3砂土地震液化工程地質3.1概述3.2砂土地震液化的機理3.3影響砂土液化的因素3.4砂土地震液化的判別3.5砂土地震液化的防護措施3.1概述一、定義飽水砂土在地震，動力荷載或其它外力作用下，受到強烈振動而喪失抗剪強度，使砂粒處于懸浮狀態，致使地基失效的作用或現象稱為砂土液化(sandliquefaetion)或振動液化。地震導致砂土液化往往是區域性的，可使廣大地域內的建筑物遭受毀壞地點：彰化縣伸港鄉大肚溪土壤液化921集集大地震，員林、南投、大肚溪以及臺中港等地區，都有土壤液化的現象，導致地層下陷、噴砂，房屋倒塌、傾斜、破壞的情形。陷落的情形。彰化縣伸港鄉大肚溪土壤化彰化縣伸港鄉的大肚溪口，南側河道高灘地部份，其噴砂口的形狀好像火山口，從底下湧出的泥砂，成輻射狀向四周流下。日本新瀉1964年地震時砂土液化影響。這些設計為抗震的建筑物傾斜而未受損壞。加州沃森維爾附近的野外涌沙唐山地造成的噴水冒砂區分布圖震地震導致的砂土液化現象在飽水疏松砂層廣泛：分布的海濱，湖岸，沖積平原，以及河漫灘、低階地等地區尤為發育，使位于這些地區的城鎮，農村、道路，橋梁、港口、農田、水渠、房屋等工程經濟設施深受其害。(1)地面下沉飽水疏松砂土因振動而趨于密實，地面隨之下沉，結果可使低平的濱海(湖)地帶居民生活受到影響，甚至無法生活。1964年阿拉斯加地震時，波特奇市因砂土液化地面下沉很多，每當海水漲潮即受浸淹。迫使該市不得不遷址。唐山地震時，烈度為Ⅸ度的天津漢沽區富莊大范圍下沉，原來平坦的地面整體下沉達1.6-2.9m.(2)地表塌陷地震時砂土中孔隙水壓力劇增，當砂土出露地表或其上覆土層較薄時，即發生噴砂冒水，造成地下淘空，地表塌陷。如海城地震時，在震中以西的下遼河，盤錦地區大量噴砂冒水，一般開始于主震過后數分鐘，持續時間5—6小時甚至數日。噴出的砂水混合物高速3-5m，形成許多圓形、橢圓形陷坑，坑口直徑3—4m至7—8m，深數十厘米至數米。給交通和水利設施、農田、房屋、地下管道和油井等造成嚴重損害。唐山地震時，自灤河口以西直至寧河一帶，數千平方公里范圍內到處噴砂冒水，使十幾萬畝農田被噴砂掩覆，十幾萬口機井淤塞，不少房屋和公路，鐵路橋墩毀壞。(3)地基土承載力喪失持續的地震動使砂土中孔涼水壓力上升，而導致土粒間有效應力下降．當有效應力趨于零時，砂粒即處于懸浮狀態，喪失承載能力，引起地基整體失效。如1064年日本新瀉地震，由于地基失效使建筑物倒塌2130座，嚴重破壞6200座，輕微破壞達31000座。唐山地震時，唐山和天津地區的許多房屋、橋梁和鐵路路段也因地基失效而破壞。(4)地面流滑斜坡上若有液化土層分布時，地震會導致液化流滑而使斜坡失穩．1960年智利8.9級大震時，內華湖附近圣佩德羅河上最大一個滑坡體的發生，是由于粘土層中含有大量粉砂土透鏡體的液化所致(圖3-2)．有時場地地面極緩甚至近于水平也發生滑移．如1971年美國圣費爾南德地震滑移地段，地面坡度僅2度。唐山地震時，天津市河東區柳林一帶的嚴重滑移，則為水平場地。砂土液化在宏觀震害中的雙重作用，即產生液化的場地往往比同一震中距范圍內未發生液化場地的宏觀烈度要低些。這是因地震剪切波在此層中受阻(流體不能傳遞剪力)，使傳至地面上的地震波相應地衰減。砂土地震液化問題，作為一種自然災害現象進行深入研究，從20世紀60年代才開始。1864年阿拉斯加和新瀉兩次地震所造成的嚴重破壞，均為砂土液化的緣故，故在美國，日本和其它一些國家的工程地質界引起了很大的關注。