3 砂土振动液化

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易产生液化 。
对我国海城地震(1975)的 宏观调查得出的结论是:如砂 土的相对密度大于55%,七度 地震区可能发生液化。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.2 土体本身特性
(7)年龄或胶结程度 新近沉积的土比更老沉积的土容易液化。土体承
受围压的时间越长,其抵抗液化的能力就越强。下表 给出了沉积物的液化趋势与其地质年代的估计值。
现场初始液化区的确定
3.4 砂土液化可能性的判别
3.4.1 剪应力对比法(Seed)
(1)地震剪应力τav的确定
最大剪应力计算
3.4 砂土液化可能性的判别
3.4.1 剪应力对比法(Seed)
(1)地震剪应力τav的确定
( ) 最大地震剪应力:
τ max
r
=
γh
g amax
= σv0
amax g
( ) ( ) τ = r τ 校正后的最大地震剪应力: max d
振动孔隙水压力上升与否及上升幅度受诸多因素影响,如土 体在震动过程中发生剪胀还是剪缩,土体的排水条件等(陈国 兴,2007)
3.2 砂土液化的原因和机理
无粘性土的抗剪强度可表示为:
τ f = σ´ tan ϕ´ = tan ϕ´(σ − u) u → σ ,σ΄ → 0,τ f → 0,G → 0
对于水平地震液化,建筑荷载的效应被忽略了。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.2 土体本身特性
(3)土的种类 最易于液化的土的类型是无粘性土。 干净的砂、无塑性的粉砂、无塑性淤泥和砾砂等
,依次分别是最易于液化到最不易液化的土的类型。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.2 土体本身特性
(3)土的种类
利用Seed和Idriss等(1982)提出的判别标准,后又经Youd 和Gilstrap等(1999)验证,如果粘性土要产生液化,它必须 全部满足如下三个条件:
38.5
β (z) = 0.106 + 0.118⋅sin( z + 5.142)
37.0
3.4 砂土液化可能性的判别
3.4.1 剪应力对比法(Seed)
(1)地震剪应力τav的确定
地震时土层中任一点的剪应力时程曲线是不规则的, 将这种不规则的剪应力用等效的均匀应力来代替为:
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.3 场地条件和历史环境
(10)地下水位
最有利于液化的情况就是接近地表的地下水位线。 位于地下水位线以上的非饱和土不会液化。在地下水 位线浮动的场地,其液化势也随之浮动。一般情况下 ,液化分析需考虑历史最高地下水位,除非能证明采 用更高或更低的其它水位是更合适的。一般考虑土的 液化时主要是指位于地下水位以下的土体。
3.4 砂土液化可能性的判别
3.4.1 剪应力对比法(Seed)
(1)地震剪应力τav的确定
Idriss & Golesorkhi(1997)提出的计算折减系数的公式
,式中的Mw为震级,z为深度。 z ≤ 24m(80 ft)
ln(γ d ) = α (z) + β (z) ⋅ M w α (z) = −1.012 −1.126 ⋅sin( z + 5.133)
美国土木工程师协会岩土分布土动力学委员会(1978)对 “ 液化”一词的定义是:“液化—任何物质转化为液体的行为或 过程,就无粘性土而言,这种由固体状态转变为液体状态的 转化就是孔隙压力增大和有效应力减小的结果”。
3.2 砂土液化的原因和机理
土体的三种液化机理为: (1)砂沸(sand boil)
3.3.3 场地条件和历史环境
(12)历史环境 历史环境也可以影响土的液化趋势。例如,较老
的已经经受过地震震动的沉积土,比新近形成的、密 实度相同的土具有更高的抗液化能力。抗液化能力还 随着超固结比(OCR)和静止侧压力系数k0的增加而 增大。
3.3 影响砂土液化的因素
总之,最容易产生液化的场地条件和土的类型是: 场地条件:靠近主震震中或位于断层破裂带上的场 地;地下水位线接近地表的场地;
d max r
3.4 砂土液化可能性的判别
3.4.1 剪应力对比法(Seed)
(1)地震剪应力τav的确定
折减系数rd随深度的变化(据谢定义,1988)
