第七章 砂土液化

第七章．砂土液化的工程地质分析

7.1基本概念与研究意义

（1）砂土液化(sand liquefacation)：

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。此时，如果砂土是饱水的，则需要从孔隙中排出一部分水。若砂粒很细则砂体渗透性不良，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，砂粒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，砂粒就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力。这就是砂土液化。

（2）砂土液化引起的破坏

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，地基土层的抗剪强度迅速下降。直至砂体呈悬浮状态，地基的抗剪强度完全丧失，承栽能力也随之完全丧失。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。

日本新泄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。

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。这类滑坡

可以产生在坡度极缓、甚至水平场地。

1964年阿拉斯加地震，安科雷奇市就因敏感粘土层中的砂层透镜体液化而产生大滑坡。

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。

例如1964年阿拉斯加地震时，波特奇市即因震陷量大而受海潮浸淹。

7.2砂土的液化机制

（1）振动液化

砂土受振动时，每个颗粒都受到惯性力（其值等于振动加速度与颗粒质量乘积）

的反复作用。由于颗粒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。

如振动前砂体处于紧密排列状态，经震动后砂粒的排列和砂体的孔隙度不会

有很大变化；如振动前砂土处于疏松排列状态，则每个颗粒都具有比紧密排列高

得多的势能，在振动加速度的反复荷载作用下必然逐步加密，以期最终成为最稳

定的紧密状态。

如果砂土位于地下水位以上的包气带中，由于空气可压缩又易于排出，通过

气体的迅速排出立即可以完成这种调整与变密过程，此时只有砂土体积缩小而出

现的“震陷”现象，不会液化。

如果砂土位于地下水位以下的饱水带，情况就完全不同了。此时土层要变密

就必须排水。地震的振动频率大约为1一2周期／秒，在这种急速变化的周期性

荷载作用下，伴随每一次振动周期产生的孔隙度瞬时减小都要求排挤出一些水。

如砂的渗透性不良、排水不通畅，则前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙

度再减小又产生了。应排除的水不能排出，而水又是不可压缩的，孔隙水必然承

受由孔隙度减小而产生的挤压力，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力

(excess pore water pressure)。前一个周期的剩余孔隙水压尚未消散，下一周

期产生的新的剩余孔隙水压力又迭加上来，故随振动持续时间的增长，剩余孔隙

水压会不断累积而增大。

已知饱水砂体的抗剪强度τ由下式确定：

τ＝（σn-P w)tgφ= σ/tgφ

式中：P

为孔隙水压；σ/为有效正压力。在地震前外力全部由砂骨架承担，此w

时孔隙水压力称中性压力，只承担本身压力即静水压力。令此时的空隙水压力为

Pw 0，振动过程中的剩余空隙水压力为⊿P w ，则：

振动前砂的抗剪强度：τ＝（σ-P w0）tg φ； 振动时:τ＝[σ-（P w0+△P w ）]tg φ；

随⊿P w 累积性增大，最终P w0+⊿P w ＝σ。此时砂土的抗剪强度降为零，完全不能承受外荷载而达到液化状态。

（2）渗流液化

经振动液化后，某一点的空隙水压力

P w = P w0+P we

震前空隙水压力—静水压力分布，不同深度测压水位相同，无水头差； 震后形成剩余空隙水压力→测压水位随深度增加而增高，任意两点之间存在水头差；

砂粒自下而上渗流，产生渗流液化。 液化过程：

饱水砂土在强烈地震作用下先产生振动液化，空隙水压力迅速升高，产生上下水头差，空隙水自下而上的运动。动水压力推动砂粒向悬浮状态转化，形成渗流液化。

7.2砂土液化形成条件

(1)砂土特性： ①相对密度：

min

max max e e e

e D r --=

式中e 为土的天然孔隙比，m ax e 和m in e 分别为土层的最大、最小孔隙比，即

m ax e >e >m in e 。

砂土的相对密度愈大，需要更大的震动强度和更多的震动循环次数才能使其液化。根据现有的地震液化资料，Ⅶ度烈度区r D >0.55、Ⅷ度烈度区r D >0.70,不发生液化。

②粒度和级配：

砂土颗粒的粒度和级配是液化的重要条件之一。一般认为粘粒含量愈少、塑性指数愈低、不均匀系数愈小，愈有利于液化。

根据我国地震资料统计：

液化土--50D 为0.02 ~ 0.5mm,不均匀系数为2 ~ 10，粘粒含量<17%； 极易液化土--50D 为0.02 ~ 0.1mm,不均匀系数为2 ~ 5，粘粒含量<10%； (2)砂土的埋藏条件：

饱和砂土的埋藏条件包括地下水埋深和上覆非液化层厚度这两类条件。 一般而言，地下水埋深愈浅、上覆非液化层厚度愈薄，则愈易液化。 对于天然地基,当上覆非液化土层厚度和地下水埋深符合以下条件之一者,可以不考虑液化影响：

2-d d d b 0U +> 3-d d d b 0W +>

4.5 -2d 1.5d0 d d b 0w u +>+

式中 u d --上覆非液化土层厚度（m ），计算时将淤泥及淤泥质土层扣除；

w d --地下水位埋深（m ），按设计基准期内年平均最高水位取值，也可按近

期年最高水位取值；

0d —基础埋置深度（m ），小于2m 时应采用2m ； b d —液化土特征深度（m ），按下表取值。

(3)砂土的成因和时代