砂土地震液化工程地质研究

第四章砂土地震液化工程地质研究第一节概述饱水砂土在地震、动力荷载或其它外力作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象称为砂土液化(Sand liquefaction)或振动液化。

地震导致的砂土液化往往是区域性的，可使广大地域内的建筑物遭受毁坏，所以是地震工程学和工程地质学的重要研究课题。

地震导致的砂土液化现象在饱水疏松砂层广泛分布的海滨、湖岸、冲积平原，以及河漫滩、低阶地等地区尤为发育，使位于这些地区的城镇、农村、道路、桥梁、港口、农田、水渠、房屋等工程经济设施深受其害。

其危害性归纳起来有以下四个方面：(1)地面下沉饱水疏松砂土因振动而趋于密实，地面随之下沉，结果可使低平的滨海(湖)地带居民生计受到影响，甚至无法生活。

1964年阿拉斯加地震时，波特奇市因砂土液化地面下沉很多，每当海水涨潮即受浸淹，迫使该市不得不迁址。

唐山地震时，烈度为Ⅸ度的天津汉沽区富庄大范围下沉，原来平坦的地面整体下沉达1.6－2.9m。

(2)地表塌陷地震时砂土中孔隙水压力剧增，当砂土出露地表或其上覆土层较薄时，即发生喷砂冒水，造成地下淘空，地表塌陷。

我国海城和唐山两次大地震，均导致了附近滨海冲积平原上大范围的喷砂冒水现象。

如海城地震时，在震中以西的下辽河、盘锦地区大量喷砂冒水，一般开始于主震过后数分钟，持续时间5－6小时甚至数日。

喷出的砂水混合物高达3－5m，形成许多圆形、椭圆形陷坑，坑口直径3－4m至7－8m，深数十厘米至数米。

给交通和水利设施、农田、房屋、地下管道和油井等造成严重损害。

唐山地震时，自滦河口以西直至宁河一带，数千平方公里范围内到处喷砂冒水，使十几万亩农田被喷砂掩覆，十几万口机井淤塞，不少房屋和公路、铁路桥墩毁环。

(3)地基土承载力丧失持续的地震动使砂土中孔隙水压力上升，而导致土粒间有效应力下降。

当有效应力趋于零时，砂粒即处于悬浮状态，丧失承载能力，引起地基整体失效。

如1964年日本新渴地震，由于地基失效使建筑物倒塌21—30座，严重破坏6200座，轻微破环达31000座。

唐山地震时，唐山和天津地区的许多房屋、桥梁和铁路路段也因地基失效而破坏。

(4)地面流滑斜坡上若有液化土层分布时，地震会导致液化流滑而使斜坡失稳。

1960年智利8.9级大震时，内华湖附近圣佩德罗河上最大一个滑坡体的发生，是由于粘土层中含有大量粉砂土透镜体的液化所致。

阿拉斯加地震时，安科雷季市大滑坡发生的主要原因也是厚层灵敏粘土层中透镜砂层的振动液化。

有时场地地面极缓甚至近于水平也发生滑移。

如1971年美国圣费尔南德地震滑移地段，地面坡度仅2度。

而唐山地震时，天津市河东区柳林一带的严重滑移，则为水平场地。

但是，还应该看到砂土液化在宏观震害中的双重作用，即产生液化的场地往往比同一震中距范围内未发生液化场地的宏观烈度要低些。

这是因地震剪切波在此层中受阻(流体不能传递剪力)，使传至地面上的地震渡相应地衰减。

此外，地震运动传给结构物的能量由于大部分已消耗在液化方面而相对减弱。

结果使地面运动在较短时间内停止。

振动历时减少对建筑物的稳定是有利的。

砂土地震液化问题，早就被人们所注意，我国的史书记载就不乏其例。

但作为一种自然灾害现象进行深入研究，却是从本世纪年代才开始。

1964年阿拉斯加和新漏两次地震所造成的严重破坏。

均为砂土液化的缘故，故在美国，日本和其它一些国家的工程地质界引起了很大的关注。

他们进行宏观震害调查与分析的同时，又在实验室内利用各种振动试验研究饱和砂土液化的机理和条件，探讨饱和砂层的地震反应分析方法和孔隙水压力的发展过程，给出了预测砂土液化的方法。