3.2砂土地震液化的機理砂土地震液化的機理影響砂土液化的因素砂土地震液化的判別防護措施等問題3.2砂土地震液化的機理飽和砂土是砂和水的復合體系。砂土是一種散體物質，它主要依靠顆粒間的摩擦力承受外力和維持本身的穩定，而這種摩擦力主要取決于粒間的法向壓力。水是一種液體，它的突出力學特性是體積難于壓縮，能承受極大的法向壓力，他不能承受剪力。泡和砂土由于孔隙水壓力Pw0作用，度將小于干砂的抗剪強度：σ0即為有效法向壓力。顯然σ0＞σ。在地震過程中，疏松的飽和砂土在地震動引起約剪應力反復作用下，砂粒問相互置必然產生調整，而使砂土趨于密實，以期最終達到最穩定的緊密排列狀態。砂土要變密實就勢必排水。在急劇變化的周期性荷載作下，所伴隨的孔隙度減小都要求排擠出一些水，且透水性變差。如果砂土透水性不良而排水不通暢的話，則前一周期的排水尚末完成，下一周期的孔隙度再減少又產生了，應排除的水來不及排走，而水又是不可壓縮的，于是就產生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力(excessporepressure)。隨振動持續時間的增長，剩余孔隙水壓力不斷疊加而積累增大，而使砂土的抗剪強度不斷降低，甚至完全喪失。砂土的抗剪強度τ與作用于該土體上的往復剪應力τd的比值來判定砂土是否會發生液化。當τ／τd>1時，不會產生液化當τ／τd=1，處臨界狀態，砂土開始發生剪切破壞；此時稱為砂土的初始液化狀態砂土的抗剪強度隨振動歷時增大而降低。當τ／τd＜1時，則沿剪切面的塑性平衡E迅速擴大，導致剪切破壞加劇。而當孔隙水壓力繼續上升，直至與總法向壓力相等，有效法向壓力及抗剪強度均下降為零，即當τ/τd=0時，砂土顆粒間將脫離接觸而處于懸浮狀態．此時即為完全液化狀態．

可將砂土液化的發展過程劃分為三個階段：①穩定狀態(τ／τd>1)；②臨界狀態或初始液化狀態(τ／τd=1)；③完全液化狀態(τ/τd=0)．從初始液化狀態至完全液化狀態往往發展很快，二者界線不易判斷，為了保證安全，可把初始液化視作液化。液化的形成過程和機理西德(H．B．Seed)等人自1966年就進行室內動力剪切試驗，發現變向循環荷裁(振動)，作用下飽和砂土最易液化。循環荷載三軸壓縮試驗(動三軸剪)，試樣首先在各向均等的靜壓力σa下固結，然后在不排水條件下同時在豎向上施加±1/2σd（壓、拉），側向施加±1/2σd（壓、拉）的循環荷載。循環荷載的頻率近乎地震頻率，即l-2r/s。（τd）max=（σ1-σ3）/2=σd/2為最大循環剪應力。取松砂和密砂試樣分別進行試驗，發現試驗結果明顯不同。當隨著動荷載循環周期數的增加，孔隙水壓力不斷增大，直至Pw=σa時，砂的剪切變形開始增大。繼續反復加荷，松砂變形迅速加大，不久即全液化；而密砂變形則緩慢增大，難于全液化。當飽和砂土完全液化時，在一定深度z處的總孔隙水壓力Pw=pw0+σ。(假設地下水面位于地表面)，其中σ=ρm·g·z;則Δpw=ρm·g·z-ρw·g·z=(ρm-ρw)·g·z=ρ′·g·z。式中ρmρ′分別為砂土的飽和密度和浮密度，ρw為水的密度。砂土的深度愈大，完全液化時的超孔隙水壓力就愈大。震前孔隙水壓力呈靜水壓力分布，不同深處測壓水位相同，無水頭差。當振動液化形成超孔隙水壓力以后，不同深處的測壓水位就不再相等，隨深度增加則測壓水位增高。顯然當飽和砂土出露于地面時，該水頭將高出地面；且砂土愈厚則水頭愈高。