3第三章砂土地震液化工程地质研究Convertor.docx

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3第三章砂土地震液化工程地质研究Convertor

第三章

砂土地震液化工程地质研究

主要内容：

3.1基本概念

3.2砂土地震液化的机理

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

3.4砂土地震液化的判别

3.5砂土地震液化的防护措施

在地震过程的短时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，砂粒之间的有效正应力就随之而降低，当空隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时，砂粒就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化（sandliquefacation）。

这种砂水悬浮液在上覆土层压力作用下，可能冲破土层薄弱部位喷出地表，这就是喷水冒砂现象。

可能导致砂土液化的振动有机械振动和地震。

前者引起的砂土液化具有局部性，而后者常是区域性的。

3·1基本概念

饱水砂土在地震、动荷载或其它外动力作用下，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或振动液化。

3·1基本概念

砂土液化照片

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、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。

3·1基本概念

（2）地基失效：

随粒间有效正应力的降低，地基土层的承裁能力也迅速下降，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、倾倒以至倒塌。

3·1基本概念

（3）滑塌：

由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和流动，可引起大规模滑坡。

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坡。

这类滑坡可以产生在极缓，甚至水平场地。

3·1基本概念

（4）地面沉降及地面塌陷：

饱水疏松砂因振动而变密，地面也随之而下沉，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年阿拉斯加地震时，波特奇市即因震陷大而受海潮浸淹，迫使该市迁址。

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年唐山地层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。

3·1基本概念

地震引起砂土液化（台中港1-4码头）

主要内容：

3.1基本概念及研究意义

3.2砂土地震液化的机理

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

3.4砂土地震液化的判别

3.5砂土地震液化的防护措施

砂土液化取决于砂和水的特性。

按形成机理分为振动液化和渗流液化

3.2.1振动液化

砂土受振动时，每个颗粒都受到其值等于振动加速度与颗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，各颗粒就都处于运动状态，它们之间必然产生相互错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。

3.2砂土地震液化的机理

如振动前砂体处于紧密排列状态，经震动后砂粒的排列和砂体的孔隙度不会有很大变化；

如振动前砂土处于疏松排列状态，则每个颗粒都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。

3.2砂土地震液化的机理

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，通过气体的迅速排出立即可以完成这种调整与变密过程，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，此时要变密就必须排水。

地层的振动频串大约为1一2周／秒，在这种急剧变化的周期性荷裁作用下，伴随每一次振动周期产生的孔隙度瞬时减小都要求排挤出一些水，

3.2砂土地震液化的机理

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，下一周期的孔隙度再减小又产生了。

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，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力（excessporewaterpressure）。

