20砂土液化影响因素及其判别方法(1)

总第93期2004年第2期

西部探矿工程

WEST -CH INA EXP LORA T ION ENGI NEERIN G

series N o. 93Feb. 2004

文章编号:1004) 5716(2004) 02) 0001) 02中图分类号:TU19512 文献标识码:B

#岩土工程#

砂土液化影响因素及其判别方法

杨 健, 陈庆寿

(中国地质大学, 北京100083)

摘

要:砂土液化受动荷条件、埋藏条件和土性条件的制约, 在进行砂土液化判别时不能从某一方面或某一统计公式简

单评判。综合考虑各影响因素, 采用多因子判别分析法加以判别。关键词:砂土液化; 影响因素; 判别方法

饱和砂土或粉土在地震力作用下, 受到强烈振动后土粒处

于悬浮状态, 致使土体丧失强度而地基失效的现象称砂土液化。砂土液化是一种典型的突发性地质灾害。我国1966~1976年期间先后发生的邢台、海城和唐山三次强地震事件, 都发生了大范围的液化, 造成严重损害。

饱和砂土和粉土在水平振动作用下, 土体间位置将发生调整而趋于密实, 土体变密实势必排除孔隙水。而在急剧的周期性动荷载作用下, 如果土体的透水性不良而排水不畅的话, 则前一周期的排水还未完成, 后一周期又要排水, 应排走的水来不及排出, 而水又是不可压缩的, 于是就产生了剩余孔隙水压力(或称超孔隙水压力) 。此时砂土的抗剪强度S 为:

S =[R -(p w 0+$p w ) ]tg U 式中:R ) ) ) 法向应力;

p w0) ) ) 静孔隙水压力;

$p w ) ) ) 超孔隙水压力;

U ) ) ) 砂土的内摩擦角。

显然, 此时砂土的抗剪强度大为减小。随振动时间延续, $p w 不断累积叠加而增大, 最终可抵消R 而使土体的抗剪强度完全丧失。其现象就是发生喷水冒砂、地表塌陷。1 砂土液化影响因素

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。

1. 1 动荷条件

动荷条件主要指的是震动强度和持续时间, 震动强度以地面加速度来衡量, 震动强度大, 地震地面加速度就大, 相同条件下的饱和砂土层就容易被液化。震动持续时间长, 往往意味往复加荷次数多, 反之则少。因此地震持续时间越长, 砂土越可能液化, 在地震地面加速度相同的条件下, 持续时间短不液化的砂土层, 在经受较长时间的震动后可能会发生液化。1. 2 埋藏条件

1. 2. 1 上覆土层厚度

理论上讲, 上覆土层厚度较大时, 上覆土重有效压力p s 越大, 若使其下部砂土层液化, 则需要砂土层内能够聚集起较大的超静孔隙水压力以承担上覆土层重量, 而上覆土层厚度小时, 砂土层内只需具有较小的超静孔压即可顶托起上覆土重, 因此, 埋深1. 2. 2 上覆土层的透水性

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, 如果上覆土层透水性大, 则饱和砂土层受到震动作用时, 砂土层中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。只有上覆土层透水性较弱, 从砂土层下部上来的水才有可能在砂土层上部聚集起较高的超静孔隙水压力不能消散, 才有可能发生液化。1. 2. 3 应力历史

遭受过历史地震的砂土比未遭受地震的砂土不易液化, 但曾发生过液化又重新被压密的砂土却较容易重新液化。1. 3 土性条件1. 3. 1 砂土的粒径

不同粒径砂土的室内试验研究表明, 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0. 15cm 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。

表1 不同粒径砂土超静孔压消散时间

平均粒径(mm) 超静孔压消散时间(s)

1. 86

1. 020

0. 550

0. 15120

1. 3. 2 砂土的相对密度

砂土的相对密度D r =(e max -e) /(e max -e min ) , D r 值在0~1之间变化, D r 值越接近于1时, 则e 越接近于e min , 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。1. 3. 3砂土初始孔隙比

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, , ,

2

西 部 探 矿 工 程

Feb. 2004N o. 2

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。1. 3. 4 砂土的渗透系数

渗透性系数k 越大, 砂土的透水性越好, 有利于孔隙水压力的消散, 能减少液化的可能性。1. 3. 5 砂土结构性

砂土的结构性主要指砂土内部颗粒排列和胶结程度。原状土比结构破坏土不易液化; 老砂层比新砂层不易液化。

1. 3. 6 前期固结程度

对不同固结压力下饱和砂土进行单剪液化试验, 分析前期固结压力对液化的影响。试验结果表明, 固结程度越高, 所需的往复应力峰值与加荷次数越大, 砂土越不易液化; 反之, 固结程度越差, 砂土越容易液化。2 砂土液化的判别方法

