课程董岳林
0104110113专业班级姓学名号
饱和砂土震动液化的研究综述
董岳林
（中南大学地球科学与信息物理学院，11级地学试验班，0104110113）
摘要：根据国内外的文献资料，分析了饱和砂土震动液化的机理、饱和砂性土的抗液化强度影
响因素，综述了饱和砂土震动液化的危害、判别方法及防治措施，为砂土的液化研究提供理论
依据。
关键词：饱和砂土；液化；地震
1引言
在动荷载如地震的作用下，饱和非粘性土受到强烈震动，抗剪强度丧失，整个土体处于悬浮状态，这种现象被称为砂土液化。砂土液化是一种破坏性非常强并具有一定区域性地质灾害。许多震害经验表明，液化是造成场地地震破坏的首要原因之一，地震引起的地基实效约50%都起因于液化。因此，砂土液化机理的研究及液化可能性的判定对建筑场地的选择、城市规划以及液化区建筑物保护措施的选择具有非常重要的意义。
2饱和砂性土震动液化机理
地震时剪切波由下卧层向上传播，并在土体中引起交变应力，从而产生震动孔隙水压力，这是饱和砂土液化的主要原因。在交变应力作用下，土粒的接触点处会产生新的应力，当这种应力达到一定的数值时，就会破坏土粒间原来的联接和结构状态，使砂粒间彼此脱离接触，此时，原先由砂粒通过接触点传播的应力，就要传递给空隙的水来承担，从而引起孔隙水压力的增加。随着应力循环次数的增加，孔隙水压力因逐渐积累而上升。一方面，孔隙水在一定的震动孔隙水压力作用下力图向上排出：另一方面，土颗粒在自重的作用下又力图向下沉落，致使在结构破坏的瞬间或一定的时间内，土粒向下沉落受到孔隙水向上排出的阻碍，使土粒处于局部或全部悬浮状态，抗剪强度局部或全部消失，土即出现不同程度的变形或全部液化。由以上分析不难看出，在地震动作用下，饱和砂土发生液化要同时具备两个基本条件：①震动强度足以使土体结构发生破坏，这主要取决于地震动的强度和持续时间、土体的强度、上覆土压力大小等；②土体结构破坏后，震动孔隙水压力随应力循环次数的增加而逐渐上升，其大小最终足以使饱和砂土出现局部和全部消失抗剪能力。震动孔隙水压力上升与否及上升幅度受多种因素影响，如土体正在震动工程中发生剪胀或剪缩，土体排水条件的好坏。
3饱和砂性土的抗液化强度影响因素
砂土液化的影响因素很多,归纳起来有三大类,一类是动荷条件;一类是埋藏条件;另一类是土性条件。
3.1动荷条件
动荷条件是指地震强度(产生的地面加速度峰值)和地震持续时间。
3.1.1地面震动的强度
对某一种砂土,在一定的限制压力下地震时是否会发生液化,主要决定于地震引起的应力或应变的大小,而这些应力或应变的大小与地面震动的强弱有关。应力愈大,砂土就愈易液化,反之愈不易液化。例如,在地震烈度在6度及以其以下的地区很少发现喷水冒砂。因此,地面运动的烈度是估计砂土液化可能性的一个重要因素。
3.1.2地面震动的持续时间
地面震动的持续时间是确定液化可能性的一个重要因素。地震持续时间长意味着作用在砂土层上的往复加荷次数就多,内部孔隙水压力聚集的就高,就越易造成液化,反之则不易造成液化。在振动作用下孔隙水压力、土体内的液化范围都是随着时间而增长的。阿拉斯加地震(1964) 由于液化面引起的安克莱奇滑坡就是一例。在该处,地震开始后相当一段时间没有滑坡,但到90秒左右的时候就发生了滑坡。很明显,如果地面震动的持续时间较短,则就可能不致液化也即不发生滑坡。
3.2埋藏条件
埋藏条件是指砂土层自身的条件及相邻土层的条件。
3.2.1上覆土层厚度(埋深)
上覆土层厚度决定着土的初始限制压力,在地震荷载下土的液化可能性随着初始限制压力(初始上覆压力和侧限压力以及剪应力)而不同,即限制压力(埋深)愈大,砂土层液化所需聚集的孔隙水压力就越高,即液化的难度越大,反之则越容易液化。在日本新泻地震时这种影响在现场也可看到,在一个3m厚的填土下面的土层保持稳定,但是在填土范围以外的同样的砂土却广泛地液化。在海城地震(1975)时也看到了类似的情况。
3.2.2地下水位高低和上层的排水条件
