工程地质分析原理 第七章地震导致的区域性砂土液化
第七章 地震导致的区域性砂土液化
71基本概念及研究意义 粒间无内聚力的松散砂体,主要靠粒间摩擦力 维持本身的稳定性和承受外力。当受到振动时 粒间剪力使砂粒间产生滑移,改变排列状态。如 果砂土原处于非紧密排列状态,就会有变为紧密 排列状态的趋势,如果砂的孔隙是饱水的,要变 密实效需要从孔隙中徘出一部分水,如砂粒很细 则整个砂体渗透性不良,瞬时振动变形需要从孔 隙中排除的水来不及排出于砂体之外,结果必然 使砂体中空隙水压力上升,砂检之间的有效正应 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,砂钦就会悬浮于水中,砂 体也就完全丧失了强度和承载能力,这就是砂土 液化 sand liquefacation)。这种秒水悬浮液在
◼ 7.1 基本概念及研究意义 ◼ 粒间无内聚力的松散砂体，主要靠粒间摩擦力 维持本身的稳定性和承受外力。当受到振动时， 粒间剪力使砂粒间产生滑移，改变排列状态。如 果砂土原处于非紧密排列状态，就会有变为紧密 排列状态的趋势，如果砂的孔隙是饱水的，要变 密实效需要从孔隙中徘出一部分水，如砂粒很细 则整个砂体渗透性不良，瞬时振动变形需要从孔 隙中排除的水来不及排出于砂体之外，结果必然 使砂体中空隙水压力上升，砂检之间的有效正应 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，砂钦就会悬浮于水中，砂 体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土 液化(sand liquefacation)。这种秒水悬浮液在
砂土液化引起的破坏主要有以下四种 (1)涌砂:涌岀的砂掩盖农田,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。 (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。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所,严重破坏 6200所,轻微破坏31000所
◼ 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。 ◼ (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。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所，严重破坏 6200所，轻微破坏31000所
1976年房山地层时,天津市新港望河楼建筑群, 田地基失效突然下沉38cm,倾斜度达30‰ 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。 (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 特奇市即因震陷量大而受海潮浸淹
◼ 1976年房山地层时，天津市新港望河楼建筑群， 田地基失效突然下沉38cm，倾斜度达30％。 ◼ (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。 ◼ (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 特奇市即因震陷量大而受海潮浸淹
迫使该市迁址。地下砂体大量涌出地表,使地下 的局部地带被掏空,则往往岀现地面局部塌陷, 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
◼ 迫使该市迁址。地下砂体大量涌出地表，使地下 的局部地带被掏空，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 2.6一2.9m，塌陷区边缘出现大量宽1—2m的环 形裂缝，全村变为池塘
地震引起砂土液化(台中港14码头)
地震引起砂土液化(台中港1-4码头)
72地震时砂土液化机制 ■7.21振动液化 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。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。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
◼ 7.2 地震时砂土液化机制 ◼ 7.2.1 振动液化 ◼ 砂土受振动时，每个颗粒都受到其值等于振动 加翅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。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 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 体积缩小而岀现的“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。地层的振动频率 大约为1一2周期/秒,在这种急速变化的周期性 荷载作用下,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
◼ 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。 ◼ 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。地层的振动频率 大约为1一2周期／秒，在这种急速变化的周期性 荷载作用下，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
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( excess pore water pressure)。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。 已知饱水砂体的抗剪强度τ由下式确定 T=(On-pwtgap= Oo, tgop
◼ 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(excess pore water pressure)。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。 ◼ 已知饱水砂体的抗剪强度τ由下式确定： τ＝（σn-pw)tgφ= σ0·tgφ
式中:p为孔隙水压;σ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 t=(O-pwo)tgop 振动时:T=[-(p0+△pw)]tgφ(7-1) 随△p累积性增大,最终pw+^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
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（7－1） 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