5建筑抗震设计规范6(G B50011) 2001) 采用标准贯入试验判别法判断砂土的液化。当饱和砂土标准贯入锤击数(未经杆长修正) 小于液化判别标准贯入锤击数临界值时, 应判为液化土。液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算:

N cr =N 0[0. 9+0. 1(d s -d w ) ]c (d s [15)

N cr =N 0(2. 4+0. 1d s )

c (15[d s [20)

式中:N cr ) ) ) 液化判别标准贯入锤击数临界值;

N 0) ) ) 液化判别标准贯入锤击数基准值, 应按表2采用; d s ) ) ) 饱和土标准贯入点深度, m; d w ) ) ) 地下水位埋深, m;

Q c ) ) ) 粘粒含量百分率, 当

表2

设计地震分组

第一组第二、三组

标准贯入锤击数基准值7度6(8) 8(10)

8度10(13) 12(15)

9度1618

~15. 0m 的砂土层进行液化评判, 结果大多数砂土层均不会发生液化, 但唐山大地震波及通州和顺义地区时, 沿潮白河两岸、潮白

河与北运河中下游平原以及温榆河下游与潮白河之间的潮白河故道游荡区内, 皆普遍存在喷水、冒砂的现象。由此可见, 规范中所采用的判别方法局限性很大, 在许多情况下是不适用的。

这一方法是以实际资料为基础, 用统计学的方法建立起来的经验公式判别法, 没有考虑到砂土层埋深对砂土液化难易程度的影响; 没有反映上覆土层对砂土层产生液化与否的作用; 没有考虑土体自身的性质对液化的作用; 不能反映地震持续时间对砂土层液化的影响。

多因子判别分析方法是充分考虑影响砂土液化的主要因素, 首先挑选控制因素, 包括饱和砂土的埋深(H ) 、相对密度(D r ) 、地下水埋深(h) 、上覆有效压力(p s ) 、砂土平均粒径(d s0) 、不均匀系数(G ) 、标贯击数(N 63. 5) 等指标, 地震震级、震动历时等地震动参数视为常数而不列入, 上述各因素控制了砂土的液化强度, 可建立如下的函数关系:

Z=f(H, D r , h , p s , d s0, G , N 63. 5)

式中的Z 即为液化势值, 可通过线性判别函数来求得, 包括液化组和非液化组两组数据, 随后在给定的精度下计算出临界液化势值Z 0, 从而分出液化区(Z>Z 0) 与非液化区(Z

3 结论

砂土液化的影响因素很多, 所以在进行砂土层液化评判时不能单纯从单一方面或单一统计公式来简单评判, 应综合考虑各影响因素, 采用多因子判别分析法加以判别, 才能对砂土液化与否做出较为客观的判断。

参考文献:

[1] 李智毅, 王智济. 工程地质学基础[M ]. 武汉:中国地质大学出版

社, 1990.

[2] 中华人民共和国行业标准, 建筑抗震设计规范(GB50011) 2001)

[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2001.

[3] 铁道部第一勘测设计院. 铁路工程手册[M ]. 北京:中国铁道出版

注:括号内数值用于设计基本地震加速度为0. 15g 和0. 30g 的地区。

利用上式对处于不同深度的饱和砂土进行验算, 以设计地震烈度8度为例(N 0=10) , 设d w =2m, 分别以不同的d s 代入上式, 计算结果见表3。

表3 不同埋藏深度条件下砂土层的N cr 值

d s (m) 258

d w (m) 222

N cr 91215

d s (m) 111417

d w (m) 222

N cr 182141

社, 1999.

Affecting Factors and Distinguishing Methods of Sandy Soil L iquefaction

YANG Jian, CHE N Qing -shou

由表3中可见, 当地下水位不变时, 标准贯入临界击数值N cr 随砂土所处深度的增加而增大, 即饱和砂土上部覆盖层厚度越大, 饱和砂土的液化可能性亦越大, 这显然与实际不符, 砂土层上

部覆盖层较大时, 对液化会产生抑制作用。另外还可以看到, 当d s =0. 15m, d w =0m 时, N cr =9. 15, 只要实测标贯击数N

Abstract:Sandy soil liquefacti on is restricted by conditions of dynamic load an d embeddi ng as well as oil characters. Sandy soil liquefaction cannot be dis -tinguished simply from a certain respect or a certain stati stic formul a. Differ -ent affecting factors are considered synthetically. A multi-factor distinguish -ing analytical method is adopted.

