1、第四章第四章 砂土地震液化工程地质研究砂土地震液化工程地质研究定义定义：饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，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致使地基失效的作用或现象,或振动液化或振动液化（Sand liquefaction)地震导致的砂土液化往往是区域性的，可使广大地域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。学的重要研究课题。 第一节第一节 概述
2、概述地震导致的砂土液化现象在饱水疏松砂层广泛分布的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、低阶地等地区海滨、湖岸、冲积平原，以及河漫滩、低阶地等地区使位于这些地区的城镇、农村、道路、桥梁、港口、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：性归纳起来有以下四个方面： v(1)(1)地面下沉地面下沉v(2)(2)地表塌陷地表塌陷v(3)(3)地基土承载力丧失地基土承载力丧失v(4)(4)地面流滑地面流滑日本新泻日本新泻19641964年地震
3、时砂土液化影响。这些设计为年地震时砂土液化影响。这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。抗震的建筑物倾斜而未受损坏。加州沃森维尔附近的野外涌沙加州沃森维尔附近的野外涌沙砂土的抗剪强度：砂土的抗剪强度：tg)u(tg)uu(tg)u(tg00第二节第二节 砂土地震液化的机理砂土地震液化的机理水平土层中土单元的应力状态水平土层中土单元的应力状态a a地震发生前；地震发生前；b b地震发生时地震发生时当当 d ，即，即d 1时，不会产生液化。时，不会产生液化。当当 =d ，即，即/d =1时，处于临界状态，砂土开始发生剪切破坏，此时称为砂时，处于临界状态，砂土开始发生剪切破坏，此时称为砂土的初始液化状
4、态。砂土的抗剪强度随振动历时增大而降低。土的初始液化状态。砂土的抗剪强度随振动历时增大而降低。当当 d ，即，即 d 40%40%时，时，极易液化；极易液化；粘粒含量粘粒含量12.5%12.5%时，极难液化。时，极难液化。极易液化土的特征是：极易液化土的特征是：平均粒度平均粒度0.02-0.02-0.100.10mmmm，不均匀系数不均匀系数CuCu=2-8=2-8，粘粒含量粘粒含量10%10%密实度密实度 松砂极易液化，密砂不易液化。松砂极易液化，密砂不易液化。相对密度相对密度Dr50%Dr80%Dr80%时，不易液化。时，不易液化。成因及年代成因及年代 多为冲积成因的粉细砂土，如滨海平原、
5、河口多为冲积成因的粉细砂土，如滨海平原、河口三角洲等。三角洲等。 沉积年代较新：结构松散、含水量丰富、地下沉积年代较新：结构松散、含水量丰富、地下水位浅水位浅2 2）饱和砂土的埋藏分布条件饱和砂土的埋藏分布条件 埋藏条件包括：砂层厚度、上覆非液化土层厚埋藏条件包括：砂层厚度、上覆非液化土层厚度（即埋藏深度）、地下水埋深。度（即埋藏深度）、地下水埋深。砂层上覆非液化土层愈厚，液化可能性愈小。一般砂层上覆非液化土层愈厚，液化可能性愈小。一般埋深埋深大于大于10-1510-15m m以下就难以液化了。以下就难以液化了。地下水位埋深地下水位埋深愈大，愈不易液化。实际上，地下水愈大，愈不易液化。实际上，
