欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

从村庄瞬变池塘,浅谈地基液化机理及危害【多图+多视频】

350 2020-06-10 13:16:51


浅谈砂土液化机理及其危害



一、前言

大家是否还记得2018年印尼地震?也许没印象,但对视频中的这来自地狱的恶龙或许记忆犹新。


本视频引自东森新闻网


这是发生在贝托波(Petobo)和巴拉罗亚(Balaroa)的严重砂土液化现象。

砂土液化流动现场拍摄的实景

Balaroa地区的受灾前后对比图


通过图片可见,两个村庄所在的地表遭受严重破坏,植被和房屋严重损毁,新鲜的土壤暴露出来,其中可见建筑物的废墟及残骸。仔细观察上图Balaroa的灾前影像,可以看到当地一座清真寺的金色球顶,而在灾后图里,金顶的残骸位于原址的东北方向220米。Petobo缺乏显著地标建筑,无法用卫星图推测移动距离。

       本次7.5级地震所产生的砂土液化区域,正好位于民房众多的核心社区。原本坚固稳定的地表在瞬间转变成粘稠的流体,并发生快速流动。可以想象,这种高密度的粘稠流体对于所有地上设施具有难以想象的恐怖毁伤能力。


二、砂土液化及其机理

2.1 有关术语的说明



(一)砂土液化

       砂土液化(liquefaction of sand)

是指饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象,由于孔隙水压力上升,有效应力减小所导致的砂土从固态到液态的变化现象。其机制是饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势,对应力的承受从砂土骨架转向水,由于粉和细砂土的渗透力不良,孔隙水压力会急剧增大,当孔隙水压力大到总应力值时,有效应力就降到0,颗粒悬浮在水中,砂土体即发生液化。

地震引起砂土液化(台中港1-4码头)

地震引起砂土液化(台中港1-4码头)

(二)喷水冒砂

       砂土液化后,孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。如果砂土层上部没有渗透性更差的覆盖层,地下水即大面积溢于地表;如果砂土层上部有渗透性更弱的粘性土层,当超孔隙水压力超过盖层强度,地下水就会携带砂粒冲破盖层或沿盖层裂隙喷出地表,产生喷水冒砂现象。

台湾新化区火车站附近喷水冒砂现象


2.2 砂土液化机制



       砂土地震液化机制比一般振动液化复杂,它包括了先后相继发生的振动液化和渗流液化两种过程。


(一)振动液化

        砂土受振动时,每个颗粒都受到其值等于振动加速度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。由于颗粒间没有内聚力或内聚力很小,在惯性力周期性反复作用下,各颗粒就都处于运动状态,它们之间必然产生相互错动并调整其相互位置,以便降低其总势能最终达到最稳定状态。如振动前砂体处于紧密排列状态,经震动后砂粒的排列和砂体的孔隙度不会有很大变化;如振动前砂土处于疏松排列状态,则每个颗粒都具有比紧密排列高得多的势能,在振动加速度的反复荷载作用下,必然逐步加密,以期最终成为最稳定的紧密状态。

       如果砂土位于地下水位以上的包气带中,由于空气可压缩又易于排出,通过气体的迅速排出立即可以完成这种调整与变密过程,此时只有砂土体积缩小而出现的“震陷”现象,不会液化;如果砂土位于地下水位以下的饱水带中,情况就完全不同,此时要变密就必须排水。地震的振动频率大约为1一2周期/秒,在这种急速变化的周期性荷载作用下,伴随每一次振动周期产生的孔隙度瞬时减小都要求排挤出一些水,如砂的渗透性不良,排水不通畅,则前一周期的排水尚未完成,下一周期的孔隙度再减小又产生了。

       应排除的水不能排出,而水又是不可压缩的,所以孔隙水必然承受由孔隙度减小而产生的挤压力,于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力(excess pore water pressure)。前一个周期的剩余孔隙水压尚未消散,下一周期产生的新的剩余孔隙水压力又迭加上来,故随振动持续时间的增长,剩余孔隙水压会不断累积而增大。空隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时,砂粒就会悬浮于水中,砂体也就完全丧失了强度和承载能力,这就是砂土的振动液化。


(一)渗流液化

       

       砂土经振动液化后,土中任意两点之间的水力梯度恰好等于渗流液化的临界梯度,处于这个水力梯度,砂粒就在自下而上的渗流中失去重量,产生渗流液化。

       渗流液化和振动液化联系起来,整个过程则是饱水砂土在强烈地震作用下先产生振动液化,使空隙水压力迅速上升,产生上下水头差和孔隙水自下而上的运动,动水压力推动砂粒向悬浮状态转化,形成渗流液化使砂层变松。

