第七章 地震导致的区域性砂土液化

§7.3 区域性砂土液化的形成条件
3、饱水砂土层的埋藏条件
在讨论液化机制的一节中已经指出， 在讨论液化机制的一节中已经指出，当孔隙水压大于砂粒 间有效应力时才产生液化，而根据土力学原理可知， 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， 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 处的自重压力Pz Pz为 度Z处的自重压力Pz为：
§7.2 地震时砂土液化机制
如果砂土位于地下水位以上的包气带中， 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， 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 覆陷”现象， 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， 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。地层的振动频串大约为I 要变密就必须排水。地层的振动频串大约为I-2周／秒，在这种 急违变化的周期性荷裁作用下， 急违变化的周期性荷裁作用下，伴随每一次振动周期产生的孔 阳度瞬时减小都要求排挤出一些水，如砂的渗透性不良， 阳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， 不通畅，则前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再成 小又产生了。应排除的水不能排出，而水又是不可压缩的， 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， 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 剩余孔隙水压力或超孔隙水压力(excess 了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力(excess pore water
§7.3 区域性砂土液化的形成条件
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， 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、 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， 78个砂样表明 细砂占57.7 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 的粉土占34 ％，中粗砂及塑性指数为 塑性指数＜ 34． 中粗砂及塑性指数为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度地震烈度区 7.7％，而且全发生在XI度地震烈度区。 的粉土仅占7.7％，而且全发生在XI度地震烈度区。所以具备一 定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。 定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。
§7.1 基本概念及研究意义
(4)地面沉降及地面塌陷：饱水疏松砂因扳动而变密，地面 (4)地面沉降及地面塌陷：饱水疏松砂因扳动而变密， 地面沉降及地面塌陷
也随之而下沉， 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 1964年阿 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，波特奇市即因震陷旦大而受海潮浸淹， 拉斯加地震时，波特奇市即因震陷旦大而受海潮浸淹，迫 使该市迁址。地下砂体大量涌出地表， 使该市迁址。地下砂体大量涌出地表，使地下的局部地带 被拘空，则往往出现地面局部塌陷，例如1976 1976年唐山地层 被拘空，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 2.9m， 2.6时宁河县富庄层后全村下沉2.6-2.9m，塌陷区边缘出现大 量宽1 2m的环形裂缝 全村变为池塘。 的环形裂缝， 量宽1-2m的环形裂缝，全村变为池塘。
Pz＝ Pz＝γz
(7-1) (7-
式中γ为土的容重。如地下水埋深为h 式中γ为土的容重。如地下水埋深为h，Z位于地下水位以 由于地下水位以下土的悬浮减重， 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： 式计算：
Pz =γh十(γ-γw)(Z-h) =γh十(γ-γw)(Z-
(7-2) (7-
§7.1 基本概念及研究意义
砂土液化照片
§7.1 基本概念及研究意义
砂土液化引起的破坏主要有以下四种：
(1)涌砂：涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃土盐碱化、 (1)涌砂：涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃土盐碱化、 涌砂
砂质化，同时造成河床、渠道、径井筒等淤塞， 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。 施受到严重损害。
(2)地基失效：随粒间有效正应力的降低，地基土层的承裁 (2)地基失效：随粒间有效正应力的降低， 地基失效
能力也迅速下降， 能力也迅速下降，甚至砂体呈悬浮状态时地基的承栽能力完全 丧失。建于这类地基上的建筑物就会产生强烈沉陷、 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。例如，日本新漏1964年的地震引起的砂土液化， 1964年的地震引起的砂土液化 倒塌。例如，日本新漏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 2130所 严重破坏6200 6200所 基失效使建筑物倒塌2130所，严重破坏6200所，轻微破坏 31000所 31000所。