6、地下水埋深埋深3-43-4m m时，液化现象很少，一般把液化最大地下水时，液化现象很少，一般把液化最大地下水埋深定为埋深定为5 5m m。砂层越厚越易液化。砂层越厚越易液化。 3 3）地震活动的强度及历时地震活动的强度及历时 地震力（剪应力）地震力（剪应力）是砂土液化的动力是砂土液化的动力 地震愈强，历时愈长，则愈易引起砂土液化，地震愈强，历时愈长，则愈易引起砂土液化，而且波及范围愈广。而且波及范围愈广。 度以下地区很少有液化现象；度以下地区很少有液化现象； 度区只度区只能使疏松的粉、细砂层液化；而能使疏松的粉、细砂层液化；而 度以上地区度以上地区才能使粗粒及粘粒含量较高的土液化。强度很高才能
7、使粗粒及粘粒含量较高的土液化。强度很高的地区即震中区附近，因地面振动以垂直为主，的地区即震中区附近，因地面振动以垂直为主，也不易产生液化。液化范围（液化最远点，以震也不易产生液化。液化范围（液化最远点，以震中距中距R R表示，表示，Km）lgR=0.77M-3.6第四节第四节 砂土液化的判别砂土液化的判别 根据根据 地质条件，可初步判定该区土层是否存在液化的可能。若有可能，地质条件，可初步判定该区土层是否存在液化的可能。若有可能，需进一步的工作需进一步的工作, ,作出准确判别。作出准确判别。 （1 1）初步判别）初步判别 饱和砂土或粉土，当符合下列条件之一，饱和砂土或粉土，当符合下列条件之一，
8、 可判为不液化土或不考虑液化可判为不液化土或不考虑液化作用作用。 Q3Q3及及Q3Q3以前的土以前的土 粉土的粘粒含量不小于表列数据粉土的粘粒含量不小于表列数据 上覆非液化土层厚度和地下水埋深符合上覆非液化土层厚度和地下水埋深符合 下列条件之一下列条件之一：dudo+db-2 液化土特征深度液化土特征深度 dwdo+db-3du+dw1.5do+2db-4.5dw地下水埋深（地下水埋深（m），），年最高水位年最高水位du上覆非液化土层厚（上覆非液化土层厚（m）db基础砌置深度（基础砌置深度（m)do液化土特征深度（液化土特征深度（m）粉土的粘粒含量7度8度9度101316烈 度789粘土678
9、砂土789 现场标准贯入试验，地面以下现场标准贯入试验，地面以下1515m m以内的液化土应符合下列要求：以内的液化土应符合下列要求：cws0cr3)dd(1.09.0NN 其中：其中： N N63.563.5饱和土标贯实测值饱和土标贯实测值 N Ncrcr判别砂土液化的临界锤击数判别砂土液化的临界锤击数 N N0 0基准锤击数（贯基准锤击数（贯入入点深点深3 3米米，地下水埋深，地下水埋深2 2米），米），查表查表 d ds s饱和土标准贯入试验点深度（饱和土标准贯入试验点深度（m m） d dw w地下水埋深地下水埋深( (m)m) c c粘粒百分含量，当粘粒百分含量，当 c c33时，取
10、时，取 c c 3 3判据：判据：NcrNcrN63.5 N63.5 不液化不液化 （2 2）进一步判别）进一步判别 方法有方法有: : 现场实验现场实验, , 剪应力对比法剪应力对比法烈度789近震61016远震812标准贯入锤击数基准值表 液化程度等级液化程度等级定义：液化指数定义：液化指数 I I n n 15m15m以内标贯实验段总数以内标贯实验段总数 i i 段标贯实测值，当实测值大于临界值时取临界值段标贯实测值，当实测值大于临界值时取临界值 i i 段标贯临界值段标贯临界值 i i 段土层厚度（段土层厚度（m)m) i i 层单位土层厚度影响权函数（层单位土层厚度影响权函数（m m
11、-1-1 ） 该层中点深度该层中点深度55m m，取取1010 该层中点深度该层中点深度=15=15m m，取取0 0 该层中点深度该层中点深度5-105-10m m，取内插值取内插值 iinicriiwdNNI.)1(1iNcriNidiw等级判别：等级判别：I5 I15 I15 严重，建筑倾倒，地面变形严重，建筑倾倒，地面变形液 化 指 数0 I 55I15 I15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
