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地基土液化概述(机理、影响因素、判断标准、哪些土会液化、典型现象)

477 2020-10-29 11:13:36

一、地基土液化机理

土的液化是指饱和的粉土、粉细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象。砂土与粉土这类土在地震作用下有变密的趋势。土如果是饱和的,则先得排水才能变密,若排水受阻(如土本身渗透性不太好或有外界条件的封闭等)则水排不出去,土中孔隙水压就会上升。也可以看作振动下的土粒能量传给了水,使水压上升。当孔压上升到等于土粒间的有效压力时,土粒处于没有粒间压力传递的失重状态。粒间连系破坏,成为可以随水流动的悬浊液,这就是液化在物理方面的表现。


二、影响液化的因素

影响液化的因素很多,主要有:

1、震动的大小;

没有一定的震动强度,土不会液化,根据统计,震级在5级及其以下,烈度在6度及其以下,很少发现液化现象。

2、土有无粘性

粘粒(直径小于0.005mm的颗粒)含量越高,粘性越大,则土越不易液化,因为粘性帮助土粒维持稳定,因此实践中遇到的液化土多为砂土、粉土等无粘性或粘性很弱的土类,几乎见不到粘性土液化的报导。

3、土的渗透性

渗透性大的土,排水速度快,孔压不易上升,因而也不易液化,因而砾砂,碎石不易液化。

4、土的密实度

在砂土与粉土类中并非所有的砂土、粉土都会液化。如果在所受的震动下,土相对来讲密实度较好,没有在该强度的震动下变密的趋势,孔压不上升则不会液化。因此一般会液化的土是密度不太高的砂性土,十分密实的砂土、粉土并不液化,甚至有震松,体积胀大,向内吸水的现象,孔隙水压反变成负值了。

5、应力状态;

土所受的压力越大,则土粒间的有效应力增大,比压力小的土不易液化。因此基础的附加应力是有助于抗液化的,使基础底面下方的土的抗液化能力高于基础外同标高的土。

主应力,σ1与σ3的比值也是影响液化的一个因素。当σ1>σ3时土的抗液化强度比σ1=σ3时要高。


三、判断液化的标准

怎样的状态才算是达到了液化,这个问题在不同的场合有不同的判定液化的标准。

1、在现场,在自由场地上作震害考察时,不论我国或国外,均以是否有液化产生的地面破坏迹象,如喷砂冒水、地裂等作为判定液化的标准。这种判定方法虽然有将未喷出地面的液化情况漏去的缺点,但因未喷出地面的液化造成的建筑震害较少,因而这种“误判”还不会带来严重后果。

2、在室内试验中当σ1=σ3时,以孔压上升至等于σ1作为液化标准。

3、当σ1>σ3时,常因孔压未达到σ3试样巳产生可观的变形,因而采取试样竖向变形达到5%的应变时作为已液化的标准。


四、哪些土会液化?

1、砂土与粉土

最常见到的液化土多属于这两种土类。因而各国的抗震规范多列入对这二类土的液化判别方法。我国多种行业的抗震规范均有判别砂土与粉土液化的判别法。

2、黄土

西北黄土区是我国的强震区,历史上震害颇多,其中不乏有黄土产生流滑、液化与震陷的报导,如1920年海原大地震就产生黄土高坡的大规模流滑,最大一处流滑的土呈流态的迹象,至今仍可在探槽中清晰辨别。

室内试验研究也证明黄土在含水量高于塑限时会产生液化。但由于建国以来,黄土区没有发生过强震,无现场资料。室内外的试验研究虽已有兰州地震研究所等单位的一批研究成果,提出了黄土液化与震陷的现实问题,但列入规范为时尚早。因此,《规范》仅提出黄土液化问题,希望引起各方面注意与加强研究,但未列出黄土的液化判别法。

3、砾石

砾石的液化问题在国内外一直陆续有现场资料与室内研究。1995年日本阪神大地震中获得了不少砾石液化的现场资料,震后日本抗震规范中增加了关于判断砾石是否液化的条款,我国由于砾石的液化实例目前还较少。因此《规范》中没有列入,但此问题应引起注意。


五、液化研究的历史沿革

液化研究的历史沿革_研究方法_液化研究主题的历史变化

六、典型的地震液化现象

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、低阶地等地区尤为常见,位于这些地区的建筑和工程设施深受其害。

  • 地面沉降

饱水且疏松的砂土收到振动作用趋于密实,造成地面下沉,低平的滨海、滨湖平原可能会因为地面下沉被海湖和洪水浸淹,使该地带居民生活受到影响。1964年阿拉斯加地震时,波特奇市因砂土液化地面大幅度下沉,只要海水涨潮该市就受浸淹,后来被迫迁址。唐山地震时,天津汉沽区富庄的宏观地震烈度为9度,因砂土液化地面大范围下沉,平坦的地面沉降达1.6~2.9m.

  • 地表塌陷

地震时砂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,造成地下掏空,引发地表塌陷。我国海城和唐山两次大地震,均导致了附近滨海冲积平原上大范围喷砂冒水。如海城地震时,在震中以西的下辽河、盘锦地区出现大量喷砂冒水,这种现场一般开始于主震后数分钟,持续时间5~6小时,甚至数日。喷出的砂水混合物高达3~5米,形成许多圆形、椭圆形陷坑,坑口直径3~4米至7~8米,深数十厘米至数米。交通、水利设施、农田、房屋、地下管道和油井等因此造成严重损害。

  • 地基失效

地震动的持续作用可引起地基失效,造成建筑物、构筑物破坏。如1964年日本新泻地震时地基失效造成建筑物破坏的现象很普遍,轻微破坏的有31000座,严重破坏的6200座,倒塌的2130座。唐山地震时,地基失效使唐山和天津地区的许多房屋、桥梁、铁路路段被毁。

  • 地面流滑

液化土层分布在斜坡上时,会在地震力作用下产生地面流滑导致斜坡失稳。1960年智利8.9级大地震时,内华潮附近的圣佩德罗河上,发生了多处滑坡,其中最大一个滑坡体是由于黏土层中大量粉砂土透镜体的液化所致。1964年阿拉斯加地震时,安克雷奇市也是因为黏土层中含有的砂层透镜体的液化产生大滑坡。有时场地地面坡度极缓,甚至接近水平也会出现滑移。如1971年美国圣费尔南德地震滑移地段,地面坡度仅2°。唐山地震时,天津市河东区柳林一带发生的严重滑移,地面则是水平的。

  • 宏观烈度降低

地震时,砂土液化会产生一些减轻地面运动的有利因素,具体表现为强震宏观烈度降低,震害调查发现:①发生砂土液化的场地通长比震中距相同的未液化场地的宏观地震烈度低,这种现象在软土地区尤为明显;②喷沙冒水多发生在烈度7度到9度的地区,极少发生在10度区、基本不会发生在11度区;③砂土液化场地上建筑物的破坏形式相对单一、基本上都是因砂土液化产生的震陷或滑移造成地基失效导致建筑物倾斜或倾倒,而很少发生上部结构因受震摇晃而产生的损毁。

上述现象产生的原因:

①由于液化层对剪切波有阻隔作用,因此传播到地表的剪切波和次生的偏振波,尤其是地表面波会衰减;

②地震运动总能量大部分消耗在砂土液化及其喷砂冒水过程中,这样传递到结构物的能力就比较少,地面运动也会因大量能量已被消耗而在较短时间内停止。而地震动持续时间减少使建筑物避免遭受长时间的积累破坏。