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。

(1)土体的类别和性质

表1影响砂土液化的因素之土性条件

因素指标对液化的影响

颗粒特征

粒径平均粒径d50

细颗粒易液化，平均粒径在0.1mm左右的细沙抗液化性最

差

级配不均匀系数C u C u越小，抗液化性愈差，黏性土含量愈高。愈不容易液化形状——圆粒形砂比棱角砂容易液化

密度相对密实度密度越高，液化可能性越小

渗透性渗透系数渗透低砂土容易液化

结构性——原状土比结构破坏图容易液化，老砂层比新砂层不易液化压密状态超固结比超固结比砂土比正常密实土不易液化

(2)饱和砂层的埋藏条件

饱和砂土层埋藏条件主要包括饱和砂土层的厚度，砂土层上非液化粘性土层厚度以及地下水埋深，它们决定了超孔隙水压力和有效覆盖压力的大小。

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

上覆土层有效应力

静止压力系数k 上覆土层越大，土的有效应力越大越不容易液化

排水条件孔隙水渗透路径

液化砂土的厚度

排水条件好有利于孔隙水压力的消散，能

减少液化的可能性

边界层的渗透性

地震历史————

遭受历史地震的砂土比未经遭受地震的

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) 地震的强度

引起砂土液化动力是地震加速度，显然，地震愈强、加速度愈大，历时愈长，则愈易引起砂土液化，而且范围愈广，破坏愈严重。

表3 影响砂土液化是因素之动荷载条件

因素指标对液化的影响

地

震烈度地震强度地面加速度

地震烈度高地面加速度大，易

液化

持续时间等级循环次数震动时间长或次数多，易液化(4) 地震持续时间

地震时间越长，产生的等效剪切力、循环次数越多。

3、砂土地震液化的判别及防护措施

在地质条件、地震强度及持续时间两方面都可能产生砂土液化的地方，工程地质勘察时就需要判定某一地方、某一深度处砂土层液化的可能性。通常的判别程序是先按地震条件、地质条件、埋藏条件、土质条件的一些限界指标进行初步判别，经初步判别为不液化的场地就可以不再进一步的判别，以节省勘察工作量。判别为液化的场地则应进一步通过现场测试、剪应力对比或地震反应分析等方法进行定量判别。

3.1 砂土地震液化的初步判别

（1）6度时，饱和砂土不能进行液化判别。

（2）饱和砂土其地质年代为第四纪晚期更新世Q3及其以前时，7、8度时可判别为不液化。

（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，不考虑液化的影响。

d u>d o+d b-2

d w>d o+d b-3

d u+d w>1.5d o+2d b-4.5

其中，d w为地下水位埋深，d u为上覆非液化土层的厚度d b为地基埋深深度（不超过2m应用2m），d

o

为液化图特征深度，对应地震烈度7度、8度、9度时分

别取7m、8m、9m，计算时将淤泥和淤泥质土层扣除。

3.2 砂土液化的进一步判别

当饱和砂土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，当饱和土标准贯入锤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。

在地面下20m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值计算如下式：

N cr=N oβ[In(0.6d s+1.5)-0.1d w]pc

/3

其中：N cr为液化判别标贯入锤击数临界值，N o为液化判别标准贯入锤击数基准值，7、10、12、16、19分别对应加速度为0.1、0.15、0.20、0.30和0.40，ds为饱和土标准贯入点深度，d w为地下水位，p c为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时采用3，β为调整系数，设计地震第一、二和三组分别取0.80、0.95和1.05 。

3.3砂土液化的防护措施

在可能受到强烈地震影响的河口三角洲、冲积平原或古河床上进行建筑活动时，必须采取防地震液化的措施。

(1)选择建筑场地

应尽量避免未经处理的液化土层作为地基持力层，故应选表层非液化盖层厚度大、地下水埋藏深度大的地区作为建筑场地。计算上覆非液化盖层和不饱和水砂层的自重压力，如其值接近或等于液化层的临界盖层，则属符合要求的场地。避免滑塌危害，地表地形平缓，液化砂层下伏底板岩土体平坦无坡度者为宜。选择液化均匀且轻微的地段，液化层厚度均一较不均一的为好。

(2)地基处理

①采用加密法（如振冲、振动加密，挤密碎石桩，强夯等）加固处理至液化深度下界，且对地基边缘以外的处理宽度规范要求实施。

②采用非液化土替换全部液化土层，或增加上覆非液化土层厚度。

(3)基础和上部结构处理

①选择合适的基础埋深（因基础形式而定）。

②调整基础底面积，减少基础偏心。

③加强基础刚度和整体性。

④减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性。