12、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液化等级表 剪应力对比法剪应力对比法 地震剪切波在砂层中产生剪应力，当其超过土层液化地震剪切波在砂层中产生剪应力，当其超过土层液化所需的剪应力时，即产生液化。所需的剪应力时，即产生液化。 根据地震剪切波及室内、现场实验测得的土体液化时根据地震剪切波及室内、现场实验测得的土体液化时的剪应力大小，对比判断的剪应力大小，对比判断。 第五节第五节 砂土液化的防护措施砂土液化的防护措施（1 1）慎重选择场地）慎重选择场地（2 2）选择基础类型）选择基础类型（3 3）地基处理）地基处理处理标准：处理标准：应处理至液化深度下限应处理至液化深度下限处理后的土
13、层标贯击数实测值应大于临界值处理后的土层标贯击数实测值应大于临界值压密压密 通过振动、夯击、爆破等手段，使砂土急剧液化排水，而达到通过振动、夯击、爆破等手段，使砂土急剧液化排水，而达到压密，提高天然地基土的相对密度压密，提高天然地基土的相对密度DrDr 排渗法排渗法 通过排渗井等来消散因振动时而产生的孔隙水压力，防止液化通过排渗井等来消散因振动时而产生的孔隙水压力，防止液化 换土或盖重换土或盖重 用非液化土更换地表的液化土层，或在地表液化土层上覆盖填用非液化土更换地表的液化土层，或在地表液化土层上覆盖填 土。土。v在强震区，对于建筑场地应慎重选择，尤其是重在强震区，对于建筑场地应慎重选择，尤其
14、是重大建筑物损坏后后果严重，建筑场地应尽量避开大建筑物损坏后后果严重，建筑场地应尽量避开可能液化土层分布的地段。一般应以可能液化土层分布的地段。一般应以地形平坦地形平坦、液化土层及地下水液化土层及地下水埋藏较深埋藏较深、上覆非液化土层、上覆非液化土层较较厚厚的地段作为建筑场地。的地段作为建筑场地。v建于液化砂基上的建筑物，若为层数较少的低层建于液化砂基上的建筑物，若为层数较少的低层或多层建筑，以或多层建筑，以筏片基础筏片基础为宜。若为高层建筑，为宜。若为高层建筑，则不能将基础砌置于上部液化砂层中，而应采用则不能将基础砌置于上部液化砂层中，而应采用支承桩或管柱支承桩或管柱基础，使桩长穿过液化砂层
15、；基础，使桩长穿过液化砂层；浅摩浅摩擦桩擦桩的震害严重，切不可采用。的震害严重，切不可采用。振冲法设备及操作过程示意图振冲法设备及操作过程示意图振冲法振冲法砾渗井排渗系统(图中2a为井径，2b为有效排渗距) 强夯法强夯法v此法于此法于19701970年创始于法国，我国于年创始于法国，我国于19791979年开始年开始应用于工程实际。它是使重锤应用于工程实际。它是使重锤( (一般重一般重8 830t)30t)从高处从高处( (一般为一般为6 630m)30m)自由落下，利用夯击能自由落下，利用夯击能( (锤重锤重W W与落距与落距h h的乘积，即的乘积，即W Wh h) )使砂土急剧液使砂土急剧
16、液化下沉而压密。化下沉而压密。 v强夯法的加固深度可达强夯法的加固深度可达10m10m以上。强夯一遍，以上。强夯一遍，可使可使5 512m12m厚的冲积层沉降厚的冲积层沉降151550cm50cm。v强夯法施工方便，适用范围广而效果好、速度强夯法施工方便，适用范围广而效果好、速度快、费用低，是一种经济有效的地基处理方法。快、费用低，是一种经济有效的地基处理方法。换土法v换土适用于表层处理，若地表以下换土适用于表层处理，若地表以下4 46m6m范围内有易液化土层时，可挖除，并回范围内有易液化土层时，可挖除，并回填已压实的非液化土。填已压实的非液化土。 填土增加盖重示意图填土增加盖重示意图 填土盖重填土盖重 复习思考题v1、砂土液化的定义、砂土液化的定义v2、简述影响砂土液化的因素、简述影响砂土液化的因素v 3、砂土液化的判别方法、砂土液化的判别方法v 4、砂土液化的防护措施有哪些？、砂土液化的防护措施有哪些？
