饱和砂土地震液化及治理措施.pdf

第22卷 第1期 2006年3月 西北水力发电 JOURNAL OF NORTHW EST HYDROELECTRIC POW ER Vol . 22 No. 1 M ar. 2006 文章编号 16712476820060120043203 饱和砂土地震液化及治理措施 王 卫 西北电力设计院,陕西 西安710032 摘 要我国是多地震国家,地震区分布广,地震灾害严重,许多重要设施处于地震液化敏感 区内。本文从饱和砂土振动液化的机理、 影响因素、 液化效应及治理措施等几个方面进行了分 析和介绍。 关键词饱和砂土;地震液化;液化效应;治理措施 中图分类号 TU 435文献标识码 B 1 前言 在场地和地基的抗震勘察设计和研究中,饱 和砂土的地震液化是最为突出的问题。实际工程 中,抗液化措施的选择是一项综合性很强的工作, 勘察设计人员应在深刻理解液化的机理、 效应的 基础上,抓住场地、 地基和建筑物的特点,采取有 效、 经济合理的措施。 2 饱和砂土振动液化机理 当振动荷载作用在饱和沙土上时,砂土骨架 因为振动的影响受到一定的惯性力和干扰力。由 于砂土质量和排列状况不同,再加上各点的起始 应力和传递的动荷强度不同,使各个砂土颗粒的 作用力在大小、 方向上有明显的差异,从而在砂土 颗粒间的接触点引起新的应力。当这种新的应力 超过一定数值后就会破坏砂土颗粒间原来的联结 与结构,使砂土颗粒彼此脱离接触。此时,原先由 砂粒间的接触点传递的有效压力就转为由孔隙水 来承担,从而引起孔隙水压力的骤然升高。一方 面,孔隙水在一定超静水压力作用下力图向上排 出;另一方面,砂土颗粒在重力作用下向下沉落。 砂土颗粒的向下沉落受到孔隙水向上排出的阻 碍,在结构破坏的瞬间或一定时间内使砂土颗粒 处于局部或全部悬浮当孔隙水压力等于有效覆 盖压力时状态,砂土的抗剪强度部分或全部丧 失,砂土即出现不同程度的变形或完全液化。 砂土液化过程可如图1形象表示。 图1 砂土液化过程示意 3 影响饱和砂土液化的主要因素 3. 1 土的性质 试验及实测资料表明粉砂、 细砂及粉土比 中、 粗砂容易液化;级配均匀的砂土比级配良好的 砂土容易液化。 砂土的密实度是影响液化的重要因素。震害 资料证实,烈度为 度的地震,相对密度小于 50的砂土不会液化,若相对密度大于80 ,即 使是 度的地震烈度,也容易发生液化。 砂土颗粒的排列、 土粒间的胶结物质等,对砂 收稿日期 2005206216 作者简介王卫19712 , 男,陕西富平人,西北电力设计院工程师,主要从事输电线路设计研究工作。 土液化有一定的影响。 扰动土比原状土容易液化, 新沉积的砂土比古老砂层容易液化。 3. 2 土的初始应力状态 砂土液化室内振动三轴试验说明对于同样 条件的土样,发生液化所需的动应力将随着固结 应力的增加而增大。 地震前地基土的固结应力,可 以用有效覆盖压力和侧压力系数来表示,所以地 震时砂土的埋藏深度,即覆盖压力的大小将直接 影响砂土的液化。 3. 3 振动的特性 各种条件相同的砂土,地震时是否发生液化, 还决定于地震的强度和地震持续的时间。土的液 化与地表所受的地震强度有关,震动强度不大时, 不产生液化。 据统计,发生液化的最低地震烈度为 ˛ 度。室内振动试验表明对于同一性质的土、 施 加同样大小的动应力时试样是否液化,取决于振 动的次数或振动的时间。 若地震的历时长,即使地 震的烈度较低,砂土也可能发生液化。 4 饱和砂土的地震液化效应 地震液化引起的地基失效,可以从强度、 喷 水、 冒砂和滑移等多方面进行论述。 4. 1 强度失效 地基的承载能力实质上取决于土的抗剪强 度。无粘性土的抗剪强度全部来自颗粒间的内摩 擦抵抗,它与下列因素有关 颗粒的大小、 形状和矿物组成; 砂土的密实度; 外载或自重压力。 根据库仑定律,在动力作用下的无粘性土,其 强度为 ΣΡ-Λ tg 5 式中 Ρ 总应力; Λ 孔隙水压力; 5 土在动力作用下的内摩擦角。 土层液化时,孔隙水压力 Λ急剧上升,来不及 消散,当ΛΡ时,Σ 0,地基完全丧失强度,产生 大幅度的沉陷。 直接位于基础下的土,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,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而导致 的结果。 从以上论述可以得到下面几点结论 1最大孔压比达到液化前,地基即已产生 可观测的沉陷,故孔压比不宜大于0. 6～0. 7; 2基础外侧比自由场地更易于液化; 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。 4. 2 喷水和冒砂 研究表明,喷冒是由于地震作用首先产生振 动液化,随后由于孔隙水的自下而上的渗流而产 生的渗流液化,与震后滑坡、 泥石流类似,本质上 是地震的一种次生灾害。 