砂土地震液化判别的原理和思路

进行砂土地震液化判别的原理和思路1.砂土液化机理

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：

式中：σ为法向应力；Pw0为静孔隙水压力；Δpw为超孔隙水压力；υ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。

2.砂土地震液化的影响因素

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。

（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。

（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。类似的震害受土质条件影响的例子还很多。

3.砂土地震液化的判别

从工程的抗震设计要求考虑，需要解决的问题首先是正确判定砂土能否液化，其次是采用什么措施预防或减轻液化引起的层害。工程设计需要的判别内容应该包活： 估计液化的可能性②估计液化的范围；③估计液化的后果。

砂土地震液化的判别思路如下：

一、初判

按照地震条件、地质条件、埋藏条件、土质条件的一些限界指标进行初判。

地震条件方面，一般来说，震级在5级以上的才可以产生液化；也就是液化最低烈度为Ⅵ度。

地质条件方面，发生液化的多为全新世乃至近代海相及河湖相沉积平原、河口三角洲，特别是洼地、河流的泛滥地带、河漫滩、古河道、滨海地带及人工填土地带等。

埋藏条件方面，一般液化判别应在地下15m的深度范围进行，最大液化深度可达20m。最大地下水埋深一般不超3m，《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ11-85）修订稿将液化最大地下水位埋深定位8m。

土质条件方面，液化土有许多特性指标的界限值。

比如回龙河水库全风化花岗岩坝基地震液化的初判，全风化花岗岩因母岩具混合岩化现象,风化后砂土粒度不均匀,细粒黑云闪长岩全风化砂土粒度较细,中粒黑云花岗岩全风化砂

土粒度稍粗,其主要物理指标:粒径大于5 mm的平均颗粒含量(3.3%)小于70%,平均粘粒含量(6.9%)小于18%,平均塑性指数ΙP(12.2)小于15,属少粘性土。工程区为强震区,地震动峰值加速度为0.15 g、动反应谱特征周期为0.65 s,地震基本烈度为Ⅶ度,依据《水利水电工程地质勘察规范》,初判存在地震液化的可能性。为此,有必要对全风化花岗岩坝基地震液化可能性进行复判。

二、复判

砂土地震液化复判方法种类繁多，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。

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