3.4 砂土液化可能性的判别
3.4.1 剪应力对比法(Seed)
(1)地震剪应力τav的确定
水平或略微倾斜 地面的折减系数 rd随深度的变化 (Andrus etc,2000)
3.1 概述
砂土液化造成的道路倾斜和路面开裂
3.1 概述
阪神地震(1995)砂土液化造成的路面沉降
3.1 概述
Olympia, Washington, 2001 形成的地面沉降
3.1 概述
地震砂土液化造成的地面沉降
3.2 砂土液化的原因和机理
从物质状态而言,可以分为固体、液体和气体。 物质在固体状态时具有剪切刚度(剪切模量G>0)
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.2 土体本身特性
(5)颗粒形状 颗粒形状也可以影响液化趋势。 例如,圆形颗粒比棱角状颗粒更容易密实,因
此,含有圆形颗粒的土体比含有棱角状颗粒的土体 更容易液化。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.2 土体本身特性
(6)相对密度
从现场研究来看,处于相 对较为疏松状态的无粘性土容
化。因此,渗透性高的砂砾土或砂砾层可以减少其邻 近土体的液化趋势。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.3 场地条件和历史环境
(9)围压 围压越大,土体越不容易液化。产生更高围压的
条件是:更深的地下水位、距离地表的深度更大的土 体和地表超载。实例研究表明,可能产生液化的区域 通常是从地表到最大深度约15m的范围。由于更高的 围压,更深处的土体一般不液化。但是这并不意味着 深度超过15m的土就不必进行液化分析。
化剪应力τL。 将每一点的平均的地震周数应力τav同抗液化剪应力τL进行
比较;如果τav≥τL,则该点就发生液化;如果τav<τL,就 不;即会可发求生出液土化层。内将τ不a同v≥深τ度L的的范τ围av分,布即线液同化τ的L范分围布线进行比较
3.4 砂土液化可能性的判别
3.4.1 剪应力对比法(Seed)
循环活动性的机理可能是比较复杂的, Casagrande等指出,试件中的相对密度和含水量在 不排水循环剪切作用下会有较大重分布和不均匀性。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.1 地震动特性和建筑荷载
(1)地震烈度和持续时间 震级越大,产生的加速度就越大,震动持续时
间也越长,形成的砂土液化破坏也就越严重。 产生液化所需的阈值为: 地震动加速度最大值amax = 0.1g,和地方震级
砂土液化成为地震工程学或土动力学的重要组成部 分,成为具有重要理论和现实意义的领域,获得了较 为丰硕的研究成果。
3.1 概述
1964年日本新泻地震(Nigata)中砂土液化造成的建筑物倾倒
3.1 概述
美国El Centro ,CA地震中的喷砂冒水(1979)
3.1 概述
阪神地震(1995)岸边大面积砂土液化,并伴有严重的滑移和开裂
在给定场地条件下最容易产生液化的土的种类: 级配均匀、圆形颗粒、非常疏松或松密实状态、新 近沉积且颗粒之间未胶结、没有预压或地震震动的砂。
3.4 砂土液化可能性的判别
3.4.1 剪应力对比法(Seed)
基本思路:
计算土层中各个不同深度处由于地震引起的周期剪应力τav
;同时在试验室内用代表性砂样在原位限制压力作用下采用等 效循环周数测定土的初始液化所需的周期剪应力,即所谓抗液
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.3 场地条件和历史环境
(9)围压 日本新泻地震(1964.6.16,7.5级,震中烈度8度)时 ,在一个3m厚的填土下面的土层保持稳定,而填土以外 的同样砂土却普遍液化了。 我国海城地震(1975)时也有类似的例子。在营口水源 公社苗家店附近约10km2范围内因修水库填了一层土,地 震时水源公社普遍喷砂冒水,而这10km2范围并未液化。 因此,在密度较低的松砂上施加一定的附加荷载可以提高 砂土的抗液化能力。
这种土含有的细于0.005mm的颗粒必须少于15%; 这种土的液限不得超过35,即LL<35%; 土的含水量必须大于0.9倍的液限,即w>0.9(LL)。 如果粘性土不完全满足上述三条标准,那就认为是非液化土。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.2 土体本身特性