前一个周期的剩余孔隙水压尚未消散，下一周期产生的新的剩余孔隙水压力又迭加上来，故随振动持续时间的增长，剩余孔隙水压会不断累积而增大。

3.2砂土地震液化的机理

已知饱水砂体的抗剪强度τ由下式确定：

τ＝（σn-pw）tgφ=σ0tgφ

式中：

pw为孔隙水压；σ0为有效正压力。

在地震前外力全部由砂骨架承担，此时孔隙水压力称中性压力，只承担本身压力，即静水压力。

令此时的空隙水压力为pw0，振动过程中的剩余空隙水压力为△pw，则振动前砂的抗剪强度为：

τ＝（σ-pw0）tgφ

振动时：

τ＝[σ-（pw0+△pw）]tgφ（3－1）

随△pw累积性增大，最终pw0+△pw＝σ，此时砂土的抗剪强度降为零，完全不能承受外荷载而达到液化状态。

3.2砂土地震液化的机理

3.2.2渗流液化

砂土经振动液化之后，这时某一点的孔隙水压力不仅有振动前的静水压力（Pwo），还有由于沙粒不相接处悬浮于水中以致全部骨架压力转化而成的剩余空隙水压力（Pwe）。

此时该点的总空隙水压力（Pw）为：

其中，r、rw分别为土和水的容重。

3.2砂土地震液化的机理

为简化起见，假定砂层无限延伸，地下水位面位于地表面，则在一定深处Z处：

3.2砂土地震液化的机理

震前孔隙水压呈静水压力分布，不同深度处测压水位相同，没有水头差。

振动液化形成剩余空隙水压力以后，不同深度处的测压水位就不再相同了，随深度增加側压水位增高。

任意深度两点Z2和Z1之间的水头差h可以从下式求出。

这两点之间的水力梯度J为：

此水力梯度恰好等于渗流液化的临界水力梯度，处于这个水力梯度，砂粒就在自下而上的渗流中失去重量，产生渗流液化。

3.2砂土地震液化的机理

和振动液化联系起来，整个过程则是：

饱水砂土在强烈地震作用下先产生振动液化，使空隙水压力迅速上升，产生上下水头差和孔隙水自下而上的运动，动水压力推动砂粒向悬浮状态转化，形成渗流液化使砂层变松。

如果地表有不透水的粘土盖层，则渗流液化与上述情况不同。

3.2砂土地震液化的机理

液化砂层的孔隙水压力不能像无盖层情况那样可以自由向地表消散。

液化砂层内的剩余空隙水压力通过液体的压力传导作用于不透水层的底板，形成一个暂时的承压水层，根据静水压力原理，液化砂层内任意点的测压水位都是相等的。

剩余水压有两部分组成：

即液化层的骨架压力和盖层压力。

假设液化砂层厚为M1，盖层层厚为M2，则剩余空隙水压力的大小可按下式求出：

在这种情况下，只有剩余空隙水压力超过盖层强度，或盖层有裂缝，才沿裂缝产生喷水冒砂，渗流液化局限于喷水冒砂口附近。

该层越厚，隔水性越强，液化形成的暂时性承压水层的水头越高，一旦突破盖层，喷水的水头越高，冒砂越强烈。

但对建筑物的严重破坏和砂层因渗流而变松，往往局限于喷水口的局部地段。

3.2砂土地震液化的机理

其中：

为盖层的容重。

主要内容：

3.1基本概念及研究意义

3.2砂土地震液化的机理

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

3.4砂土地震液化的判别

3.5砂土地震液化的防护措施

由上一节可知，饱和砂土（内因）和地震动（外因）是发生振动液化的必备条件。

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。

地震动主要是地震的强烈程度和持续时间（历时）。

影响砂土液化的因素主要包括：

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和持续时间。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

一、土的类型及性质

土的类型及性质是砂土液化的内因。

研究表明：

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、中砂土等也会液化。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

砂土特性（相对密度和粒度和级配）

对地震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。

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隙水的排水．二是向砂土外的排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和砂土的粒径和级配来表征砂土的液化条件。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

1）．砂土的相对密度

松砂极易完全液化，而密砂则经多次循环的动荷载后也很难达到完全液化。

也就是说，砂的结构疏松是液化的必要条件。

表征砂土的疏与密界限的定量指标，过去采用临界孔隙度。

这是从砂土受剪后剪切带松砂变密而密砂变松导出的一个界限指标，即经剪切后即不变松也不变密的孔隙度。

目前较普遍采用的是相对密度Dr。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

式中：

e为土的天然孔隙比；emax和emin分别为该土的最大、最小空隙比。

一般情况下，Dr<0.50时，砂土在振动作用下很快液化；Dr>0.80时，不易液化。

据海城地震资料，砂土的Dr>0.55，Ⅶ度区不发生液化；Dr>0.70，Ⅷ度区也不发生液化。

表3-1列出了不同烈度区内可液化砂土Dr的最大界限值。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

表3－1不同地震烈度区液化砂土最大相对密度

液化地点及资料来源

地震烈度对应的最大Dr最大界限值（％）

海城地震

工程力学研究所

47－64

〔50〕

40－75

〔70〕

〔80〕

兰州地震大队

54－58

〔60〕

65－71

〔75〕

80－88

〔90〕

国外35个实例，H.B希德等

64－78

（72）

日本新泻地震

说明：

〔〕内数字为建议值；（）内数字为实际液化的最大值

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，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、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（Ip）＜7的粉土占34.6％，中粗砂及塑性指数（Ip）为7-10的粉土仅占7.7％，而且全发生在ⅨI度烈度区。

