地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液化.ppt

第七章 地震導(dǎo)致的區(qū)域性砂土液化,（1）基本概念及研究意義； （2）地震時(shí)砂土液化機(jī)制； （3）區(qū)域性砂土地震液化的形成條件； （4）砂土地震液化的判別； （5） 砂土地震液化的防護(hù)措施,7.1 基本概念及研究意義,一、基本概念,砂土無(wú)粘性土： 干砂土振動(dòng)密實(shí)效應(yīng) 飽水砂土振動(dòng)液化,1、砂土液化,對(duì)于飽和砂土，在振動(dòng)荷載的作用下，空隙水壓力上升到使砂粒間有效正應(yīng)力降為零時(shí)，砂體就會(huì)懸浮于水中，砂體也就完全喪失了強(qiáng)度和承載能力，這就是砂土液化。 飽水的粉細(xì)砂或輕亞粘土在地震力的作用下瞬時(shí)失掉強(qiáng)度，由固態(tài)變成液體狀態(tài)的力學(xué)過(guò)程,砂水懸浮液在上覆土層壓力作用下，可能沖破土層薄弱部位噴到地表，這就是噴水冒砂現(xiàn)象。,地震引起的砂土液化實(shí)例,1964年6.16，日本新寫(xiě)發(fā)生7.5級(jí)地震，因地基土發(fā)生液化造成破壞。 1995年1.17，發(fā)生在神戶的李氏7.2級(jí)地震造成橋梁地基及結(jié)構(gòu)破壞。,二、砂土液化引起的破壞,涌出的砂掩蓋農(nóng)田，壓死作物，使沃土鹽堿化、砂質(zhì)化，同時(shí)造成河床、渠道、徑井筒等 淤塞，使農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施受到嚴(yán)重?fù)p害。,1、涌砂,日本新瀉1964年的地震引起的砂土液化，由于地基失效, 建筑物倒塌2130所，嚴(yán)重破壞6200所，輕微破壞31000所。 1976年唐山地震時(shí)，天津市新港望河樓建筑群，地基失效突然 下沉38cm，傾斜度達(dá)30。,2、地基失效,由于下伏砂層或敏感粘土層震動(dòng)液化和流動(dòng)，可引起大規(guī)?；?。,3、滑塌,1964年阿拉斯加地震，安科雷奇市就因敏感粘土層中的砂層透鏡體液化而產(chǎn)生大滑坡。這類滑坡可以產(chǎn)生在極緩，甚至水平場(chǎng)地。,1964年阿拉斯加地震時(shí)，波特奇市即因震陷大而受海潮浸淹，迫使該市遷址。 1976 年,唐山地震時(shí)寧河縣富莊村下沉2.6-2.9m，塌陷區(qū)邊緣出現(xiàn)大量寬 1-2m的環(huán)形裂縫，全村變?yōu)槌靥痢?4、地面沉降及地面塌陷,地震液化機(jī)制遠(yuǎn)比一般振動(dòng)液化復(fù)雜。 地震液化:先后相繼發(fā)生的振動(dòng)液化+滲流液化,7.2 地震時(shí)砂土液化機(jī)制,一、振動(dòng)液化,如振動(dòng)前砂土處于緊密排列狀態(tài) 如果砂土位于地下水位以上的包氣帶中 如果砂土位于地下水位以下的飽水帶,振動(dòng)液化 受振動(dòng)時(shí)，每個(gè)顆粒都受到其值為振動(dòng)加速度與顆粒質(zhì)量乘積的慣性力的反復(fù)作用。顆粒間沒(méi)有內(nèi)聚力或內(nèi)聚力很小，在慣性力周期性反復(fù)作用下，各顆粒就都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 振動(dòng)前緊密狀態(tài)，震后排列和孔隙度不會(huì)有很大變化， 振動(dòng)前疏松狀態(tài)，比緊密排列高得多的勢(shì)能，在振動(dòng)加速度的反復(fù)荷載作用下，必然逐步加密，以期最終成為最穩(wěn)定的緊密狀態(tài)。 砂土位于地下水位以下的飽水帶，要變密就必須排水。 急速變化的周期性荷載作用下，產(chǎn)生的孔隙度瞬時(shí)減小都要求排擠出一些水，,砂的滲透性不良，排水不通暢，前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再減小又產(chǎn)生了。孔隙水必然承受由孔隙度減小而產(chǎn)生的擠壓力，生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力(excess pore water pressure)。隨振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，剩余孔隙水壓會(huì)不斷累積而增大。,空隙水壓力為pw0，振動(dòng)過(guò)程中的剩余空隙水壓力為pw 振動(dòng)前 （-pw0）tg 振動(dòng)時(shí)： -（pw0+pw）tg 隨pw累積性增大，最終pw0+pw，此時(shí)砂土的抗剪強(qiáng)度降為零，完全不能承受外荷載而達(dá)到液化狀態(tài)。