4地震中砂土液化现象研究及其工程防治

响饱和砂土液化的因素，避免了室内试验中土样扰动等问题 具有较强的实用性和可靠性。 但也存在一些不足：需要大量 的地震现场统计样本，已经累计的各类土体液化现场试验数 据还比较少； 地基液化调查资料多是在自由场地取得的，一
作用的观点出发，研究了对房屋震害的影响。 当建筑物位于 平坦而无侧向扩展的地基上时，土层液化减轻房屋震害的现 象更明显。 对于土层液化对震害影响的双重作用的机理，和 在工程中如何评判液化对房屋震害的可能影响，有待于今后
而不利于高柔建筑。
5 砂土液化的工程防治
砂土液化工程防治仍然是岩土工程治理最重要的课题 之一，常用防治方法大致可归纳如下：
（1）可以降低地震的水平力对基底的砂 土作用 ，利用减
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能源开发
（7）第Ⅶ沉积幕：童子岩组 3 段上亚段。 该段 因受 F3 推 覆断层的影响保存不全。 主要是障壁岛—泻湖沉积总体。 其
砂土液化现象作为地震灾害的一种主要形式，常常会引 起建筑物基础的不均匀沉降及结构的破坏，造成严重灾害和 人员伤亡，给人类带来巨大灾难。 因此进一步深入研究砂土 液化机理并提出相应的防治措施是非常重要的。
1 砂土液化的机理
饱和砂土在水平振动作用下，土体间位置将发生调整而 趋于密实，土体变密实势必排除孔隙水。 而在急剧的周期性 动荷载作用下， 如果土体的透水性不良而排水不畅的话，则 前一周期的排水还未完成，后一周期又要排水，应排走的水 来不及排出，而水又是不可压缩的，于是就产生了剩余孔隙 水压力 （或称超孔隙水压力)。 此时砂土的抗剪强度 τ 为：
应力指标，比较两者大小判别液化与否。 采用的主要室内试 验有：各种类型的循环三轴压缩试验、共振柱试验、循环剪 切、 循环扭剪、振动台、离心机模型试验。 此类方法主要用于
效果也好。 （2）基础类型从抗震角度，多层砖房的基 础可分为抗震
性能较好的柔性基础和抗震性能较差的刚性基础。宏观震害
判别在大型建筑物地基中和土工结构物中的饱和砂土体的 液化。 它可根据建筑物的具体形状、场地边界、 排水条件等
τ=［σ-(pw0-Δpw)］tanφ 式中：σ 为法向应力；pw0 为静 孔隙水压力；Δpw 为超 孔 隙 水 压 力；φ 为砂土的内摩擦角。
显然，此时砂土的抗剪强度大为减小。 随振动时间延续， Δpw 不断累积叠加而增大， 最终可抵消 σ 而使土体的抗剪强 度完全丧失，液化产生。 其现象就是发生喷水冒砂、地表塌 陷。
些方法及其优缺点。
关键词 砂土液化 孔隙水压力 液化影响 地基处理
中 图 分 类 号 ：TU435
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1672-9064(2009)03－0041－03
地球给予了我们生活的空间，同时也由于其内部动力地 质作用的原因在不断改变人们生活的世界。地震带给人们的 灾难是惨重的，如：1964 年日本新泻发生的 7.6 级地震，由于 近河岸大面积砂土地基产生液化，大量建筑物遭到破坏， 坍 毁房屋 2130 栋，严重损坏 6200 栋，轻度损坏 31200 栋。 1966 年我国邢台发生的 6.7 级地震， 沿着滏阳河及 其支流两岸， 在南北长约 60km，东西宽约 10～ 20km 的广大 地区内，发生 喷砂冒 水现象，造成大量堤 防坍滑 ，河 道 建 筑 物 破 坏 。 1976 年 唐 山 发 生 的 7.8 级 地 震 都 曾 造 成 大 面 积 砂 土 液 化 现 象 。 2008 年四川汶川发生 8.0 级特大地震，局部地区震后数分钟 地表开始大面积砂土液化，喷水冒砂现象严重，引起地表开 裂与下沉，并最终使建筑物成片裂塌，笔者在震后进入灾区 看到多处砂土严重液化现象。
（1）对工业与民用建筑而言，液化造成的 震害以产生倾 斜、沉降和不均匀沉降为主，最终使建筑倒塌。
（2）液化土层有减震作用，地震波通过液 化土层后其高 频成分被大大削弱，主要是长周期的成分能够穿过液化层而