任意深度兩點z1和z2之間的水頭差h可以從下式求出h=（ρm-ρw）（z2-z1）/ρw這兩點之間的水力梯度為，I=h/（z2-z1）=（ρm-ρw）/ρw=ρ′/ρw(3—5)此水力梯度即為完全液化的臨界水力梯度。在這個梯度作用下，砂粒就在自下而上的滲流中發生液化，地面噴砂冒水，隨之超孔隙水壓力得到消散。當地表有不透水的粘土蓋層時，只有超孔隙水壓力超過蓋層強度或蓋層有裂縫時，才能沿裂縫產生噴砂冒水，3.3影響砂土液化的因素飽和砂土和地震是發生振動液化的必備條件。土的類型及性質飽和砂土的埋藏分布條件地震動的強度及歷時。土的類型及性質土的類型及性質是砂土液化的內因。宏觀考察資料表明，極易液化土的特征是：平均粒度0.02-0.10mm，?=2-8，粘粒含量<10%粉細砂土最易液化，避隨著地震烈度的增高，亞砂土，輕亞粘土、中砂土等也會發生液化。國內外對地震液化噴出物作了大量的粒度分析和統計工作。我國對邢臺、通海和海城地震砂土液化的78件噴砂樣品粒度分析表明，粉、細砂土占57.7％，亞砂土(Ip<7)占34.6%，中粗砂土及輕亞粘土(Ip=7-10)占7.7％，而且全部發生在烈度為Ⅸ度區內。唐山地震時天津市區為Ⅶ度區，出現許多亞砂土和輕亞粘土液化現象。其界限是：粉粒含量大于40%，極易液化；粘牲含量大于12.5%，則極難液化．粉粒含量大有助于液化，粘粒含量大則不易液化?！锩軐嵍人缮皹O易液化，密砂不易液化。相對密度Dr<50%時，很易液化，Dr>80%時，不易液化?！锍梢蚣澳甏酁闆_積成因的粉細砂土，如濱海平原、河口三角洲等。沉積年代較新：結構松散、含水量豐富、地下水位淺根據我國一些地區液化土層的統計資料；最易發生液化的粒度組成特征值是：平均粒徑(d50)為0.02—0.10mm，不均粒系數(η)為2-8，粘粒含量小于10%。相對密度Dr，作為判別砂土掖化可能性的指標。式中：e為天然孔隙比：emax和emin分別為最大、最小孔隙比。一般的情況是，Dr<50%時砂土在振動作用下很快液化；Dr>80%時不易液化。據海城地震的統計資料，砂土的Dr>55%，Ⅶ度區不發生液化；Dr＞70%，Ⅷ度區也不液化；飽水砂土的成因和堆積年代對液化的影響近20多年來報道的大范圍砂土地震液化的地點，多位于濱海平原、河口三角洲和近期河床堆積物區。這些地區的沉積物一般是在歷史時期內形成構，主要為沖積成因的粉、細砂土，結構疏松，且地下水埋深很淺。唐山地震引起的大范圍砂土液化區，位于冀東沿海平原，絕大部分是新石器時代(距今4000-5000年)以來形成的，其中又以灤河河口三角洲為主。二、飽和砂土的埋藏分布條件飽和砂層埋藏條件主要包括飽水砂層的厚度，砂層上非液化粘性土層厚度以及地下水埋深這三方面，它們決定了超孔隙水壓力和有效覆蓋壓力的大小。飽水砂層愈厚，地震變密時所產生的超孔隙水壓力愈大。當液化砂層埋藏較深，上覆以較厚的非液化粘性土層時抑制了液化，而直接出露地表的飽水砂層最易于液化。一般飽水砂層埋深大于20m時難于液化，可以把液化最大地下水埋深定為5m，因為當地下水埋深為3-4m時，液化現象很少。三、地震動的強度及歷時地震動的強度和歷時是砂土液化的動力．顯然，地震愈強，歷時愈長，則愈易引起砂土液化；且波及范圍愈廣，破壞愈嚴重。評價地震動強度的方法有兩種：統計的方法及理論計算的方法。1)統計方法統計方法是一種簡單評價的方法?？梢夯巴恋钠骄?d50)范圍愈大，其相對密度(Dr)也愈大，在Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度烈度區可能液化砂土的d50分別為0.05—0.15、0.03—0.25、0.015—0.5mm。