Key :m ethod

总第93期2004年第2期

西部探矿工程

WEST -CH INA EXP LORA T ION ENGI NEERIN G

series N o. 93Feb. 2004

文章编号:1004) 5716(2004) 02) 0001) 02中图分类号:TU19512 文献标识码:B

#岩土工程#

砂土液化影响因素及其判别方法

杨 健, 陈庆寿

(中国地质大学, 北京100083)

摘

要:砂土液化受动荷条件、埋藏条件和土性条件的制约, 在进行砂土液化判别时不能从某一方面或某一统计公式简

单评判。综合考虑各影响因素, 采用多因子判别分析法加以判别。关键词:砂土液化; 影响因素; 判别方法

饱和砂土或粉土在地震力作用下, 受到强烈振动后土粒处

于悬浮状态, 致使土体丧失强度而地基失效的现象称砂土液化。砂土液化是一种典型的突发性地质灾害。我国1966~1976年期间先后发生的邢台、海城和唐山三次强地震事件, 都发生了大范围的液化, 造成严重损害。

饱和砂土和粉土在水平振动作用下, 土体间位置将发生调整而趋于密实, 土体变密实势必排除孔隙水。而在急剧的周期性动荷载作用下, 如果土体的透水性不良而排水不畅的话, 则前一周期的排水还未完成, 后一周期又要排水, 应排走的水来不及排出, 而水又是不可压缩的, 于是就产生了剩余孔隙水压力(或称超孔隙水压力) 。此时砂土的抗剪强度S 为:

S =[R -(p w 0+$p w ) ]tg U 式中:R ) ) ) 法向应力;

p w0) ) ) 静孔隙水压力;

$p w ) ) ) 超孔隙水压力;

U ) ) ) 砂土的内摩擦角。

显然, 此时砂土的抗剪强度大为减小。随振动时间延续, $p w 不断累积叠加而增大, 最终可抵消R 而使土体的抗剪强度完全丧失。其现象就是发生喷水冒砂、地表塌陷。1 砂土液化影响因素

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。

1. 1 动荷条件

动荷条件主要指的是震动强度和持续时间, 震动强度以地面加速度来衡量, 震动强度大, 地震地面加速度就大, 相同条件下的饱和砂土层就容易被液化。震动持续时间长, 往往意味往复加荷次数多, 反之则少。因此地震持续时间越长, 砂土越可能液化, 在地震地面加速度相同的条件下, 持续时间短不液化的砂土层, 在经受较长时间的震动后可能会发生液化。1. 2 埋藏条件

1. 2. 1 上覆土层厚度

理论上讲, 上覆土层厚度较大时, 上覆土重有效压力p s 越大, 若使其下部砂土层液化, 则需要砂土层内能够聚集起较大的超静孔隙水压力以承担上覆土层重量, 而上覆土层厚度小时, 砂土层内只需具有较小的超静孔压即可顶托起上覆土重, 因此, 埋深1. 2. 2 上覆土层的透水性

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, 如果上覆土层透水性大, 则饱和砂土层受到震动作用时, 砂土层中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。只有上覆土层透水性较弱, 从砂土层下部上来的水才有可能在砂土层上部聚集起较高的超静孔隙水压力不能消散, 才有可能发生液化。1. 2. 3 应力历史

遭受过历史地震的砂土比未遭受地震的砂土不易液化, 但曾发生过液化又重新被压密的砂土却较容易重新液化。1. 3 土性条件1. 3. 1 砂土的粒径

不同粒径砂土的室内试验研究表明, 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0. 15cm 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。

表1 不同粒径砂土超静孔压消散时间

平均粒径(mm) 超静孔压消散时间(s)

1. 86

1. 020

0. 550

0. 15120

1. 3. 2 砂土的相对密度

砂土的相对密度D r =(e max -e) /(e max -e min ) , D r 值在0~1之间变化, D r 值越接近于1时, 则e 越接近于e min , 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。1. 3. 3砂土初始孔隙比

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, , ,

2

西 部 探 矿 工 程

Feb. 2004N o. 2

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。1. 3. 4 砂土的渗透系数

渗透性系数k 越大, 砂土的透水性越好, 有利于孔隙水压力的消散, 能减少液化的可能性。1. 3. 5 砂土结构性

砂土的结构性主要指砂土内部颗粒排列和胶结程度。原状土比结构破坏土不易液化; 老砂层比新砂层不易液化。

1. 3. 6 前期固结程度

对不同固结压力下饱和砂土进行单剪液化试验, 分析前期固结压力对液化的影响。试验结果表明, 固结程度越高, 所需的往复应力峰值与加荷次数越大, 砂土越不易液化; 反之, 固结程度越差, 砂土越容易液化。2 砂土液化的判别方法