我国自50年代起，有关科研部门就开始了砂土液化问题的研究，尤其是在1966华邢台地震、1975年海城地震和1976年唐山地震后，开展了更为广泛而深入的研究，取得了不少有价值的成果。

我国是最先将液化判定方法列入工业与民用建筑抗震设计规范中的。

第二节砂土地震液化的机理饱和砂土是砂和水的复合体系。

在振动作用下，饱和砂土发生液化，取决于砂和水的特性，是二者矛盾斗争发展的结果。

砂土是一种散体物质，它主要依靠颗粒间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定；而这种摩擦力主要取决于粒间的法向压力：(4－1)水是一种液体，它的突出力学特性是体积难于压缩，能承受极大的法向压力，但不能承受剪力。

饱和砂土由于孔隙水压力的作用，其抗剪强度将小于干砂的抗剪强度：(4－2)即为有效法向压力，显然< σ。

在地震过程中，疏松的饱和砂土在地震动引起的剪应力反复作用下，砂粒间相互位置必然产生调整，而使砂土趋于密实，以期最终达到最稳定的紧密排列状态。

砂土要变密实就势必排水。

在急剧变化的周期性荷载作用下，所伴随的孔隙度减小都要求排挤出一些水，且透水性变差。

如果砂土透水性不良而排水不通畅的话，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，应排除的水来不及排走，而水又是不可压缩的，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力(excess pore Pressure)。