这种渗流液化具有以下几个特点 1渗流水的来源为震后砂土增密排除的孔 隙水,属于非稳定流动; 2喷冒现象是由浅至深发展的,初期冒出 的砂是浅部的砂,后期是深部的砂; 3液化层越厚,地震烈度越高,土越松,喷 冒越猛烈,渗流时间越长。 宏观震害调查表明,喷冒的主要危害是 1喷冒造成大量水土流失,地面和建筑物 大幅度沉陷; 2喷冒使土变得极不均匀,喷冒孔周围土 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、 工程的影响,喷冒的分 布极不均匀,加剧了地基的不均匀性。 4模型试验发现,喷冒前地基中若有水加 层,其强度为零,这种情况下考虑液化土的残余强 度是与实际不符的。 图2 1988. 1. 4灵武5. 5级地震后粉砂土液化喷砂口 4. 3 滑移地震液化诱发的地面大位移 地震液化诱发地面大位移主要发生于带有一 定坡度的松散饱和砂土地基中,在地震产生的循 44西北水力发电第22卷 环荷载作用下,土体中的超孔隙水压力迅速上升, 土体的抗剪强度逐渐降低,当已液化土的抗剪能 力很小时,上覆非液化土层在沿液化界面的自重 分力和土层的水平地震力的作用下产生滑移,其 流动方向总是向着河心和海面。这种大位移的量 级一般以米计,并伴随着系列地面裂缝与台阶式 错动。 由于液化后的水土混和液的粘滞阻尼很小, 当下层土液化时,坡度仅为1 或更小土体就有可 能向下移动数米。地面大位移造成的地裂缝长度 由数十米至数千米,地裂的宽度可达到距河心 100 m至半公里的范围,形成一系列地裂缝与竖 向落差。 地面大位移造成的破坏多表现为生命线工 程在液化与非液化土层的水平方向或竖向交界 处,容易遭到下沉、 侧移、 拉压等形式的震害,使其 丧失功能;桩基础发生倾斜导致修建于其上的各 种结构发生倾斜。 5 饱和砂土地震液化治理措施简介 1防止液化处理措施 通过改变地基状态、 性质来防止液化,该处理 措施的原理和方法可用表1概括。 表1的各项处理措施,是根据地震液化发生 的机理对应制定的。 经过工程应用证明是有效的。 其中应用最多的是增加地基密实度法。 2减缓液化危害的处理措施 该措施的原理是对地基不作处理,而是通过 对基础的设计,来减缓地震液化的危害。 采用这一 类缓解液化危害的代表性措施是预制桩基础,将 桩身通过液化层,桩端深入到非液化层一定深度, 当液化层不厚时,也可采用灌注桩。 6 结语 1饱和砂土地震液化的机理是砂土颗粒之 间原来的联结与结构被破坏,原先由砂粒间的接 触点传递的有效压力就要由孔隙水来承担,砂土 的抗剪强度部分或全部丧失,砂土即出现不同程 度的变形或完全液化。 2影响饱和砂土液化的主要因素有土的性 质和初始应力状态、 震动的特性等。 3饱和砂土地震液化引起的地基失效主要 有强度失效、 喷水、 冒砂和滑移等。 4治理饱和砂土地震液化的技术措施可分 为两大类,一类是防止液化处理措施;另一类是减 缓液化危害处理措施。 参考文献 [1] 袁丽侠.宁夏银川地区的砂土地基及工程抗震措施 [J ].宁夏大学学报自然科学版, 2001, 1 29230. [2] 魏向金.日本的砂土液化防止对策和施工方法[J ]. 黑龙江水专学报, 2001, 282 76279. [3] 黄群贤,等.地震液化诱发地面大位移的防治措施 [J ].低温建筑技术, 2004, 4 35237. Seism ic L iquefaction and Its Prevention M easures for Saturated Sand WAN GW ei Northw est Electric Pow er Design Institute, Shaanxi Xiπan 710032, China Abstract China is a large nation w ith more earthquakes and w ide distribution of seism ic zone, w hich result in serious geological disasters, w hereasmany i mportant facilities arew ithin the sensitive zone of earthquake.The analysis and introduction on the liquefaction mechanism of saturated sandy soil due to vibration, the influenced factors, liquefaction effect as w ell as treatment measurements are intro2 duced and analyzed in the paper. Key words saturated sandy soil; liquefaction; liquefaction effect; treatment measurements 54第1期王 卫 饱和砂土地震液化及治理措施