地下水位高低和上层的排水条件直接影响砂层液化的产生和发展。地下水为砂土的饱和创造了条件。地下水位愈高,土层就愈容易液化反之愈难液化,而上覆土层的透水性是影响其下砂土层是否发生液化的关键因素之一。上覆土层透水性大,砂土层中的水就会通过上覆
土层排出,超静孔隙水压力很快就消散了,很难在砂土层内聚集起使砂土层液化所需的超静孔压条件,砂土层一般不会液化;上覆土层透水性较弱,涌入砂土层的水才不会很快排出而在砂土层内部聚集,随着水的不断涌入,孔隙水压力增高,发生液化。
3.3土性条件
土性条件主要是指土的密实程度和颗粒特征。
3.3.1土的级配与粒径
试验及实测资料表明:粉、细砂、粉土比中、粗砂容易液化。级配均匀的材料比级配良好的材料更容易发生液化。不均匀系数(G)愈小,砂土愈容易发生液化。当不均匀系数超过10时的砂土一般不易发生液化。砂土粒径的大小对液化也有不同影响。室内试验研究表明,粗粒砂土较细粒砂土更难于液化,其原因有二,第一是粗粒砂超静孔压消散较快。从表1中可以看到,随着砂土粒径的减少,超静孔压消散时间变长,其中,平均粒径1.5mm的砂,超静孔压停留在常数的时间为35s, 平均粒径在0.1mm左右的砂土抗液化能力最差。第二是粗粒砂较细粒砂更难处于液化悬浮状态。不均匀系数(G) 愈小,粘粒含量愈高愈不容易
液化。
3.3.2相对密度或孔隙比
砂土的相对密度或孔隙比是影响液化的主要因素。砂土的相对密度公式:
当Dr 值在0~1之间变化,D r 值越接近于1时,则e越接近于emin ,说明砂土层越密实。通常,相
对密度越大,砂土越难液化。据室内试验研究结果表明,当加速度为0.2g,若相对密度值达到62.5%时,砂土一般不液化；当加速度为0.4g,若相对密度值达到66%以上时,砂土一般不液化;当加速度为0.5g,若相对密度值达到66.5%以上时,砂土一般不液化。在1964年日本新泻市大地震时,相对密度为50%左右的地方,砂土广泛地发生了液化。但是在相对密度大约超过70%的区域就没有发生液化。初始孔隙比与相对密度对液化的影响趋势是相同的,初始孔隙比越大,相对密度越小,则孔隙水压力传递越快,在不排水条件下,超静孔压力累积越快，砂土越易液化；相反,初始孔隙比越小,相对密度就越大,超静孔压力累积越慢,砂土就越不容易液化。
另外,砂土结构性对于液化也能产生一定的影响。土粒的排列、胶结物和均匀性不同,其抵抗液化的能力也就不同。原状砂比实验室内制备的砂样难液化,其抗液化的能力约增加1.5~2.0倍。历史上受过多次小地震的砂土比受过历史地震的砂土难液化,这主要是其结构有
了改变。
4砂土液化危害
地震发生时，饱和砂土受到震动的影响发生液化，导致土体状态的改变，从而引起许多次生的危害，主要包括以下四个方面。
4.1地表下陷
地震时，砂土中的有效应力减小，孔隙水压力急剧增加，当上覆土层厚度不大或砂土直接出露地面时，会有喷水冒砂现象发生，地下砂层被掏空，形成空穴，在上覆土体的压力作用下，地表塌陷。在我国唐山和海城两次大地震中，附近滨海平原上都发生了大面积喷砂冒水，形成了许多椭圆形、圆形的陷坑，直径最小的3m，最大的达8m。
4.2地面沉降
饱和砂土在受到震动之后，会由原来的松散状态变为密实，地面也随之下降，给滨海地区人民的生活带来很大影响，如唐山地震时，地震烈度为8度的天津市汉沽区某村庄大范围下沉，沉降量约150m。
4.3地基土丧失承载力
饱和砂土的承载力取决于有效应力的大小，随着砂土中孔隙水压力的上升，土中的有效应力不断下降，当有效应力接近零时，承载力丧失，地基失效。1976年唐山地震时，附近地区的很多道路、房屋、桥梁也因砂土液化，导致地基丧失承载力而破坏。
4.4地面流滑
地震引起斜坡土体液化，液化土体沿斜坡流动使斜坡失稳，也称为滑坡。多次震害调查表明，流滑不仅发生在斜坡地段，在场地平缓处也有流滑现象的发生。20世纪70年代在美国圣费尔德地震时多处地段滑移，多为地面坡度小于2度的地区，有的则为水平场地。
5砂土液化的判别
关于液化的判别方法，国内外有很多种，砂土液化受到多种因素的影响，所以每种方法都有一定的适用范围。常用的判别方法有经验法、动剪应力对比法、其他方法。
5.1经验法