可按下列經驗公式表示其關系，lgR=0.77M-3.6(3-7)式中，M為震級(一般M>6)；R為液化最遠點的震中距(Km)。2)、理論計算方法這種計算方法一般是根據實測的地震最大地面加速度，計算在地下某深度處由于地震產生的實際剪應力；再用以判定該深度處的砂土層是否會發生液化。希德等人提出的計算公式為(τd)max=ρ·H·g·αmax/g=ρ·H·αmax式中(τd)max為單元土體的最大剪應力；

ρ·H為砂土的密度及埋深Αmax為最大地面加速度3.4砂土地震液化的判別工程設計需要的判別內容應該包括：①估計液化的可能性；②估計掖化的范圍；③估計液化的后果。判別砂土地震液化可能性的方法較多，下面將介紹近年來國內外最常用的三種方法：標準貫入擊數法、剪應力對比法綜合指標法。

1)標準貫入擊數法我國已將此法列入《建筑抗震設計規范》(GB-50011-2001)。在砂土液化現場以砂層埋深3m、地下水埋深2m作為基本健況，通過標貫試驗找出不同地震烈度下的臨界貫入擊數。當烈度為Ⅶ度時N0=6，Ⅷ度時N0=10，Ⅸ度時N0=16。則采用下述經驗公式修正：N=N0[1+0.125(H-3)-0.05(h-2)]式中：H為砂土埋深(m)；h為地下水埋深(m).如果實際貫入擊數大于臨界貫入擊數,則不液化；反之即液化。此法適用于飽水砂土埋深在15m范圍之內.

試驗操作方法應標準化，以用泥漿回轉鉆進、自動脫鉤控制吊錘為宜。對于重要的工程，每層土不應少于5個鉆孔，試驗次數不應少于15次。分層求取平均值以消除偶然誤差。臨界貫入擊數隨深度的變化，在近地表處為垂直線，向下轉折成斜線，總體應為一條折線。2)剪應力對比法此法是希德在日本新瀉地震后提出的，是目前國內外比較流行的判別方法，其原理是：引起砂土液化的地震剪切波大致以垂直方向自基巖向覆蓋層傳播，并在不同深處產生隨時間而變化的不均勻的反復剪切應力。當地震剪切波在砂土中引起的剪應力超過該砂土的抗剪強度時，τ/Pz=σ1/2·Cr/σαPZ為某深度z處的有效上覆壓力σ1/2/σα為動三軸壓縮試驗所求得的應力比Pz有三種情況：①z處于地下水位以上，則Pz=ρ·g·z②z處于地下水位以下，則Pz=ρ·g·h+ρ′·g·(z-h)③若地下水出露地表，則Pz=ρ′·g·zτ/Pz=σ1/2·Cr/σα·Dr/0.5求出τ后再與（τd）er值對比，即可判別液化的可能性3)綜合指標法由于砂土液化的影響因素較多,從實際資料中加以總結，用綜合指標來更為妥當．這是一種經驗判別的方法，指標：飽和砂土的埋深（H），相對密度（Dr）、地下水埋深（h）、砂土平均粒徑（d50）、不均勻系數（η）和標貫擊數（N63.5）等。3.5砂土地震液化的防護措施防護砂土地震液化的常用措施有：慎重選擇建筑場地、地基處理及基礎類型選擇等。在強震區，對于建筑場地應慎重選擇。尤其是重大建筑物損壞店后果嚴重；建筑場地應盡量避開可能液化土層分布的地段．一般應以地形平坦，液化土層及地下水埋藏較深，上覆非液化土層較厚的地段作為建筑場地。液化砂土的地基處理措施主要有：振沖法、排滲法、強夯法、爆炸振密法、板樁圍封法、換土和增加蓋重等1)振沖法這種方法是本世紀加年代創始于德國，它對提高飽和粉、細砂土抗液化能力效果較佳，可使砂土的Dr增加到0.80。此法的主要設備是特制的振