《砂土液化》.doc

浅述地震液化摘要：砂土液化是地震中常见的灾害，本文基于大量文献，结合汶川地震中砂土液化实例，浅述液化宏观现象、液化机理、液化影响因素、砂土地基液化判别、处理砂土液化的工程措施以及液化问题研究的发展关键字：地震 液化 汶川我国是一个地震多发的国家，其中1976年7.8级的唐山大地震和2008年8.0级的汶川大地震是最为国人所知这两次大地震破坏性强，波及范围广，损失严重在这两次地震中，都出现了大面积的砂土液化，地表开裂下沉，从而导致大量建筑物遭到破坏由此可见，地震中液化是岩土地震工程研究中不可避免的问题从60年代开始，地震液化问题就一直是土木工程抗震领域的一个热点的研究话题，也是具有重大理论价值和实用意义的一个难点研究此外，在学习地震工程学过程中，陈国兴老师以及孙田学长都介绍了地震液化的相关内容和试验1． 地震液化的宏观现象 从地震工程学的角度出发，地震灾害可以分为直接震害和间接震害，直接震害又包括地表破坏和工程结构破坏，地表破坏主要指地表变形产生相对位移引起的结构破坏而砂土液化则是引起地面变形的主要原因之一地震引起的饱和砂土振动孔隙水压力达到上覆土压力时，松散的饱和砂土将完全抗剪能力，此时，地下水就从地下喷出，同时夹带大量泥沙，形成所谓的喷砂冒水现象。

如果饱和砂土层埋深较浅，地基承载能力就会急剧下降，甚至完全损失，从而导致结构物迅速下沉、倾斜，引起严重破坏地震中，液化会伴随着喷水冒砂、地面塌陷、地裂缝等宏观现象根据大量学者调查研究，结合汶川大地震，简单介绍地震中液化宏观现象 ① 喷砂冒水 判定场地是否发生液化，最明显直接的证据就是喷水冒砂，而喷水的高度、时间以及喷砂量能够在一定程度上反映液化层的深度、厚度等情况根据统计，汶川地震液化中，喷水高度从几十厘米到十几米不等，其中 1～3 m左右居多另外， 此次地震液化喷水时间一般仅持续几分钟，但也有个别比较长的如在什邡市思源村、广汉市双石桥村，地震后一个多月，仍有冒水现象，而在乐山市新联村，冒水现象持续 3 个月之久原因尚待查明此次地震喷砂形式有以往常见的形似火山的喷出砂堆，也有串珠式的喷砂孔 与以往地震相比，此次地震液化喷砂量总体不大，一般均小于 5 m3，但在有井和池的地方出现较大喷砂量例如，在绵竹市兴隆镇， 有 60 余口井在震后被埋， 井中有大量砂土填充物在什邡市思源村，一个 50 m20 m2 m的游泳池，地震前池中干涸，震中液化使池底拱起，砂水混合物填充池内，使得游泳池目前只有 1 m深，池边有近 50 m长的裂缝，并有约 5 m3的喷砂。

② 地面塌陷喷水冒砂后，地下砂土流失，较容易形成坑陷，汶川地震中发现十余个村庄有典型的液化导致塌陷现象出现在绵竹市祥柳村，主震时方圆 300亩范围内农田有喷砂冒水现象，并出现直径 3～4 m、深 1～2 m塌陷坑 8 处，坑边有砾石喷出，主震一两个月之后仍有新塌陷形成在Ⅵ度区的眉山地区洪雅县菜地坎村，5 月 14 日（主震后第三天）中午 12 时水稻田中冒水，水柱高度 30 cm，持续 1 min 之后突然下陷，形成一个直径 2 m深 2 m的大坑 ③ 地裂缝汶川地震中，70%～80%的液化场地均伴有地裂缝产生，裂缝长短不一，从 100～200 m到数公里此次汶川地震中伴有地裂缝的情况则更为普遍正因为如此，此次地震中液化场地上的工程结构基本上都遭到破坏，如结构开裂和沉降等，液化起到了加重震害的作用像在唐山和海城地震中液化场地对房屋的减震作用，本次地震中到目前为止仍未发现以上都是研究者根据喷水冒砂、塌陷和地裂缝等宏观现象为依据得到的结果实际上，地表未出现喷水冒砂、塌陷等宏观现象并不意味着土层中没有发生液化因此对如何准确的确定和识别场地是否液化的问题，需要探求新的方法和测试手段。