此时砂土的抗剪强度为：(4－3)式中：即为因振动而产生的剩余孔隙水压力；而则为总孔隙水压力。

显然，此时砂土的抗剪强度将更低了。

随振动持续时间的增长，剩余孔隙水压力不断地叠加而累积增大，而使砂土的抗剪强度不断降低，甚至完全丧失。

在工程实践中，一般都采用砂土的抗剪强度τ与作用于该土体上的往复剪应力的比值来判定砂土是否会发生液化。

的大小和方向是随时间不断变化的，其对单元土体的作用方式如图4－3所示。

图4－3水平土层中土单元的应力状态a－地震发生前；b－地震发生时当>，即／>1时，不会产生液化。

当=，即／=1时，处于临界状态，砂土开始发生剪切破坏，此时称为砂土的初始液化状态。

砂土的抗剪强度随振动历时增大而降低。

当<，虽／<1时，则沿剪切面的塑性平衡区迅速扩大，导致剪切破坏加剧。

而当孔隙水压力继续上升，直至与总法向压力相等，有效法向压力及抗剪强度均下降为零，即当／=0时，砂土颗粒间将脱离接触而处于悬浮状态。

此时即为完全液化状态。

由此可将砂土液化的发展过程划分为三个阶段：①稳定状态(／>1)；②临界状态或初始液化状态(／=1)；③完全液化状态(／=0)。

从初始液化状态至完全液化状态往往发展很快，二者界线不易判断。

为了保证安全，可把初始液化视作液化。

为了探索液化的形成过程和机理，西德(H·B·Seed)等人自1966年就进行室内动力剪切试验，发现变向循环荷载(振动)作用下饱和砂土最易液化。

他们进行的是循环荷载三轴压缩试验(动三轴剪)，试样首先在各向均等的静压力下固结，然后在不排水条件下同时在竖向上施加(压、拉)，侧向施加(拉、压)的循环荷载。

循环荷载的频率近乎地震频率，即。

此时试样的应力状态如图4－4所示。

上图的竖向荷载为，侧向荷载为；下图的竖向荷载为，侧向荷载为。

且，，。

、的方向交替变化(即、竖向、侧向周期性变化)。

在倾角为45o的面上法向应力保持不变；最大剪应力也保持不变，即，但其方向有周期性变化，故称为最大循环剪应力。

图4－4循环荷载三轴压缩试验应力状态图(据H·B·Seed，1966)取松砂和密砂试样分别进行试验，发现试验结果明显不同。

当随着动荷载循环周期数的增加，孔隙水压力不断增大，直至时，砂的剪切变形开始增大。

继续反复加荷时，松砂变形迅速增大，不久即全液化；而密砂变形则缓漫增大，难于全液化(图4－5)。

当饱和砂土完全液化时，在一定深度z处的总孔隙水压力(假设地下水面位于地表面)，其中；则式中的、分别为砂土的饱和密度和浮密度，为水的密度，g为重力加速度。

显然，砂土的深度愈大，完全液化时的超孔隙水压力就愈大。

图4－5饱水砂土循环荷载三轴压缩试验初始相对密度Dr=0.9，初始孔隙比e=0.56，初始相对密度Dr=0.5，初始孔隙比e=0.68初始围限压力=5×102kPa n=1周／s初始围限压力n=1周／s(据冈本舜三，1971)地震前和地震液化后的孔隙水压力图形及测压水位如图4－6所示。

震前孔隙水压力呈静水压力分布，不同深处测压水位相同，无水头差。

当振动液化形成超孔隙水压力以后，不同深处的测压水位就不再相等，随深度增加则测压水位增高。

显然，当饱和砂土出露于地面时，该水头将高出地面；且砂土愈厚则水头愈高。

图4－6地震前a及地震液化后b砂土中的水压力图形及测压水位图(据华北勘察院，1977)任意深度两点z2和z1之间的水头差h可以从下式求出：(4－4)这两点之间的水力梯度I为：(4－5)此水力梯度即为完全液化的临界水力梯度。

在这个梯度作用下，砂粒就枉自下而上的渗流中发生液化，地面喷砂冒水，随之超孔隙水压力得到消散。

当地表有不透水的粘土盖层时，只有超孔隙水压力超过盖层强度或盖层有裂缝时，才能沿裂缝产生喷砂冒水，但液化现象一般局限于喷冒口附近。

盖层愈厚、其隔水性愈强，液化形成的暂时性承压水头就愈高。

因此，一旦盖层被突破，喷砂冒水就更加强烈。

第三节影响砂土液化的因素本节概述由上一节讨论可知，饱和砂土和地震动是发生振动液化的必备条件。

根据对国内外大量砂土地震液化资料的分析表明，影响砂土液化的因素主要有:土的类型及性质、饱和砂土的埋藏分布条件以及地震动的强度及历时。

一、土的类型及性质土的类型及性质是砂土液化的内因。

宏观考察资料表明，粉、细砂土最易液化；但随着地震烈度的增高，亚砂土、轻亚粘土、中砂土等也会发生液化。

根据我国一些地区液化土层的统计资料，最易发生液化的粒度组成特征值是：平均粒径(d50)为0.02－0.10mm，不均粒系数(η)为2－8，粘粒含量小于10％。

对液化与未液化土的颗分表明，二者粉粒和粘粒含量的差别明显，前者粉粒含量高，粘粒含量低，而后者正好相反。

其界限是：粉粒含量大于40％，极易液化；粘粒含量大于12.5％，则极难液化。

粉粒含量大有助于液化，粘粒含量大则不易液化。

为什么粉、细砂土最容易液化呢?其主要原因是这类土的颗粒细小而均匀，透水性较差，又不具粘聚力或粘聚力很微弱，在振动作用下极易形成较高的超孔隙水压力。

其次是这类土的天然孔隙比与最小孔隙比的差值(e－emin)往往比较大，地震变密时有可能排挤出更多的孔隙水。

相比之下，粘粒含量较高的粘性土，属水胶连结，较强的粘聚力抑制了液化。

而粗粒土，尤其当其级配不均匀，结构较密实时，透水性又较强，也是难以液化的。

砂土的密实程度也是影响液化的主要因素之一。

松砂极易液化，而密砂则不易液化。

这已为室内动三轴试验所证实。

目前多数采用相对密度D r作为判别砂土液化可能性的指标。

(4－6)式中：e为天然孔隙比；和分别为最大、最小孔隙比。

图4－7所示为由动三轴试验获得的达到液化状态时砂土的相对密度与震动强度的关系，在相对密度小于90％的范围内；不同振动循环次数的砂土相对密度与液化应力比之间呈通过座标原点的直线关系。