,振動(dòng)液化形成超空隙水壓力,二、滲流液化,滲流液化：水自下而上形成水頭差，并產(chǎn)生自下而上的滲流，動(dòng)水壓力推動(dòng)砂粒向懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)化，砂粒處于失重狀態(tài)，甚至向上運(yùn)動(dòng)。,滲流液化,飽和砂土，在強(qiáng)烈地震作用，振動(dòng)液化，使空隙水壓力迅速上升，產(chǎn)生上、下水頭差和孔隙水自下而上的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)水壓力推動(dòng)砂粒向懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)化，形成滲流液化使砂層變松。 沒(méi)有不透水蓋層的情況下出現(xiàn)冒水，上部砂層松脹、強(qiáng)度喪失，但不噴水冒砂。裂縫處出現(xiàn)冒砂現(xiàn)象； 有不透水的粘土蓋層，剩余水壓由兩個(gè)部分組成，液化層的骨架和蓋層的壓力。剩余空隙水壓力超過(guò)蓋層強(qiáng)度，或蓋層裂隙才有沿裂縫產(chǎn)生噴水冒砂，滲流液化局限于噴砂口附近。,地表無(wú)覆蓋層時(shí)，產(chǎn)生遍地冒水、上部砂層松脹 、強(qiáng)度喪失。不產(chǎn)生噴水冒沙。,地表有不透水粘土蓋層，形成暫時(shí)承壓水。一旦壓力突破蓋層，產(chǎn)生噴水冒沙。 剩余空隙水壓力：Pwe=(r-rw)M1+rgM2,7.3 區(qū)域性砂土地震液化的形成條件,砂土層：砂土的成分、結(jié)構(gòu)以及飽水砂層的埋藏條件。 地震方面主要是地震的強(qiáng)烈程度和持續(xù)時(shí)間。,從砂土地震液化機(jī)制的討論，砂土層本身和地震這兩方面具備一定條件才能產(chǎn)生砂土液化:,一、砂土特性和飽水砂層埋藏條件及成因時(shí)代特征,1、砂土特性,高的剩余空隙水壓力形成的必要條件： 一是地震時(shí)，砂土必須有明顯的體積縮小從而產(chǎn)生空隙水的排水 二是向砂土外的排水滯后于砂體的振動(dòng)變密，即砂體的滲透性能不良，不利于剩余空隙水壓力的迅速消散， 隨荷載循環(huán)的增加, 空隙水壓力因不斷累積而升高。,表征砂土的液化條件的指標(biāo)： (1) 砂土的相對(duì)密度 Dr=(emax-e)/(emax-emin) 相對(duì)密度愈大，需要愈大的震動(dòng)強(qiáng)度或更多的振動(dòng)循環(huán)次數(shù)N才能使它液化。,(2) 砂土的粒徑和級(jí)配 相對(duì)密度低并不是砂土地震液化的充分條件， 有些顆粒比較粗的砂，相對(duì)密度雖然很低但卻很少液化。 具備一定粒度成分和級(jí)配是一個(gè)很重要的液化條件。,2、飽水砂土層的埋藏條件,直接在地表出露的飽水砂層最易于液化。(Pz=r-rw) *Z,如果飽水砂層埋藏較深，上覆土層的蓋重足以抑制地下水面附近產(chǎn)生液化，液化也就不會(huì)向深處發(fā)展。 Pz= rh+(r-rw)(Z-h),3、飽水砂層的成因和時(shí)代,顆粒細(xì)、結(jié)構(gòu)疏松、上覆非液化蓋層薄和地下水埋深淺等條件，而又廣泛分布的砂體。 近代河口三角洲砂體和近期河床堆積砂體，其中河口三角洲砂體是造成區(qū)域性砂土液化的主要砂體。,動(dòng)力-地震加速度，地震愈強(qiáng)、加速度愈大，愈容易引起砂土液化。 按不同烈度評(píng)價(jià)某種砂土液化的可能性。,二、地震強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間,根據(jù)觀測(cè)得出，在、度烈度區(qū)可能液化的砂土的D50分別為0.05-0.15， 0.03-0.25，0.015-0.5mm。 地震烈度愈高，可液化的砂土的平均粒徑范圍愈大。又如，烈度不同的可液化砂土的相對(duì)密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相對(duì)密度值也愈大。,確切評(píng)價(jià)砂土液化的地震強(qiáng)度條件,需實(shí)測(cè)出地震時(shí)最大地面加速度，計(jì)算在地下某一深度處由于地震而產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力，再用以判定該深度處的砂土層能否液化。