(4)粒径级配
级配均匀的无粘性土易于形成更不稳定的颗粒排列,因此比 级配良好的土更易产生液化。即不均匀系数愈小,砂土愈容易 液化。当不均匀系数超过10时,砂土一般不易液化。
和抗剪强度(τf>0),所以在重力场内能够“自我”
保持一定形状,但是液体状态则不能“自我”保持一 定的形状,因为后者在状态分类中属于没有剪切刚
度(G = 0)和抗剪强度(τf = 0)的物体。
3.2 砂土液化的原因和机理
地震波由下伏基岩岩土层向上传播,在土体中产 生交变应力,从而产生振动孔隙水压力,这是产生砂 土液化的主要原因。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.2 土体本身特性
(7)年龄或胶结程度
抗液化能力随时间的增 长可能是由于土颗粒的 变形或者颗粒被压缩到 一个更稳定的排列。随 着时间的发展,在颗粒 接触部位还可能形成胶 结。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.2 土体本身特性
(8)排水条件 如果超静孔隙水压力能快速消散,土体就不会液
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.3 场地条件和历史环境
(11)位置条件和沉积环境 由于水力沉积形成的松散和孤立的结构,水力冲
填土似乎更易于液化。在湖泊、河流或海洋中形成的 自然沉积土也容易形成松散孤立的土结构,因而也更 容易发生液化。最容易发生液化的土的沉积环境是湖 积、冲积和海积。
3.3 影响砂土液化的因素
“予赏过无定河,度活沙,人马履之,百步外皆动 ,……然如人行幕上。其下足处虽甚坚,若遇其一 陷,则人马驰车,应时皆没,至有数百人平陷无孑 遗者。或谓,此即活沙也”。
3.1 概述
1964年的日本新泻地震、1964年美国阿拉斯加地震 ,同期我国1961年的巴楚地震、1966年的邢台地震等 ,都产生了大量砂土液化的现象和工程破坏,引起了 人们的高度重视,此后国内外关于地震砂土液化的研 究逐步开展起来,成为新的热点研究课题。
于体积持续剪缩、孔隙水压力不断上升、有效 应力减小,使得抗剪强度降低而导致的无限制 的流动大变形。
3.2 砂土液化的原因和机理
(3)循环活动性(cyclic mobility) 在中密和密实的饱和无粘性土中,在循环剪切
过程中,由于土体体积剪缩和剪胀交替作用引起孔隙 水压力时升时降,而造成的间歇性液化和有限制的断 续流动性变形现象。
松砂在震动过程中的体积和结构的变化图
3.2 砂土液化的原因和机理
在地震动作用下,饱和砂土发生液化必须同时具备两个基本 条件:
①震动强度足以使土体结构破坏,这主要取决于地震动强度 和持续时间、土体的强度和上覆压力等;
②土体结构破坏后,振动孔隙水压力随应力循环次数的增加 而逐渐上升,其大小最终足以使饱和砂土出现局部或全部消失 抗剪强度。
当饱和砂沉积体中的孔隙水压力由于地下水头变化 而上升到等于或超过它的上覆压力时,该饱和砂沉积体 就会发生上浮或“沸腾现象”,并且全部丧失承载能力。 这个过程与砂的密实程度和体积应变无关,而是渗透压 力引起的液化,常被考虑为“渗透不稳定”现象。
3.2 砂土液化的原因和机理
(2)流滑(flow slide) 饱和松砂在单向或往返剪切作用下,由
ML = 5。这样,对于最大加速度小于0.1g震级ML 小于5级的地震,就不必进行液化分析。
3.3 影响砂土液化的因素
3.3.1 地震动特性和建筑荷载
(2)建筑荷载 砂土沉积物上面沉重的建筑物会降低土的抗液化
能力。下面的土体将受到建筑物荷载引起的剪应力。 这些产生在土中的剪应力使得土体更容易液化。原因 就是导致土体收缩和液化所需的地震附加剪应力更小 了。
3 砂土的振动液化
3.1 概述 3.2 砂土液化的原因和机理 3.3 影响砂土液化的因素 3.4 砂土液化可能性的判别 3.5 砂土振动液化试验 3.6 防止砂土振动液化的措施
3.1 概述
砂土液化是地震地质灾害的重要类型之一,而人们 对地震砂土液化现象的认识也是由来已久,如黄文 熙先生在《砂基和砂坡的液化研究》(1984)一文 中就曾引述了我国宋代沈括的名著《梦溪笔谈》中 关于 “活沙”之说的论述:
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