5建筑抗震设计规范6(G B50011) 2001) 采用标准贯入试验判别法判断砂土的液化。当饱和砂土标准贯入锤击数(未经杆长修正) 小于液化判别标准贯入锤击数临界值时, 应判为液化土。液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算:

N cr =N 0[0. 9+0. 1(d s -d w ) ]c (d s [15)

N cr =N 0(2. 4+0. 1d s )

c (15[d s [20)

式中:N cr ) ) ) 液化判别标准贯入锤击数临界值;

N 0) ) ) 液化判别标准贯入锤击数基准值, 应按表2采用; d s ) ) ) 饱和土标准贯入点深度, m; d w ) ) ) 地下水位埋深, m;

Q c ) ) ) 粘粒含量百分率, 当

表2

设计地震分组

第一组第二、三组

标准贯入锤击数基准值7度6(8) 8(10)

8度10(13) 12(15)

9度1618

~15. 0m 的砂土层进行液化评判, 结果大多数砂土层均不会发生液化, 但唐山大地震波及通州和顺义地区时, 沿潮白河两岸、潮白

河与北运河中下游平原以及温榆河下游与潮白河之间的潮白河故道游荡区内, 皆普遍存在喷水、冒砂的现象。由此可见, 规范中所采用的判别方法局限性很大, 在许多情况下是不适用的。

这一方法是以实际资料为基础, 用统计学的方法建立起来的经验公式判别法, 没有考虑到砂土层埋深对砂土液化难易程度的影响; 没有反映上覆土层对砂土层产生液化与否的作用; 没有考虑土体自身的性质对液化的作用; 不能反映地震持续时间对砂土层液化的影响。

多因子判别分析方法是充分考虑影响砂土液化的主要因素, 首先挑选控制因素, 包括饱和砂土的埋深(H ) 、相对密度(D r ) 、地下水埋深(h) 、上覆有效压力(p s ) 、砂土平均粒径(d s0) 、不均匀系数(G ) 、标贯击数(N 63. 5) 等指标, 地震震级、震动历时等地震动参数视为常数而不列入, 上述各因素控制了砂土的液化强度, 可建立如下的函数关系:

Z=f(H, D r , h , p s , d s0, G , N 63. 5)

式中的Z 即为液化势值, 可通过线性判别函数来求得, 包括液化组和非液化组两组数据, 随后在给定的精度下计算出临界液化势值Z 0, 从而分出液化区(Z>Z 0) 与非液化区(Z

3 结论

砂土液化的影响因素很多, 所以在进行砂土层液化评判时不能单纯从单一方面或单一统计公式来简单评判, 应综合考虑各影响因素, 采用多因子判别分析法加以判别, 才能对砂土液化与否做出较为客观的判断。

参考文献:

[1] 李智毅, 王智济. 工程地质学基础[M ]. 武汉:中国地质大学出版

社, 1990.

[2] 中华人民共和国行业标准, 建筑抗震设计规范(GB50011) 2001)

[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2001.

[3] 铁道部第一勘测设计院. 铁路工程手册[M ]. 北京:中国铁道出版

注:括号内数值用于设计基本地震加速度为0. 15g 和0. 30g 的地区。

利用上式对处于不同深度的饱和砂土进行验算, 以设计地震烈度8度为例(N 0=10) , 设d w =2m, 分别以不同的d s 代入上式, 计算结果见表3。

表3 不同埋藏深度条件下砂土层的N cr 值

d s (m) 258

d w (m) 222

N cr 91215

d s (m) 111417

d w (m) 222

N cr 182141

社, 1999.

Affecting Factors and Distinguishing Methods of Sandy Soil L iquefaction

YANG Jian, CHE N Qing -shou

由表3中可见, 当地下水位不变时, 标准贯入临界击数值N cr 随砂土所处深度的增加而增大, 即饱和砂土上部覆盖层厚度越大, 饱和砂土的液化可能性亦越大, 这显然与实际不符, 砂土层上

部覆盖层较大时, 对液化会产生抑制作用。另外还可以看到, 当d s =0. 15m, d w =0m 时, N cr =9. 15, 只要实测标贯击数N

Abstract:Sandy soil liquefacti on is restricted by conditions of dynamic load an d embeddi ng as well as oil characters. Sandy soil liquefaction cannot be dis -tinguished simply from a certain respect or a certain stati stic formul a. Differ -ent affecting factors are considered synthetically. A multi-factor distinguish -ing analytical method is adopted.

Key :m ethod