第七章 地震导致的区域性砂土液化

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， 所以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。
7.3 区域性砂土地震液化的形成条件
从砂土地霞液化机制的讨论中可以得出，砂 土层本身和地震这两方面具备一定条件才能产生 砂土液化。砂上层本身方面一般认为砂土的成分、 结构以及饱水砂层的埋藏条件这几个方面需具备 一定条件才易于液化。这里需要指出的是，凡具 备上述易于液化的条件而又在广大区域内产出的 砂土层，往往具有特定的成因与时代特征。地震 方面主要是地震的强烈程度和持续时间。现根据 试验和地层液化区的观测资料分别说明如下。
1 ．砂土的相对密度
从动三轴试验得知,松砂极易完全液化,而密砂则经 多次循环的动荷载后也很难达到完全液化。也就是说 ，
砂的结构疏松是液化的必要条件。表征砂土的疏与密 界限的定量指标，过去采用临界孔隙度。这是从砂土 受剪后剪切带松砂变密而密砂变松导出的一个界限指 标，即经剪切后即不变百度文库也不变密的孔隙度。目前较 普遍采用的是相对密度Dr
已知饱水砂体的抗剪强度τ由下式确定：
τ＝（σn-pw)tgφ= σ0· tgφ
式中：pw为孔隙水压；σ0为有效正压力。在地震前 外力全部由砂骨架承担，此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pw0，振动过程中的剩余空隙水压力为 △pw，则振动前砂的抗剪强度为： τ＝（σ-pw0）tgφ 振动时： τ＝[σ-（pw0+△pw）]tgφ（7－1） 随△pw累积性增大，最终pw0+△pw＝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。
迫使该市迁址。地下砂体大量涌出地表，使地下 的局部地带被掏空，则往往出现地面局部塌陷， 例如1976年唐山地层时宁河县富庄层后全村下沉 2.6一2.9m，塌陷区边缘出现大量宽1—2m的环 形裂缝，全村变为池塘。
地震引起砂土液化(台中港1-4码头)
7.2 地震时砂土液化机制
7.2.1 振动液化
Dr=emax—e/emax—emin
其中：e土的天然空隙比； emax和emin分别为该土的最大。
最小空隙比
2．砂土的粒度和级配
砂土的相对密度低并不是砂土地震液化的充
分条件，有些颗粒比较粗的砂，相对密度虽然很
低但却很少液化。分析邢台、通海和海城砂土液 化时喷出的78个砂样表明，粉、细砂占57.7％，塑 性指数＜7的粉土占34.6％，中粗砂及塑性指数为 7—10的粉土仅占7.7％，而且全发生在XI度烈度区。
7.3.1 沙土特性和饱水砂层埋藏条件及成因时代特 征
7.3.1.1 砂土特性
对地层液化的产生具有决定性作用的，是土在 地震时易于形成较高的剩余空隙水压力。高的剩 余空隙水压力形成的必要条件，一是地震时砂土 必须有明显的体积缩小从而产生空隙水的排 水．二是向砂土外的排水滞后于砂体的振动变密， 即砂体的渗透性能不良，不利于剩余空隙水压力 的迅速消散，于是随荷载循环的增加空隙水压力 因不断累积而升高。通常以砂土的相对密度和砂 土的粒径和级配来表征砂土的液化条件。
第七章 地震导致的区域性砂土液化
7.1 基本概念及研究意义
粒间无内聚力的松散砂体，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，如果砂的孔隙是饱水的，要变 密实效需要从孔隙中徘出一部分水，如砂粒很细 则整个砂体渗透性不良，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，砂检之间的有效正应 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，砂钦就会悬浮于水中，砂 体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土 液化(sand liquefacation)。这种秒水悬浮液在
砂土受振动时，每个颗粒都受到其值等于振动 加翅度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。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
所以具备一定粒度成分和级配是一个很重要的液 化条件。
7.3.1.2 饱水砂土层的埋藏条件
当空隙水压大于砂粒间有效应力时才产生液 化，而根据土力学原理可知，土粒间有效应力由 土的自重压力决定，位于地下水位以上的土内某 一深度Z处的自重压力Pz为：
Pz＝γz
(7—8)
式中γ为土的容重。如地下水埋深为h，Z位于地下 水位以下，由于地下水位以下土的悬浮减重，Z处 自重压力则应按下式计算：
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“覆陷”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，此时要变密就必须排水。地层的振动频率 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，
Pz = γ h十(γ—γw)(Z-h) (7—9)
如地下水位位于地表，即h＝0，则：
Pz =(γ—γ w)Z (7—10)
显然，最后一种情况自重压力随深度的增加最小， 亦即直接在地表出露的饱水砂层最易于