2． 砂土液化机理地震液化，是指在地震时土体表现出液体特征的现象地震时，剪切波由于下卧岩土层向上传播，并且在土体中引起交变应力，从而产生振动孔隙水压力，这是饱和砂土液化的主要原因在地震作用下，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的强度和持续时间、土体强度、上覆土压力大小等；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的或全部消失抗剪能力振动孔隙水压力上升与否以及上升的幅度受诸多因素的影响，比如，土体在震动过程中发生剪胀还是剪缩，土体排水条件的好坏等饱和砂土液化机理大致分为三种：第一种是循环流动性，在循环剪切过程中，由于体积剪缩与剪胀交替作用引起孔隙水压力时升时降，从而造成的间隙性液化和有限制的流动性变形现象，主要发生在中密和较密的饱和无黏性土中而这一机理在Seed和Lee的饱和密砂固结不排水动三轴试验中得到证实，循环荷载作用初期的累积剪缩以及后期的加载剪胀的交替作用，形成了循环流动性，它的产生与砂土的密实度、固结应力的大小、固结比往返动应力幅值及次数等因素有关第二种是流砂，在单向或往返剪切的作用下，由于体积持续剪缩、孔隙水压力不断上升和抗剪强度骤降所造成的无限制的流动性大变形，主要发生在松散而排水不畅的饱和无黏性土中。

当土属于剪缩性土，同时有驱动剪应力存在，而且不排水稳态强度小小于维持静力平衡所需的剪应力时，土才有可能发生流动破坏而土的破坏能否发生还和土的结构破坏引起土中孔隙水压力上升或抗剪强度降低的程度来定剪缩土在剪切过程中，必将出现不断的剪缩，使得土中的孔隙水压力继续升高，土的抗剪强度会迅速降低到稳态强度所以，破坏一经发生，就必然带有流动性特征，表现为液化流动破坏第三种是砂沸，饱和无黏性土中孔隙水压力超过上覆土体自重所造成的喷水冒砂现象，这个过程与土的体应变无关，主要取决于地震动引起的土中孔隙水压力水头场的分布[4]水头场的变化是非动力作用的渗流场改变或动力作用引起的间接或直接空隙水压力上升造成的3. 砂土液化影响因素影响砂土液化的因素有很多，主要分为三类：第一类是动荷条件，动荷条件主要指的是震动强度和持续时间，震动强度以地面加速来衡量震动强度大，地面的加速度就大，相同条件下的饱和砂土层就容易被液化震动持续时间长，往往意味着往复加荷次数多，反之则少因此，地震持续的时间越长，砂土液化的可能性就越大第二类是埋藏条件，① 覆土层厚度：上覆土层厚度较大时，上覆土重有效压力ps越大，若使其下部砂土层液化，则需要砂土层内能够聚集起较大的超静孔隙水压力以承担上覆土层重量，而上覆土层厚度小时,砂土层内只需具有较小的超静孔压即可顶托起上覆土重，因此，埋深大的饱和砂土层较埋深小的饱和砂土层难于液化。

② 上覆土层的透水性：上覆土层的透水性是影响其下砂土层是否发生液化的关键因素之一，如果上覆土层透水性大，则饱和砂土层受到震动作用时，砂土层中水就会通过上覆土层排出，超静孔隙水压力很快就消散了，很难在砂土层内聚集起使砂土层液化所需的超静孔压条件，砂土层一般不会液化只有上覆土层透水性较弱，从砂土层下部上来的水才有可能在砂土层上部聚集起较高的超静孔隙水压力不能消散，才可能发生液化③ 应力历史：遭受过历史地震的砂土比未遭受地震的砂土不易液化，但曾发生过液化又重新被压密的砂土却较容易重新液化第三类是土性条件，① 砂土的粒径：不同粒径砂土的室内试验研究表明, 粗粒砂土较细粒砂土更难于液化，其原因有二，第一是粗粒砂超静孔压消散较快随着砂土粒径的减少，超静孔压消散时间变长，其中，平均粒径0. 15 cm 的砂，超静孔压停留在常数的时间为35 秒，平均粒径在0. 1 mm 左右的砂土抗液化能力最差第二是粗粒砂较细粒砂更难处于液化悬浮状态不均匀系数( G) 愈小，粘粒含量愈高愈不容易液化② 砂土的相对密度: 砂土的相对密度，值在0~ 1 之间变化，值越接近于1 时，则e 越接近于说明砂土层越密实通常，相对密度越大，砂土越难液化。

