1、地震作用下土的液化评述 l 液化液化-饱和松散的砂(粉)土在地震、动荷载作用下，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。历史上的几次大地震留给我们的记忆是悲惨的。在地震发生过程中土壤液化造成了触目惊心的灾害:1976年唐山地震引起陡河、滦河、蓟运河、海河故道及月牙河等河岸滑移、地裂、喷砂,造成唐山胜利桥、越河桥、汉沽桥等公路和铁路桥长度缩短、桥台倾斜、桥墩折断落梁、河道变窄,天津毛巾厂、天津钢厂等单位数十栋房屋被拉断、倒塌或开裂;1995年的神户大地震,由于液化导致了城市道路坍塌,河、海岸岸坡滑移,房屋倾倒,神户港的许多重力式码头和邻近的人工岛挡土墙遭到了严重
2、的破坏。1999年的土耳其地震中,Adapazari市的地面遭到严重的破坏,四个中心市区超过1200幢建筑倒塌或是严重破坏,数百栋结构物翘起或是陷入地下,其部分归因于土壤液化。这些由于液化造成的灾害促使人们去研究土壤的液化问题。砂土地震液化的研究 地震液化引起的地基失效 土壤液化机理影响因素强度失效震陷喷水冒砂砂土地震液化的机理 饱和砂土是砂和水的复合体系。在振动作用下,饱和砂土发生液化,是由于土颗粒间有效应力减小而孔隙水压力增大的结果。砂土是一种散体物质,它主要依靠颗粒之间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定;而这种摩擦力主要取决于颗粒之间的法向应力:水是一种液体,它的突出力学特性是体积难于压缩
3、,能承受极大的法向应力,但不能承受剪应力。饱和砂土由于孔隙水压力u0的作用,其抗剪强度将小于干砂的抗剪强度:式中:为有效法向应力,显然 d,即/d 1 时,不会产生液化。当=d,即/d=1 时,使处于临界状态,砂土开始发生剪切破坏,此时称为砂土的初始液化状态。砂土的抗剪强度随振动历时增大而降低。当 d,即/d 1 时,则沿剪切面的塑性平衡区迅速扩大,导致剪切破坏加剧。而当孔隙水压力继续上升,直至与总应力相等;有效法向应力及抗剪强度均下降为零,即当/d=0 时,砂土颗粒间将脱离接触而处于悬浮状态。此时即为完全液化状态。从初始液化状态至完全液化状态往往发展很快,二者界线不易判别。为了保证安全,可把
4、初始液化视作液化。地震力作用下影响饱和砂土液化的因素 颗粒特征:反映土的颗粒特征的物理指标,我们主要采用平均粒径d50,不均匀系数C,以及粘粒含量Mc。实验室的研究和现场观察证明:平均粒径越大,不均匀系数越高,粘粒含量增加,土的抗液化能力越高。土的密度特征:一般用相对密度来衡量.对同一种砂土而言,相对密度越低,越易液化;反之,越不易液化.松砂在振动中,体积易于压缩(剪缩),孔隙水压力上升快,故较密砂易液化。土的起始应力条件:土的起始应力条件显著地影响着土的抗液化能力.在侧限实验条件下,应力状态常用覆盖有效压力表示。越大,土的抗液化能力越强。地震情况:主要指地震的振幅、频率、持续时间等.实验表明
5、,振幅越大、频率越高、持续时间越长,砂土越易液化。地下水位的高低:地下水位越高,土层越易液化;反之,越难液化。土层的排水条件:排水条件包括土的透水程度、排渗路径及排渗边界条件。土层的排水条件越好,超静孔隙水压力越易消散,所以液化的可能性相对越小;反之,越大。以上诸因素共同作用,决定了饱和砂土是否液化。饱和砂土地震液化危害 饱和砂土地震液化危害性归纳起来主要有以下四个方面。1.地面下沉 饱和疏松砂土因振动而趋于密实,地面随之下沉,结果可使低平的滨海地带居民生计受到影响,甚至无法生活。唐山地震时烈度为 度的天津汉沽区富庄大范围下沉,原来平坦的地面整体下沉达1.6 2.9 m。2.地表塌陷 地震时砂