§7.3 区域性砂土液化的形成条件
7.3.2 地震强度及持续时间
引起砂土液化的动力是地震加速度，显然地震愈强、加速度愈大， 引起砂土液化的动力是地震加速度，显然地震愈强、加速度愈大， 则愈容易引起砂土液化。 则愈容易引起砂土液化。 简单评价砂土液化的地震强度条件的方法是按不同烈度评价某种 砂土液化的可能性。例如，根据观测得出， VII、VIII、IX度烈度 砂土液化的可能性。例如，根据观测得出，在VII、VIII、IX度烈度 区可能液化的砂土的D50分别为0.05 0.15，0.03-0.25，0.015-0.5mm。 D50分别为0.05区可能液化的砂土的D50分别为0.05-0.15，0.03-0.25，0.015-0.5mm。 亦即地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。 亦即地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。 确切评价砂土液化的地震强度条件需实测出地震时最大地面加速 计算在地下某一深度处由于地震而产生的实际剪应力， 度，计算在地下某一深度处由于地震而产生的实际剪应力，再用以判 定该深度处的砂土层能否液化。 定该深度处的砂土层能否液化。
pressuree)。 pressuree)。
§7.3 区域性砂土液化的形成条件
从砂土地震液化机制的讨论中可以得出， 从砂土地震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。 地震这两方面具备一定条件才能产生砂土液化。砂土层本身方 砂土的成分、 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， 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， 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。 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。 持续时间。现根据据试验和地层液化区的观测资料分别说明如 下。
§7.2 地震时砂土液化机制
振动液化
砂土受振动时， 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。 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， 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牵动并调整其相互位置， 运动状态，它们之间必然产生相互牵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。 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， 紧密排列状态，经振动后砂粒的排列和砂体的孔隙度不会有 很大变化，如振动前砂土处于我校排列状态， 很大变化，如振动前砂土处于我校排列状态，则每个颗粒都 具有比紧密排列高得多的势能， 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。 用下，必然逐步加密，以期最终成为最稳定的紧密状态。
§7.1 基本概念及研究意义
(3)滑塌：由于下伏砂层或敏感粘 (3)滑塌： 滑塌
土层震动液化和流动， 土层震动液化和流动，可引起大 规模滑坡。 1964年阿拉斯加地 规模滑坡。如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 这类滑坡可以产生在极缓， 坡。这类滑坡可以产生在极缓， 甚至水平场地。 甚至水平场地。
§7.3 区域性砂土液化的形成条件
7.3.1 砂土特性和饱水砂层埋藏条件及成因时代特征
1、砂土特性
对地层液化的产生具有决定性作用的， 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。 于形成较高的剩余空隙水压力。 较高的剩余空隙水压力形成的必要条件， 较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防水的排水． 必须有明显的体积缩小从而产生空防水的排水．二是向砂土外 的徘水滞后于砂体的振动变密，即砂体的渗透性能不良， 的徘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 砂土的相对密度、 压力因不断累积而升高。通常以砂土的相对密度、砂土的粒径 和级配，来表征砂土的液化条件。 和级配，来表征砂土的液化条件。
§7.3 区域性砂土液化的形成条件
如地下水位位于地表， h=0， 如地下水位位于地表，即h=0，则：
Pz =(γ-γw)Z =(γ-
(7-3) (7-
显然，最后一种情况自重压力随深度的增加最小， 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液化。而液化的发展也总是 由接近地表处逐步向深处发展。如液化达某一深度z1 z1， 由接近地表处逐步向深处发展。如液化达某一深度z1，则z1 以上通过骨架传递的有效应力即由于液化而降为零， 以上通过骨架传递的有效应力即由于液化而降为零，于是液 化又由Z1向更深处发展而达Z2 Z1向更深处发展而达Z2直到砂粒间的侧向压力足以限 化又由Z1向更深处发展而达Z2直到砂粒间的侧向压力足以限 制液化产生为止。显然，如果饱水砂层埋藏较深， 制液化产生为止。显然，如果饱水砂层埋藏较深，以至上覆 土层的盖重足以抑制地下水面附近产生液化， 土层的盖重足以抑制地下水面附近产生液化，液化也就不会 向深处发展。 向深处发展。 饱水砂层埋藏条件包括地下水埋深及砂层上的非液化粘 性土层厚度这两类条件。地下水埋深愈浅，非液化盖层愈薄， 这两类条件。地下水埋深愈浅，非液化盖层愈薄， 则愈易液化。 则愈易液化。