。 孔压有个发展过程,随着孔压的发展,土的强度降低, 当达到与剪应力相等时,呈极限平衡状态, 此时孔压继续 增长, 土体破坏。因此, 地基的失效不一定要等到τ =0 完全液化时才发生。
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水是一种液体, 它的突出力学特性是体积难于压缩, 能承受极大的法向应力, 但不能承受剪应力。 饱和砂土由于孔隙水压力u0的作用, 其抗剪强度将 小于干砂的抗剪强度:
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式中: σ '为有效法向应力, 显然σ '<σ 。
• 在地震过程中, 疏松的饱和砂土在地震动引起的剪应力的 反复作用下, 砂粒间相互位置必然产生调整, 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。在急剧的周期性荷载作用下, 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未 完成, 下一周期的孔隙度减小又产生了, 因排除的水来不 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。此时砂土的抗剪强度为:
土壤液化机理 • 砂土地震液化的研究 影响因素 强度失效 • 地震液化引起的地基失效 震陷 喷水冒砂
砂土地震液化的机理
• 饱和砂土是砂和水的复合体系。在振动作用下, 饱 和砂土发生液化, 是由于土颗粒间有效应力减小而孔隙 水压力增大的结果。砂土是一种散体物质, 它主要依靠 颗粒之间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定; 而这种 摩擦力主要取决于颗粒之间的法向应力:
• 地下水位的高低: 地下水位越高, 土层越易液化; 反之, 越难液化。 • 土层的排水条件: 排水条件包括土的透水程度、排渗路径 及排渗边界条件。 土层的排水条件越好, 超静孔隙水压 力越易消散, 所以液化的可能性相对越小; 反之, 越大。 • 以上诸因素共同作用, 决定了饱和砂土是否液化。
饱和砂土地震液化危害
• 当τ > τ d , 即τ / τ d > 1 时, 不会产生液化。 • 当τ = τ d , 即τ / τ d = 1 时, 使处于临界状态, • 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 < τ d , 即τ / τ d < 1 时, 则沿剪切面的塑性平衡 区迅速扩大, 导致剪切破坏加剧。而当孔隙水压力继续上 升, 直至与总应力相等; 有效法向应力及抗剪强度均下降 为零, 即当τ /τ d = 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。 • 从初始液化状态至完全液化状态往往发展很快, 二者界线 不易判别。为了保证安全, 可把初始液化视作液化。
3.地基土承载力丧失 持续的地震会使砂土中空隙水压力上升, 而导致土粒 中有效压力下降。当有效压力趋于零时, 砂粒即处于悬浮 状态, 丧失承载能力, 引起地基整体失效。唐山地震时, 唐山和天津地区许多房屋、桥梁和铁路路段也因地基失效 而破坏。 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。有时场地地面极缓, 甚至近于水平也发生滑 移。如: 1971年美国圣费尔德地震滑移地段, 地面坡度仅 为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。
喷水冒砂
喷冒的主要危害是: (l) 喷冒造成大量水土流失, 地面和建筑物大幅沉陷, 其 数值尚无法定量预测。 (2) 喷冒使土变得极不均匀, 喷冒孔周围上结构完全改变, 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(包括房屋、井、管道等) 的 影响, 喷冒的分布极不均匀, 加强了地基的不均匀性。 (4) 模型试验发现, 喷冒前地基中有“水夹层, 其强度为 零, 远小于液化残余强度。这种情况下用液化后土的残余 强度进行验算, 与实际不符。
地震作用下土的液化评述
液化---饱和松散的砂 ( 粉) 土在地震、动 荷载作用下，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。
历史上的几次大地震留给我们的记忆是悲惨的。在地 震发生过程中土壤液化造成了触目惊心的灾害:1976年唐 山地震引起陡河、滦河、蓟运河、海河故道及月牙河等河 岸滑移、地裂、喷砂, 造成唐山胜利桥、越河桥、汉沽桥 等公路和铁路桥长度缩短、桥台倾斜、桥墩折断落梁、河 道变窄, 天津毛巾厂、天津钢厂等单位数十栋房屋被拉断、 倒塌或开裂; 1995年的神户大地震, 由于液化导致了城市 道路坍塌, 河、海岸岸坡滑移, 房屋倾倒, 神户港的许多 重力式码头和邻近的人工岛挡土墙遭到了严重的破坏。 1999年的土耳其地震中, Adapazari市的地面遭到严重的 破坏, 四个中心市区超过1200幢建筑倒塌或是严重破坏, 数百栋结构物翘起或是陷入地下, 其部分归因于土壤液化。 这些由于液化造成的灾害促使人们去研究土壤的液化问题。
饱和砂土地震液化危害性归纳起来主要有以下四个方面。 1.地面下沉 饱和疏松砂土因振动而趋于密实, 地面随之下沉, 结果 可使低平的滨海地带居民生计受到影响,甚至无法生活。 唐山地震时烈度为������ 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~ 2.9 m。 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。我国海域和唐山两次大地震,均导致了附近滨海冲击 平原上大面积喷砂冒水。喷出的砂水混合物高达3~ 5 m, 形成了许多圆形、椭圆形陷坑, 坑口直径3~ 8 m。