6、土中孔隙水压力剧增,当砂土出露地表或其上覆土层较薄时,即发生喷砂冒水,造成地下淘空,地表塌陷。我国海域和唐山两次大地震,均导致了附近滨海冲击平原上大面积喷砂冒水。喷出的砂水混合物高达3 5 m,形成了许多圆形、椭圆形陷坑,坑口直径3 8 m。3.地基土承载力丧失 持续的地震会使砂土中空隙水压力上升,而导致土粒中有效压力下降。当有效压力趋于零时,砂粒即处于悬浮状态,丧失承载能力,引起地基整体失效。唐山地震时,唐山和天津地区许多房屋、桥梁和铁路路段也因地基失效而破坏。4.地面流滑 斜坡上若有液化土层分布时,地震会导致液化流滑而使斜坡失稳。有时场地地面极缓,甚至近于水平也发生滑移。如:1971年美国
7、圣费尔德地震滑移地段,地面坡度仅为2度。而唐山地震时,天津市河东区柳林一带的严重滑移,则为水平场地。强度失效 根据库仑定律,在动力作用下的无粘性土,其强度为:式中-总应力;u-孔隙水压力;-土的动力作用下的内摩擦角。土层液化时,孔压u急剧上升,来不极消散,当u=时,=0,地基完全丧失强度,产生大幅度的沉陷。孔压有个发展过程,随着孔压的发展,土的强度降低,当达到与剪应力相等时,呈极限平衡状态,此时孔压继续增长,土体破坏。因此,地基的失效不一定要等到=0完全液化时才发生。tan 试验和计算都证明,在有建筑物的情况下,由于基础附加应力的作用,其液化势的分布,与一维水平层的自由场情况是不同的。直接位于
8、基础下的土,由于附加应力的抑制而较难液化;位于基础外侧的浅层土最易液化。以同一标高的不同水平位置相比,液化难易程度的次序是,基础外侧最先液化,自由场次之,基础下最晚。据陈克景、刘忠珊的研究,在达到极限平衡状态时,基础下土的孔压比最大值一般在0.5以下,基础两侧为0.8-1.0,自由场不大于0.8。因此,液化地基的破坏是由于基础外侧土首先软化和液化,中间土失去侧向支承力的结果。具体地说,基础两侧土软化后,土中附加应力重分布,基础下的土应力增加;两侧土液化后附加应力完全集中在基础下的土上,基础下的土自身软化,又失去两则土的支承.导致失稳和大量沉陷。以上论述可以得到以下几点重要结论;(1)在最大孔压
9、比达到液化之前,地基即已产生可观的沉陷,故孔压比不宜大于0.6-0.7;(2)基础外侧比自由场更易液化;(3)宽度大的基础有利于抗震;(4)地震时可液化的土不应直接作为基础的持力层。震陷 震陷是地震引起的土的竖向残余变形。广义的震陷由以下三部分组成:(l)残余体积变形;(2)残余的土体形变,由侧胀及剪切变形引起;(3)喷水冒砂的水土流失导致的震陷。在以上三部分中,由于地基失稳基础滑动而产生的沉陷以及喷水冒水上流失产生的竖向变形,数值很大,但还不能定量计算,难以预测。残余体积变形是地震时受动剪应力作用,砂土变密,孔隙水排出的固结变形。砂土越松,烈度越高,砂层越厚,变形(震陷)越大,一般不超过5%,常见2%以下。喷水冒砂 喷冒的主要危害是:(l)喷冒造成大量水土流失,地面和建筑物大幅沉陷,其数值尚无法定量预测。(2)喷冒使土变得极不均匀,喷冒孔周围上结构完全改变,极为松散,标贯击数甚至为零。据实测资料,总的规律是砂层深部变密,浅部变松;震后初期较松,后期因再固结而变密。(3)由于地形、地层、工程(包括房屋、井、管道等)的影响,喷冒的分布极不均匀,加强了地基的不均匀性。(4)模型试验发现,喷冒前地基中有“水夹层,其强度为零,远小于液化残余强度。这种情况下用液化后土的残余强度进行验算,与实际不符。