2.3 砂土液化引起的破坏形式


(一)涌砂

       涌出的砂掩盖农田,压死作物,使沃土盐碱化、砂质化,同时造成河床、渠道、径井筒等淤塞,使农业灌溉设施受到严重损害。


(二)地基失效 

       随粒间有效正应力的降低,地基土层的承裁能力也迅速下降,甚至砂体呈悬浮状态时地基的承载能力完全丧失。建于这类地基上的建筑物就会产生强烈沉陷、倾倒以至倒塌。

       例如,日本新漏1964年的地震引起的砂土液化,由于地基失效使建筑物倒塌2130所,严重破坏6200所,轻微破坏31000所。


(三)滑塌

       由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和流动,可引起大规模滑坡。如1964年阿拉斯加地震,安科雷奇市就因敏感粘土层中的砂层透镜体液化而产生大滑坡。这类滑坡可以产生在极缓,甚至水平场地。


(四)地面沉降及塌陷

       饱水疏松砂因振动而变密,地面也随之而下沉,低平的滨海湖平原可因下沉而受到海湖及洪水的浸淹,使之不适于作为建筑物地基。

       例如1964年阿拉斯加地震时,波特奇市即因震陷量大而受海潮浸淹,迫使该市迁址。


2.4 砂土液化的防护措施



      在可能受到强烈地震影响的河口三角洲、冲积平原或古河床上进行建筑活动时,必须采取防地震液化的措施。这些措施可分为选择良好场地、采用人工改良地基或选用合适的基础形式及砌置深度。抗液化措施应根据判定的液化等级及建筑物的类别进行选择。


(一)增加盖重

        新澙地震时强烈液化的C区,有的建筑物建于原地面上填有3m厚的填土层上,周围建筑物强烈损坏而此建筑物则无损害。填土厚度应使饱水砂层顶面的有效压重大于可能产生液化的临界压重。


(二)换土

        适用于表层处理,一般在地表以下3-6m有易液化土层时可以挖除回填以压实粗砂。

(三)改善饱水砂层的密实程度

(1爆炸振密法 

       一般用于土坝等底面相当大的建筑物的地基处理。在地基范围内每隔一定距离埋炸药,群孔起爆使砂层液化后靠自重排水沉实。对均匀、疏松的饱水中细砂效果良好。

(2)强夯与碾压

       在松砂地基表面采用夯锤或振动碾压机加固砂层,能提高砂层的相对密度,增强地基抗液化能力。

在松砂地基表面采用夯锤或振动碾压机加固砂层

在松砂地基表面采用夯锤或振动碾压机加固砂层

(四)消散剩余孔隙水压

        主要采用排渗法,在可能液化砂层中设置砾渗井,使砂层在振动时迅通将水排出,以加速消散砂层中累积增长的空隙水压力,从而抑制砂层液化。


(五)围封法

        修建在饱和松砂地基上的坝或闸层可在坝基范围内用板桩、泥凝土截水墙、沉箱等将可液化砂层截断封闭,以切断板桩外侧液化砂层对地基的影响,增加地基内土层的侧向压力。

(六)基础形式选择

        在有液化可能性的地基上建筑,不能将建筑物置于地表或深埋于可液化深度范围之内。如采用桩基宜用较深的支承桩基或管柱基础,浅摩擦桩的震害是严重的。层数较少的建筑物可采用筏片基础,并尽量使荷重分布均匀,以便地基液化时仅产生整体均匀下沉,这样就可以避免采用昂贵的桩基。建于液化地基上的桥梁,往往因墩台强烈沉陷造成桥墩折断,最好选用管注基础为宜。



三、其他

       砂土液化的产生需要两个要素:疏松的砂土堆积物和很高(近饱和)的含水量,振动或者扰动是最常见的触发条件。在稳定状态下,地表重物的压力和砂土自身的压力可以使砂粒彼此相互接触,形成坚实的地表;在颗粒之间的孔隙里则充填了水,是为孔隙水。在振动的条件下,砂土颗粒之间的接触丧失,负载物和地层自身的重力产生的巨大压迫会让原本稳定的地下水(孔隙水)发生(向压力较小方向的/向上的)流动,这一过程可以形成的称为排水或泄水

       砂土颗粒的接触丧失后,地下水接管了局势:想怎么流就怎么流。 

       这样一来,原本稳定的沉积物层就转化为裹挟着砂土颗粒的流动物质。

          伴随着脚底涌出越来越多的水,那个站在河滩上扭来扭去的孩子就渐渐陷了进去。

             用魔鬼的步伐试探液化砂土的两百多斤重的男孩子。

      用魔鬼的步伐试探砂土液化的两百多斤重的铝孩子。


      上图二人如果继续在危险的边缘试探,就会慢慢陷进去,这也是与我们日常生活体验距离最近的砂土液化,相信很多像我一样的熊孩子都这样作过死:陷到大腿根,最后被小伙伴们拖出来……