所以具备一定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

粉粒含量大于40%，极易液化；粘粒含量大于12.5%，则极难液化。

最易发生液化的粒度组成特征值是：

平均粒径（d50）0.02-0.10mm，不均粒（匀）系数（η）2-8，粘粒含量小于10%。

（不均粒系数：

土的限制粒径与有效粒径的比值。

限制粒径：

非均粒土累积含量为60%及30%的土粒粒径；有效粒径：

土的最具代表性的粒径。

）

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

土的类型及性质影响的结论：

粒度：

粉、细砂土最易液化

密实度：

松砂易液化，密砂不易液化

成因及年代：

冲积成因的粉细砂土易液化；沉积年代较新的易液化（结构松散、含水丰富、地下水位浅的）

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

二、饱水砂土层的埋藏分布条件

饱水砂土层的埋藏条件主要包括：

饱和砂层的厚度、砂层上非液化粘土层厚度以及地下水埋深等三个方面。

它们决定了超孔隙水压力和有效覆盖压力的大小。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

当空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，土粒间有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度Z处的自重压力Pz为：

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

式中，γ为土的容重。

如地下水埋深为h，Z位于地下水位以下，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：

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

如地下水位位于地表，即h＝0，则：

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

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，则Z1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，以至上覆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。

根据统计资料，一般饱水砂层埋深大于20m时难于液化。

也有人认为应考虑侧压力，埋深界限应定在10-15m；由于地下水埋深3-4m时，液化现象很少，有人建议埋深界限可定为5m。

尚不统一。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

特征：

a）饱水砂层愈厚，地震变密时所产生的超孔隙水压力愈大，尤其当砂层较疏松时有可能排挤出更多的孔隙水，则愈易液化。

b）当液化砂层埋藏较深，上覆以较厚的非液化粘性土层时，由于受到较大的复盖层自重压力和侧压力，孔隙水压力很难上升到足以克服复盖层压力的程度，因而抑制了液化。

而直接出露于地表的饱水砂层最易于液化。

c）当饱和砂层以不厚的夹层和粘性土层相结合时，很少发生液化。

d）地下水埋深大小直接影响饱水砂土以上的覆盖层压力。

显然，地下水埋深愈大，愈不易液化；反之愈易液化。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

（饱水砂层的成因和时代：

具备上述的颗粒细、结构疏松、上覆非液化盖层薄和地下水埋深浅等条件，而又广泛分布的砂体，主要是近代河口三角洲砂体和近期河床堆积砂体，其中河口三角洲砂体是造成区域性砂土液化的主要砂体。

已有的大区域砂土地震液化实例，主要形成于河口三角洲砂体内。

而且往往是有史时期或全新世形成的疏松沉积物。

）

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

三、地震强度及持续时间（历时）

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。

地震所产生的等效剪应力循环次数N，随地震持续时间的加长而加大，地震持续时间越长，则愈容易引起砂土液化。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

粗略评价砂土液化的地震强度条件的方法（统计方法）：

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，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。

亦即地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒径范围愈大。

又如，烈度不同可液化砂土的相对密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相对密度值也愈大。

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

主要内容：

3.1基本概念及研究意义

3.2砂土地震液化的机理

3.3影响砂土液化的因素（形成条件）

3.4砂土地震液化的判别

3.5砂土地震液化的防护措施

从工程抗震设计要求考虑，需要解决的问题首先是正确判断砂土能否液化，其次是采用什么措施预防或减轻液化引起的震害。

工程设计需要判别的内容包括：

估计液化的可能性、估计液化的范围、估计液化的后果。

介绍几种判别方法。

3.4砂土地震液化的判别

饱和砂土和饱和粉土（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。

存在饱和砂土和饱和粉土（不含黄土）的地基，除6度设防外，应进行液化判别；存在液化土层的地基，应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级，结合具体情况采取相应的措施。