,地震條件-地質(zhì)條件-埋藏條件-土質(zhì)條件,7.4 砂土地震液化的判別,一、地震液化的初判條件,1、地震條件,震級(jí)(M)與液化最大震中距(D max)有如下關(guān)系： Dmax 0.82100.862(M-5) 由上式可以判定：如M5，則液化范圍限于震中附近1km之內(nèi)。,（1） 液化最大震中距,我國(guó)地震文獻(xiàn)中沒(méi)有地震震級(jí)小于5級(jí)的噴水冒砂記錄。震級(jí)5級(jí)震中烈度為VI度，故液化最低烈度為VI度。,（2）液化最低地震烈度,近年來(lái)歷次地震震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生液化處所多為: 全新世乃至近代海相及河湖相沉積平原，河口三角洲，特別是洼地、河流的泛濫地帶、 河漫攤、古河道、濱海地帶及人工填土地帶等。,2、地質(zhì)條件,噴砂冒水嚴(yán)重的地區(qū)，地下水埋深一般不超過(guò)3m，甚至不足1m ，深為 3-4m時(shí)噴砂冒水現(xiàn)象少見(jiàn)，超過(guò)5m沒(méi)有噴砂冒水實(shí)例,3、埋藏條件,(1) 最大液化深度：,一般認(rèn)為液化判別應(yīng)在地下15 m深度范圍內(nèi)進(jìn)行。最大液化深度可達(dá)20m，但對(duì)一般淺基礎(chǔ)而言，即使15m以下液化，對(duì)建筑物影響也極輕微。,(2) 最大地下水位深度：,平均粒徑(D50)為0.01-1.0mm； 粘粒(粒徑0.005)含量不大于10；或15 。 不均勻系數(shù)()不大于10； 相對(duì)密度(Dr)不大于75； 級(jí)配不連續(xù)的土粒徑 1mm的顆粒含量大于40 ； 塑性指數(shù)( I p )不大于10。,液化土的某些特性指標(biāo)的限界值為:,4、土質(zhì)條件,凡經(jīng)初步判別認(rèn)為有可能液化或需考慮液化影響的飽和砂土或粉土，都應(yīng)進(jìn)行以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為主的進(jìn)一步判別。,二、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法,標(biāo)貫判別（常用方法） 靜力觸探判別 剪切波速判別,液化臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr ：,1、標(biāo)貫判別法,Ncr=N01+0.1(ds-3)-0.1(dw-2)(3/pc)0.5 =N0 0.9+0.1(ds-dw)(3/pc)0.5,式中：pc 為粘粒含量百分?jǐn)?shù)，小于3或砂土?xí)r取3。 ds 為砂土層埋深。 dw 為地下水埋深。,將砂層埋深（ds）為3m、地下水埋深（dw）為2m作為基本情況，求出不同烈度情況下液化與不液化的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值N0。,工業(yè)民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GBJ11-89,2、剪切波速判別,利用剪切波速Vs與標(biāo)貫擊數(shù)N值之間的相關(guān)性（Vs100N0.2 ），可以將以N為判據(jù)的判別式轉(zhuǎn)換為以Vs為判據(jù)的判別式。,為液化臨界剪切波速；,為液化臨界剪切波速基準(zhǔn)值,與N0的對(duì)應(yīng)值,三、理論計(jì)算判別,HB希德所提出的判別方法及準(zhǔn)則,土的動(dòng)三軸試驗(yàn)求出的應(yīng)力比 (da）,能引起該砂土層液化的剪應(yīng)力 砂土層抵抗液化的抗剪強(qiáng)度,據(jù)地震加速度求得的等效平均剪應(yīng)力(a ),土層的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài) （土層有效上覆壓力）,a 則可能液化,7.5 砂土地震液化的防護(hù)措施,一、良好場(chǎng)地的選擇,為全部消除地基液化沉陷的措施，如采用樁基、深基礎(chǔ)、深層處理至 液化深度以下或挖除全部液化層； B. 為部分消除地基液化沉陷的措施，如處理或挖除部分液化土層等； C. 為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施，一般包括減小或適應(yīng)不均勻沉陷的各項(xiàng)構(gòu)造措施； D. 為可不采取措施 。,二、人工改良地基,1、增加蓋重 2、 換土 3、改善飽水砂層的密實(shí)程度 爆炸振密法 強(qiáng)夯與碾壓水沖振搗 回填碎石樁法( 振沖法 ) 4