地震力作用下砂土液化的成因分析

在地震的作用下，含砂量的飽和土壤粒料在強(qiáng)烈的振動(dòng)下處于懸浮狀態(tài)，土壤侵蝕和地基破壞，稱為砂土化。砂土液化是一種典型的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。我國(guó)1966～1976年期間先后發(fā)生的邢臺(tái)、海城和唐山三次強(qiáng)地震事件,都發(fā)生了大范圍的液化,造成嚴(yán)重?fù)p害。飽和砂土和粉土在水平振動(dòng)作用下,土體間位置將發(fā)生調(diào)整而趨于密實(shí),土體變密實(shí)勢(shì)必排除孔隙水。而在急劇的周期性動(dòng)荷載作用下,如果土體的透水性不良而排水不暢的話,則前一周期的排水還未完成,后一周期又要排水,應(yīng)排走的水來(lái)不及排出,而水又是不可壓縮的,于是就產(chǎn)生了剩余孔隙水壓力(或稱超孔隙水壓力)。此時(shí)砂土的抗剪強(qiáng)度τ為:τ=[σ-(pw0+Δpw)]tgφ式中:σ——法向應(yīng)力;pw0——靜孔隙水壓力;Δpw——超孔隙水壓力;φ——砂土的內(nèi)摩擦角。顯然,此時(shí)砂土的抗剪強(qiáng)度大為減小。隨振動(dòng)時(shí)間延續(xù),Δpw不斷累積疊加而增大,最終可抵消σ而使土體的抗剪強(qiáng)度完全喪失。其現(xiàn)象就是發(fā)生噴水冒砂、地表塌陷。1影響砂漿巖的因素砂土液化的影響因素很多,歸納起來(lái)有三大類:一類是動(dòng)荷條件;一類是埋藏條件;另一類是土性條件。1.1震動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)動(dòng)荷條件主要指的是震動(dòng)強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間,震動(dòng)強(qiáng)度以地面加速度來(lái)衡量,震動(dòng)強(qiáng)度大,地震地面加速度就大,相同條件下的飽和砂土層就容易被液化。震動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),往往意味往復(fù)加荷次數(shù)多,反之則少。因此地震持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),砂土越可能液化,在地震地面加速度相同的條件下,持續(xù)時(shí)間短不液化的砂土層,在經(jīng)受較長(zhǎng)時(shí)間的震動(dòng)后可能會(huì)發(fā)生液化。1.2埋葬條件1.2.1無(wú)砂混凝土層液化理論上講,上覆土層厚度較大時(shí),上覆土重有效壓力ps越大,若使其下部砂土層液化,則需要砂土層內(nèi)能夠聚集起較大的超靜孔隙水壓力以承擔(dān)上覆土層重量,而上覆土層厚度小時(shí),砂土層內(nèi)只需具有較小的超靜孔壓即可頂托起上覆土重,因此,埋深大的飽和砂土層較埋深小的飽和砂土層難于液化。1.2.2無(wú)砂混凝土層液化上覆土層的透水性是影響其下砂土層是否發(fā)生液化的關(guān)鍵因素之一,如果上覆土層透水性大,則飽和砂土層受到震動(dòng)作用時(shí),砂土層中水就會(huì)通過(guò)上覆土層排出,超靜孔隙水壓力很快就消散了,很難在砂土層內(nèi)聚集起使砂土層液化所需的超靜孔壓條件,砂土層一般不會(huì)液化。只有上覆土層透水性較弱,從砂土層下部上來(lái)的水才有可能在砂土層上部聚集起較高的超靜孔隙水壓力不能消散,才有可能發(fā)生液化。1.2.3李世遭受過(guò)歷史地震的砂土比未遭受地震的砂土不易液化,但曾發(fā)生過(guò)液化又重新被壓密的砂土卻較容易重新液化。1.3土壤條件1.3.1砂體的散濕性不同粒徑砂土的室內(nèi)試驗(yàn)研究表明,粗粒砂土較細(xì)粒砂土更難于液化,其原因有二,第一是粗粒砂超靜孔壓消散較快。從表1中可以看到,隨著砂土粒徑的減少,超靜孔壓消散時(shí)間變長(zhǎng),其中,平均粒徑0.15cm的砂,超靜孔壓停留在常數(shù)的時(shí)間為35s,平均粒徑在0.1mm左右的砂土抗液化能力最差。第二是粗粒砂較細(xì)粒砂更難處于液化懸浮狀態(tài)。不均勻系數(shù)(η)愈小,粘粒含量愈高愈不容易液化。1.3.2表面活性劑e與子多聯(lián)互砂土的相對(duì)密度Dr=(emax-e)/(emax-emin),Dr值在0～1之間變化,Dr值越接近于1時(shí),則e越接近于emin,說(shuō)明砂土層越密實(shí)。通常,相對(duì)密度越大,砂土越難液化。據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果表明,當(dāng)加速度為0.2g,若相對(duì)密度值達(dá)到62.5%時(shí),砂土一般不液化;當(dāng)加速度為0.4g,若相對(duì)密度值達(dá)到66%以上時(shí),砂土一般不液化;當(dāng)加速度為0.5g,若相對(duì)密度值達(dá)到66.5%以上時(shí),砂土一般不液化。1.3.3砂體相對(duì)密度的影響初始孔隙比與相對(duì)密度對(duì)液化的影響趨勢(shì)是相同的,初始孔隙比越大,相對(duì)密度越小,則孔隙水壓力傳遞越快,在不排水條件下,超靜孔壓力累積越快,砂土越易液化;相反,初始孔隙比越小,相對(duì)密度就越大,超靜孔壓力累積越慢,砂土就越不容易液化。1.3.4砂漿巖的滲透性滲透性系數(shù)k越大,砂土的透水性越好,有利于孔隙水壓力的消散,能減少液化的可能性。1.3.5砂的結(jié)構(gòu)砂土的結(jié)構(gòu)性主要指砂土內(nèi)部顆粒排列和膠結(jié)程度。