3.4砂土地震液化的判别

3.4.1地震液化初判的限界指标（宏观判别法）

一、地震条件

1．液化最大震中距

分析我国1955年以前近900a间历次地震喷水冒砂资料得出震级（M）与液化最大震中距（Dmax）有如下关系：

Dmax＝0.82×100.862（M-5）

由上式可以判定，如M＝5则液化范围限于震中附近1km之内。

2．液化最低地震烈度

我国地震文献中没有地震震级小于5级的喷水冒砂记录。

震级5级震中烈度为VI度，故液化最低烈度为VI度。

3.4砂土地震液化的判别

二、地质条件

近年来历次地震震后调查发现，发生液化处所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。

3.4砂土地震液化的判别

三、埋藏条件

1．最大液化深度

一般认为液化判别应在地下15m深度范围内进行。

最大液化深度可达20m，但对一般浅基础而言，即使15m以下液化，对建筑物影响也极轻微。

2．最大地下水位深度

喷砂冒水严重的地区，地下水埋深一般不超过3m，甚至不足1m，深为3-4m时喷砂冒水现象少见，超过5m没有喷砂冒水实例。

《建筑抗震设计规范》为安全起见将液化最大地下水埋深定为8m。

3.4砂土地震液化的判别

四、土质条件

液化土的某些特性指标的限界值为：

（1）平均粒径（d50）为0.01-1.0mm；

（2）粘粒（粒径＜0.005mm）含量不大于10％或15％。

（3）不均粒（匀）系数（η）不大于10；

（4）相对密度（Dr）不大于75％；

（5）级配不连续的土粒径＜1mm的颗粒含量大于40％；

（6）塑性指数（Ip）不大于10。

3.4砂土地震液化的判别

按上述判别条件进行初判可归纳为如图3—5的流程框图。

初判结果虽偏于安全，但可将广大非液化区排除，把进一步的工作集中于可能液化区。

3.4砂土地震液化的判别

图3-5地震砂土液化限界指标初判流程图

3.4.2现场测试法

经初步判别认为有可能液化或需考虑液化影响的饱和砂土或粉土，都应进行以现场测试为主的进一步判别。

主要方法有标贯判别，静力触探判别和剪切波速判别。

其中以标贯判别简便易行最为通用。

3.4砂土地震液化的判别

按《建筑抗震设计规范》规定，宏观判别的初判条件是：

（1）饱和的砂土或粉土，其堆积年代为晚更新世（Ｑ3）及其以前者为不液化土；

（2）粉土的粘粒（d＜0.005mm的土粒）含量百分率，7度、8度、9度分别小于10、13和16时为液化土，反之为不液化土；

（3）采用天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位埋深符合下列条件之一时，应考虑液化影响，否则可不考虑液化影响；

du≤d0＋db－2　　　　　　　　　　　　　　　（3.4－1）

dw≤d0＋db－3　　　　　　　　　　　　　　（3.4－2）

du+dw≤1.5d0＋2db－4.5　　　　　　　　　　（3.4－3）

　　式中：

　　dw——地下水位埋深，按年最高水位采用；

　　du——上覆非液化土层厚度，计算时宜将淤泥和淤泥质土扣除；

　　db——基础砌置深度，小于2m时应采用2m；

　　d0——液化土特征深度，可按表3－6采用。

3.4砂土地震液化的判别

除上述三条规定外，在宏观判别前应了解分析区域地震地质条件和历史地震背景（包括地震液化史、地震震级、震中距等）；在判别时应充分研究场地地层、地形地貌和地下水条件；并应调查了解历史地震液化的遗迹。