经验法是根据过去地震的实测资料，将液化土层的反应与原位测试指标之间建立相关的经验公式，或者将其资料类推到新的情况下进行判别，利用标准贯入试验，现场剪切波速，静力触探试验等原位试验指标均可进行可液化土层的液化判别。
我国地震液化的判别多采用经验法，例如我国GB50011-2010建筑抗震设计规范推荐的方法，就是通过比较临界锤击数和实际锤击数的大小，从而判断场地土是否液化。该方法是根据我国建国后的几次大地震(1966年的邢台地震、1975年的海城地震以及1976年的唐山地震) 和国外大地震的现场实测资料，以及对地震区土层进行取样，进行室内液化试验，该方法是根据实际地震液化的调查、试验建立判别方法，此方法的缺陷是缺乏理论基础，对浅层土判别结果与实际接近，对深层土判别结果则偏于保守。
5.2动剪应力对比法
该方法是通过比较现场地震剪应力(等效循环应力比) 与实验室测定的抗液化剪应力(砂土抗液化强度) 的大小来判断土体是否发生液化。这种方法综合考虑震级、地震烈度、上覆应力及剪应力随深度的变化等因素的影响，是目前欧美国家采用最广泛的方法之一。其中最有代表性的是seed 简化判别方法。该方法优点是简单明了, 使用广泛, 但确定比较粗略且判别结果的准确与否依赖于试验结果的准确性。
5.3判别分析法
本文基于判别分析理论的思想，综合考虑影响砂土液化因素，选用震级、研究深度、震中距、标贯击数、地下水位及地震持续时间作为判别因子，建立了砂土液化预测的距离判别分析模型，确定了线性判别函数。利用交叉，确认估计法所得到的误判率为0，该距离模型具有较强的判别分析能力，是一种简单有效的砂土液化预测的新方法。模型预测结果的准确性和可靠性与样本数据有密切关系，进一步研究和完善样本数据及参数，提高模型预测结果的可靠性。
5.4其他方法
由于地震作用及土体本身抗液化能力都具有不确定性，许多学者把模糊数学理论、人工神经网络和概率统计分析等应用到地震液化的判别中。2002年，任文杰、苏经宇等人将BP 算法的指导思想和遗传算法的全局搜索能力相结合提出了使用遗传神经网络对砂土液化进行判别，且利用MATLAB 语言编写了相应的程序。
6砂土的液化的防治
一般情况下,应避免用未经加固处理的可液化土层作为天然地基的持力层。根据地基的液化等级,结合具体情况,按表2,3
选择适当的抗液化措施。
表2中Ⅰ表示全部消除地基液化沉降的措施,如采用桩基、深基础、深层处理至液化深度下界或挖除全部可液化土层等。Ⅱ表示部分消除地基液化沉降的措施,如加固或挖除部分可液化土层等。Ⅲ表示基础结构和上部结构采取的构造措施,一般包括减小或适应建筑物不
均匀沉降的各项措施。Ⅳ表示可不采取措施。
对各项抗液化措施的要求:
(1)采用桩基时,桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度(不包括桩尖部分)应按计算确定,对碎石土、砾、粗、中砂、坚硬粘性土应不小于500mm, 其他非岩石土应不小于2m。
(2)采用深基础时,基础底面埋入可液化深度以下稳定土层中的深度应不小于500mm。
(3)采用加密法(如振冲、振动加密、砂桩挤密、强夯等)处理可液化地基时:①处理后土层的实测标准贯入锤击数N63.5应大于临界值Ncr 。②要求全部消除地基液化沉降时,有效处理深度应不浅于液化深度下界。③要求部分消除地基液化沉降时,有效处理深度以下未处理的残留液化土层的液化指数LLE 应不大于4，对独立基础与条形基础的有效处理深度应不浅于
地基主要受力层深度。
7结语
本文分析了饱和砂土震动液化的机理、饱和砂性土的抗液化强度影响因素，综述了饱和砂土震动液化的危害、判别方法及防治措施，可以作为工程实际的有益参考。尽管,土的液化特性的研究已日益深入和广泛,但由于地震液化机理及其影响因素的复杂性,也由于地震发生的频繁性及其不可预测性,因此对液化特性的认识还远远不够,仍是一个值得岩土工程界十分重视的研究课题。
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