析、统计和总结，建立与宏观地震灾害资料之间的关系，得出 经验公式或液化分界线来判别液化与否。主要包括标准贯入
（3）初始应力状态。 许多调查资料表明，饱和砂层上的有 效覆盖压力 σ0 具有很好的抗液化作用。 一般加压土层的厚 度在 3m 以上时，下面的砂层比较难以液化。 此外在实际上， 应该充分利用液化土层上的覆盖土层。
（4）土层的刚度。土层的刚度将决定场地的卓越周期。 当 建筑物的自振周期与场地卓越周期接近时，就会由于共振而 导致震害产生。 地震的 震害调查结果显示 周期约为 0.5s 的 木 房 屋 ， 当 建 造 在 深 厚 30m 的 软 土 层 上 时 ， 破 坏 率 高 达 30％； 当它们建造在硬土 和岩石上时 ， 破坏率降 低为 1%。 1988 年 的 墨 西 哥 发 生 了 强 地 震 ， 首 都 墨 西 哥 城 距 震 中 约
经验表明，这两类基础不仅破坏形式不同，而且对上部房屋 的影响也不同。 由于砖石基础等的不均匀沉陷、断裂和错动，
在实验室中进行模拟。 并根据实际经验对结果给予修正。 此 类方法存在取样困难、应力释放和试样应力状态与土基差异 较大等缺陷。 因此，试验参数确定以及如何更好地模拟土体
上部砖石结构的墙、柱、梁等也随之出现开裂、倾斜、甚至倒 塌。 也就是说，砖石基础等刚性基础，当出现地基失效时往往 加重上部的砖石结构的破坏。 与此相反，虽然相对讲震陷值
与障壁岛—泻湖沉积体系有关的聚煤作用主要产生在 障壁岛后、泻湖充填的边缘地带。 成煤时，基本上与海隔离成 废弃的滨岸地洼地带形成低位沼泽。 本矿区的 38# 煤、39# 煤 和局部可采煤层均属这一沉积体系。
般说此类方法适用于自由场地的液化判别，此类方法建立在 地震现场的液化实例基础上，具有区域性，通用性不够理想。
（2）室内试验方法。 这类方法根据室内试验模拟现场条 件确定土体的抗液化强度，同时用设计地震资料计算地震动
作深入的研究。 4.2 液化对建筑物影响因素
（1）液化层越厚，震陷 、喷水冒砂和地基失 效越严重 ，但 隔振效果相对较好。 液化层埋藏较深，地基不易失效，且隔振
研究与探讨
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地震中砂土液化现象研究及其工程防治
王达胜 （福建省煤田地质局 福建福州 350005）
摘要 介绍砂土液化给人类带来的灾难，并结合笔者在 2008 年汶川特大地震后所见现象进行液化影响综述、从砂土液化
研究的机理入手，分析影响砂土液化的原因，提出一些处理砂土液化的工程措施。并且阐述目前用于判别砂土液化所采用的一
的现场情况是提高室内试验方法判别可靠度的关键。 （3）经验对比。 根据宏观震害总结的经验，提出液化判别
标准。 如水利水电工程地质勘察部门提出的相对密度判别
大些， 但由于钢筋混凝土筏形或箱形基础的整体完好性，除 了使上部建筑物倾斜外，极少有因基础断裂、错动造成结构 开裂，从而加重震害的现象。 实际震害表明，此时液化砂层的
2 饱和砂土液化的因素
根据国内震害现场调查和室内实验研究，影响饱和砂土
液化的因素可以概括为以下 4 点： （1）地震的强度以及动荷载作用。 动荷载是引起饱和土
体空隙水压力形成的外因。 显然，动应力的幅值愈大，循环次 数愈多，积累的孔隙水压力也愈高，越有可能使饱和砂土液 化。 根据我国地震文献记录，砂土液化只发生在地震烈度为 6 度及 6 度以上地区。 有资料显示 5 级地震的液化区最大范 围只能在震中附近，其距离不超过 1km。
随着计算技术的发展和数学理论的完善，目前出现了通 过严谨的数学方法将影响砂土液化的各主要指标统一起来 进行判别的方法，如神经网络法、支持向量机法、模糊综合评 判法等。
土质条件影响的例子还很多。
3 砂土液化的判别
4 砂土液化对建筑物的危害特点及影响因素
地震时， 地基—基础—上部结构作为一个整体产生振
国内外用于砂土液化的判别方法种类繁多，大致可分为 2 种：①是依据室内试验；②是依据现场测试的经验方法。 但 由于影响砂土液化问题的复杂性；每种方法都有一定的运用 范围和局限性。
