地震中村庄变池塘的秘密
发布时间:2019-07-02

 

转自: 星空 中科院地质地球所  

 
地震中村庄变池塘的秘密——砂土液化
 
1976年,因为唐山地震,宁河县富庄在地震后全村下沉2.6-2.9米,塌陷区边缘出现大量宽1—2m的环形裂缝,美丽的村庄变为池塘——这就是地震导致的区域性砂土液化的现象。今天小编带领大家了解一下因地震产生的砂土液化。
 
 
 
地震引起砂土液化(台中港1-4码头)
 
 基本概念
 
饱水砂土在地震、动力荷载或其它外力作用下,受到强烈振动而丧失抗剪强度,使砂粒处于悬浮状态,致使地基失效的作用或现象称为砂土液化(sand liquefaetion)或振动液化。地震导致砂土液化往往是区域性的,可使广大地域内的建筑物遭受毁坏。
 
砂土液化引起的破坏主要有四种:
 
 
1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。
 
 
 
 
 
 
2地基失效
随粒间有效正应力的降低,地基土层的承载能力也迅速下降,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。日本新?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。1976年唐山地震时,天津市新港望河楼建筑群,因地基失效突然下沉38cm,倾斜度达30%。
 
 
 
 
3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。
 
 
 
4地面沉降及地面塌陷
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。地下砂体大量涌出地表,使地下的局部地带被掏空,则往往出现地面局部塌陷。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。还有文章开头因唐山地震宁河县富庄全村变为池塘。
 
 
 
 地震时砂土液化机制
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。
 
1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。
 
 
 
2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。
 
 
 砂土地震液化的形成条件
从砂土地震液化机制的讨论中可以得出,砂土层本身和地震这两方面具备一定条件才能产生砂土液化。
 
砂土层本身方面一般认为砂土的成分、结构以及饱水砂层的埋藏条件这几个方面需具备一定条件才易于液化。砂土颗粒细、结构疏松、上覆非液化盖层薄和地下水埋深浅则容易发生砂土液化,主要是近代河口三角洲砂体和近期河床堆积砂体,其中河口三角洲砂体是造成区域性砂土液化的主要砂体。已有的大区域砂土地震液化实例,主要形成于河口三角洲砂体内,且往往是有历史时期或全新世形成的疏松沉积物。如我国的海城和唐山地震均是在河口三角州全新世以来的堆积物。
 
 
 
地震方面主要是地震的强烈程度和持续时间,地震愈强、加速度愈大,则愈容易引起砂土液化。
 
四 砂土地震液化的防护措施
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。
 
1增加盖重
新?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。
 
2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。
 
3改善饱水砂层的密实程度
爆炸振密法 
一般用于处理土坝等底面相当大的建筑物的地基。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。
 
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。
 
 
 
 
4 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。
 
 
 
5 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。
 
6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。