对倾斜场地及大面积液化层底面倾向河沟或临空时，应评价液化引起地面流滑的可能性。



当宏观判别认为场地有液化可能性时，再作进一步判别。

一般判别可在地面以下15m深度内进行；当采用桩基或其他深基础时，其判别深度可根据工程具体条件适当加深。

判别时应采用多种方法，经比较分析后，综合判定可能性和液化程度。

3.4砂土地震液化的判别

表3－6液化土特征深度表（m）

饱和土类别

烈度

粉土

砂土

当初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下15m深度范围内的液化；当采用桩基或埋深大于5m的深基础时,尚应判别15～20m范围内土的液化。

当饱和土标准贯入锤击数（未经杆长修正）小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。

当有成熟经验时，尚可采用其他判别方法。

　　在地面下15m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

一、标贯试验法（建筑抗震设计规范）

标准：

N>Ｎcr　　为不液化　　　　　　（3.4－4）

3.4砂土地震液化的判别

在地面下15～20m范围内液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

式中Ncr－液化判别标准贯入锤击数临界值；

　　N0－液化判别标准贯入锤击数基准值，应按下表采用；

　　　ds－饱和土标准贯入点深度（m）；

　　　ρc－粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3。

3.4砂土地震液化的判别

设计地震分组

7度

8度

9度

第一组

6（8）

10（13）

第二、三组

8（10）

12（15）

标淮贯入锤击数基准值

注：

括号内数值用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。

3.4砂土地震液化的判别

存在液化土层的地基，应进一步探明各液化土层的深度和厚度，并应按下式计算液化指数：

　　　　　　　　　（3。

4－6）

式中：

　　IIE——液化指数；

　　n——15m深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；

　　Ni、Nci——分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时应取临界值的数值；

　　di——i点所代表的土层厚度（m）；

　wi——i土层考虑单位土层厚度的层位影响权函数值（单位为m－１），当该层中点深度不大于5m时应采用10，等于15m时应采用零值，5～15m时应按线性内插法取值。



　　存在液化土层的地基，应根据其液化指数划分液化程度的等级（表3－8）。

3.4砂土地震液化的判别

液化指数

小于15米

IIE＞15

液化等级

轻微

中等

严重

地面效应及对工程设施的危害程度

地面一般无喷水冒砂现象；危害性小，一般不会引起明显的损害

喷水冒砂可能性较大，多数属中等程度；危害性较大，可造成不均匀沉陷和开裂

喷水冒砂一般都很严重，地面变形明显；危害性大，一般可产生较大的不均匀沉陷，高耸结构物可能产生不允许的倾斜

表3-8液化等级表

计算实例：

（见讲义）

判别深度为20m时的液化指数

IlE>18

3.4砂土地震液化的判别

二、剪切波速判别法

利用剪切波速Vs与标贯击数N值之间的相关性，可以将以N为判据的判别式转换为Vs为判据的判别式。

根据现场研究与相关分析，Vs与N之间的一般关系式为：

Vs＝100N0.2（3。

7-7）

令为液化临界剪切波速；为液化临界剪切波速基准值，则式7-16可以转换为如下形式：

与N0的对应值见表3－9。

表3－9与N0的对应值（CKP281）

（m/s）

145

150

160

165

175

180

剪切波速测定对土的结构扰动少，操作轻便，可自动记录，故近年来多采用此法。

3.4.3理论计算判别

国外最常用的理论计算判别是由H．B希德所提出的判别方法及准则，即根据土的动三轴试验求出的应力比（σb／σa，即最大动循环剪应力τmax与初期围限压力τa之比）和某一深度土层的实际应力状态（土层有效上覆压力），计算出能引起该砂土层液化的剪应力τ，实际上此剪应力就相当于该砂土层抵抗液化的抗剪强度，如果取得的值小于据地震加速度求得的等效平均剪应力（τa），则可能液化，其表示式为

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