原狀土比結(jié)構(gòu)破壞土不易液化;老砂層比新砂層不易液化。1.3.6固結(jié)壓力對(duì)液化的影響對(duì)不同固結(jié)壓力下飽和砂土進(jìn)行單剪液化試驗(yàn),分析前期固結(jié)壓力對(duì)液化的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,固結(jié)程度越高,所需的往復(fù)應(yīng)力峰值與加荷次數(shù)越大,砂土越不易液化;反之,固結(jié)程度越差,砂土越容易液化。2產(chǎn)品責(zé)任意識(shí)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法判斷砂土的液化。當(dāng)飽和砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長(zhǎng)修正)小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時(shí),應(yīng)判為液化土。液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計(jì)算:Ncr=N0[0.9+0.1(ds?dw)]3/ρc????√(ds≤15)Ncr=N0(2.4+0.1ds)3/ρc????√(15≤ds≤20)Νcr=Ν0[0.9+0.1(ds-dw)]3/ρc(ds≤15)Νcr=Ν0(2.4+0.1ds)3/ρc(15≤ds≤20)式中:Ncr——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;N0——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值,應(yīng)按表2采用;ds——飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度,m;dw——地下水位埋深,m;ρc——粘粒含量百分率,當(dāng)<3或?yàn)樯巴習(xí)r,應(yīng)采用3。利用上式對(duì)處于不同深度的飽和砂土進(jìn)行驗(yàn)算,以設(shè)計(jì)地震烈度8度為例(N0=10),設(shè)dw=2m,分別以不同的ds代入上式,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3中可見(jiàn),當(dāng)?shù)叵滤徊蛔儠r(shí),標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界擊數(shù)值Ncr隨砂土所處深度的增加而增大,即飽和砂土上部覆蓋層厚度越大,飽和砂土的液化可能性亦越大,這顯然與實(shí)際不符,砂土層上部覆蓋層較大時(shí),對(duì)液化會(huì)產(chǎn)生抑制作用。另外還可以看到,當(dāng)ds=0.15m,dw=0m時(shí),Ncr=9.15,只要實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N<9.15擊,砂土層就產(chǎn)生液化,實(shí)際上地表砂土層是可以自由排水的,無(wú)論如何不會(huì)發(fā)生液化。用這一方法對(duì)北京市順義區(qū)埋深為3.0～15.0m的砂土層進(jìn)行液化評(píng)判,結(jié)果大多數(shù)砂土層均不會(huì)發(fā)生液化,但唐山大地震波及通州和順義地區(qū)時(shí),沿潮白河兩岸、潮白河與北運(yùn)河中下游平原以及溫榆河下游與潮白河之間的潮白河故道游蕩區(qū)內(nèi),皆普遍存在噴水、冒砂的現(xiàn)象。由此可見(jiàn),規(guī)范中所采用的判別方法局限性很大,在許多情況下是不適用的。這一方法是以實(shí)際資料為基礎(chǔ),用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法建立起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式判別法,沒(méi)有考慮到砂土層埋深對(duì)砂土液化難易程度的影響;沒(méi)有反映上覆土層對(duì)砂土層產(chǎn)生液化與否的作用;沒(méi)有考慮土體自身的性質(zhì)對(duì)液化的作用;不能反映地震持續(xù)時(shí)間對(duì)砂土層液化的影響。多因子判別分析方法是充分考慮影響砂土液化的主要因素,首先挑選控制因素,包括飽和砂土的埋深(H)、相對(duì)密度(Dr)、地下水埋深(h)、上覆有效壓力(ps)、砂土平均粒徑(ds0)、不均勻系數(shù)(η)、標(biāo)貫擊數(shù)(N63.5)等指標(biāo),地震震級(jí)、震動(dòng)歷時(shí)等地震動(dòng)參數(shù)視為常數(shù)而不列入,上述各因素控制了砂土的液化強(qiáng)度,可建立如下的函數(shù)關(guān)系:Z=f(H,Dr,h,ps,ds0,η,N63.5)式中的Z即為液化勢(shì)值,可通過(guò)線性判別函數(shù)來(lái)求得,包括液化組和非液化組兩組數(shù)據(jù),隨后在給定的精度下計(jì)算出臨界液化勢(shì)值Z0,從而分出液化區(qū)(Z>Z0)與非液化區(qū)(Z<Z0)。北京市順義區(qū)3.0～15.0m的砂土層以全新世或新近代沉積的粉細(xì)砂為主,在對(duì)該地區(qū)進(jìn)行砂土液化評(píng)判時(shí),針對(duì)具體情況,選取了飽和砂土的埋深(H)、相對(duì)密度(Dr)、地下水埋深(h)、上覆有效壓力(ps)、滲透系數(shù)(k)、