据室内试验研究结果表明, 当加速度为0. 2 g，若相对密度值达到62. 5% 时, 砂土一般不液化; 当加速度为0. 4 g，若相对密度值达到66% 以上时，砂土一般不液化; 当加速度为0. 5 g，若相对密度值达到66. 5%以上时, 砂土一般不液化③ 砂土初始孔隙比：初始孔隙比与相对密度对液化的影响趋势是相同的，初始孔隙比越大，相对密度越小， 则孔隙水压力传递越快不排水条件下，超静孔压力累积越快，砂土越易液化；相反，初始孔隙比越小，相对密度就越大，超静孔压力累积越慢，砂0有利于孔隙水压力的消散，能减少液化的可能性⑤ 土结构性：砂土的结构性主要指砂土内部颗粒排列和胶结程度原状土比结构破坏土不易液化; 老砂层比新砂层不易液化⑥ 前期固结程度：对不同固结压力下饱和砂土进行单剪液化试验，分析前期固结压力对液化的影响试验结果表明，固结程度越高，所需的往复应力峰值与加荷次数越大，砂土越不易液化；反之， 固结程度越差，砂土越容易液化4. 砂土地基液化判别 ① 地基液化的初步判别《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定：饱和砂土的饱和粉土（不含黄土）的液化判别和地基处理，6度时，一般情况下可不进行判别和处理，但对液化沉陷敏感区的乙类建筑可按7度的要求进行判别和处理，7~9度时，乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求进行判别和处理。

《岩土工程勘察规范》（GB50021）规定：抗震设防烈度6度时，可不考虑液化的影响，但对液化沉陷敏感的乙类建筑，可按7度进行液化判别甲类建筑应进行专门的液化勘察陈国兴和胡庆兴老师等建议，地面以下20m范围内有饱和无黏性土层和少黏性土层时，按下列规定进行液化初判：（1）6度时液化的影响，但对液化沉陷敏感的重要工程结构物，可按7度考虑2）地震时需考虑液化的土类为粒径小于0.005mm的粘粒含量百分率不大于20%、塑性指数不大于10、液限含水量不大于35%的饱和土，主要包括的饱和砂土和的饱和粉性土，其中的土可通称为无黏性土，的土可通称为少黏性土3）饱和的无黏性和少黏性土层，当符合下列条件之一时，可不考虑液化的影响：1）7~9度时，地质年代为第四纪晚更新世（）及其以前时，冲洪积形成的密实饱和土2）7度、8度和9度时，粒径小于0.005mm的黏粒含量百分率分别不小于10%、13%和16%的饱和少黏性土 ② 饱和砂性和粉土液化判别的经验方法（1）剪应力法剪应力法仍然是目前工程实践中最广泛采用的液化判断方法该法由Seed和Idriss提出的简化方法发展而来它以地震在土层中引起的动剪应力比（表示为CRS）来表征动力作用的大小以一定振次下达到初始液化时所需要的动剪应力比（表示为CRR）来表征土抵抗液化的能力。

地震在土层中引起的动剪应力可由动力反应分析得到，也可采用Seed和Idriss推荐的简化公式计算 式中： —竖向有效上覆压力； —竖向总上覆压力； —地震动在土层中引起的等效等幅循环剪应力； —地震水平向地震动峰值加速度； —重力加速度； MSF—震级标定系数；见表1震级5.566.577.588.5MSF2.20-2.81.76-2.11.44-1.61.19-1.2510.840.72 —土层地震剪应力折减系数，定义为式中： —地震动引起的土体峰值剪应力； —将土体视为刚体时地震动引起的土体峰值剪应力 美国国家地震委员会 （NCEER）建议： 对深度： 对深度：对深度：对深度：（2）剪应变法Dobry等提出可以通过对比循环剪应变。