作者简介：王达胜(1967～)，男，1989 年毕业于中国矿业大学地质系煤田地质勘探专业，工程师。
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研究与探讨
400km，虽然远离震中，但市区高层建筑破坏严重 ，全部倒塌 的 房 屋 达 400 多 栋 。 在 8 级 左 右 的 强 地 震 下 ， 远 离 震 中 400km 的，一般情况下不致引起破坏。 墨西哥地震是远震时 深厚软土层上高层建筑严重破坏的典型实例。类似的震害受
法。 （4）动力分析方法。 动力分析方法主要有等效线性总应
减震作用似乎更加明显。 由此可见，在分析液化土层对建筑 物震害的影响时，必须考虑基础类型不同的影响。
力动力分析法和有效应力动力分析法 2 种。前者不考虑孔隙 水压力的升高对土动力特性的影响， 后者则考虑了这种影
（3）上部结构的刚柔。 众所周知，地震时建筑物的破坏与 其自振特性及地面运动特性等有关，坚硬场地上刚性建筑物
常用判别方法大致可归纳为现场试验、室内试验、经验 对比、动力分析 4 大类：
（1）现场试验方法。 其判别法基本原理：在宏观地震液化 和非液化区域，依据现场试验测得判别指标的数据，通过分
动，相互制约、相互影响。 液化研究主要涉及液化区高层建 筑、桥梁、铁路、码头、水利设施、地下结构与生命线工程等的 震害研究。 4.1 砂土液化对建筑物危害特点
向地面传播，这一特点使大部分短周期结构遭到的破坏比非 液化区同类结构为轻。土层液化对房屋Leabharlann Baidu害的影响已早为人
临界击数判别法 (SPT)、静力触探法(CPT)、剪切波速法 、瑞利 波速法、能量判别法。 此类方法比较直观且可以考虑多个影
知，一般认为，土层液化会加重建筑物的震害。 我国研究人员 首先注意到土层液化能减轻房屋震害，从液化土层具有双重
响。 动力分析方法适用于自由场地，也适用于判别重要建筑 物地基中和土工结构中饱和土体液化。它综合考虑了地震动
震害大，软弱场地上柔性结构物破坏大。 液化对短周期地震 波隔振，对长周期地震波放大，因此有利于小型的刚性建筑
力特性、地形地质条件、 荷载作用、边界条件等多种因素的 影响，还可以研究地震过程中及以后液化区的发生、发展过 程。但动力分析方法需要由室内试验确定土的若干动力特性 参数以及复杂的计算分析， 因此在实际工程中应用较少，目 前只在一些重大工程中适用。
段下部与 3 段底部的 38#、39#、29# 煤 层均为该区主要可 采 煤 层，占全区总储量的 70%以上。 而且煤层底板下均有较厚的
顶界面为一间断面，即翠屏山组与童子岩组的平行不整合面。
3 童子岩组聚煤规律
3.1 聚煤作用主要环境类型 从以上沉积体系和沉积环境分析，吾祠矿区童子岩组的
聚煤作用主要与 3 种沉积体系有关， 即与障壁岛—泻湖、海 滩面、潮坪这 3 种环境类型直接相关。
（2）土的类型和状态。 中、细、粉砂较易液化，粉土和砂粒 含量较高的砂砾也可能液化。砂土的抗液化性能与平均粒径 的关系密切。 易液化砂土的平均粒径在 0.02～1.00mm 之间， 在 0.07mm 附近时最易液化。 砂土中黏粒( d< 0.005mm)含量 超过 16％时很难液化。粒径较粗的土，如砾砂等因渗透性高， 孔隙水压力消散快，难以积累到较高的孔隙水压力，在实际 中很少有液化。 黏粒土由于有黏聚力，振动时体积变化很小， 不容易积累较高的孔隙水压力，所以是非液化土。 土的状态， 即密度或相对密度 D， 是影响砂土液化的主要因素之一，所 以也是衡量砂土能否液化的重要指标。 砂越松散越容易液 化。 由于很难取得原状砂样，砂土的 D 不易测定，工程中更 多地用标准贯入度试验来测定砂土的密实度。 调查资料表 明 ：砂 层 中 当 标 贯 锤 击 数 N＜20，尤 其 是 N＜10 时 ，地 震 时 易 发生液化，而级配的好坏影响不大。 地质形成年代对饱和砂 层的抗液化能力有很大影响，年代老的砂层不易液化，新近 沉积的则容易液化。