砂土地震液化工程地质研究

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1、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(Sandliquefaction)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

2、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

3、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

4、、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

5、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

6、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

7、，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，