從唐山大地震談砂土液化

劉影

從唐山大地震談砂土液化

劉影

劉影，生于1975年，中國礦業(yè)大學(xué)應(yīng)用地球物理學(xué)本科，北京大學(xué)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)碩士，北京市地震局工程師，工程場地地震影響評價專業(yè)一級地震安全性評價工程師。主要從事物探、強(qiáng)震觀測、地震安全性評價工作。

1976年7月28日北京時間凌晨03時42分，在河北省唐山、豐南一帶發(fā)生了里氏7.8級的強(qiáng)烈地震，震源深度約11公里，極震區(qū)地震烈度達(dá)Ⅺ度。大部分市區(qū)屬于極震區(qū)，建筑物普遍倒塌，全市交通、通信、供水、供電中斷。唐山市及其外圍的十多個縣遭受嚴(yán)重破壞，北京、天津、秦皇島等重要城市也遭受到不同程度的震害。這些地區(qū)普遍出現(xiàn)了砂土液化，唐山南部的濱海平原和沖積平原地區(qū)砂土液化尤為嚴(yán)重。

根據(jù)震后科考人員調(diào)查統(tǒng)計，唐山大地震造成的噴砂冒水面積達(dá)24000平方千米，其中嚴(yán)重地區(qū)達(dá)3000平方千米。噴砂冒水現(xiàn)象東起秦皇島，向西經(jīng)昌黎、灤縣，沿灤河上游流域北上廬龍、遷安延至遷西，然后經(jīng)豐潤、玉田、薊縣、馬坊、沿潮白河到密云水庫，再向南至香河、霸州、青縣、海興，直到山東省的沾化區(qū)郭局子。噴砂冒水淹蓋了大量農(nóng)田，堵塞了大量排灌渠道和井管，破壞了數(shù)萬口農(nóng)用機(jī)井；造成了許多房屋、橋梁、大壩的地基失效。因第四系沉積厚，加上地下水位淺，地基失效成為唐山南部濱海平原的主要震害形式。主震之后，當(dāng)天下午發(fā)生了7.1級強(qiáng)余震，余震導(dǎo)致的積累效應(yīng)使震害加重，結(jié)構(gòu)遭受二次破壞，這種現(xiàn)象在唐山東部地區(qū)尤為顯著。

砂土液化的機(jī)理

砂土液化是指飽水砂土在地震、動力荷載或其他外力作用下，受到強(qiáng)烈振動作用而喪失抗剪強(qiáng)度，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，致使地基失效的作用或現(xiàn)象。

飽水砂土是由砂粒和水按一定排列組成的復(fù)合體系。遭受外力發(fā)生強(qiáng)烈振動時，飽水砂土液化與否是由砂和水的特性共同決定的。

砂土是一種松軟土，顆粒間缺少黏聚力。受到外力作用時，砂土主要靠其顆粒間的摩擦力維持自身的穩(wěn)定。而顆粒間摩擦力大小是由顆粒間的法向壓力決定的。

水是一種液體，一般認(rèn)為液體的體積是不可壓縮的，水能承受極大的法向壓力來抵抗其壓縮變形，而水分子是可以自由滑動的，它不能承受剪力。

飽水砂土的抗剪強(qiáng)度由顆粒間的法向壓力與孔隙水壓力的法向分量之差值決定，受孔隙水壓力作用，其抗剪強(qiáng)度會小于干砂土的抗剪強(qiáng)度。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，在周期性地震剪應(yīng)力作用下，疏松的飽水砂土?xí)呌诿軐?，飽水砂土變密實過程中必然會排出水分，孔隙度減小，同時砂土透水性變差。如果砂土透水性不良，就不能及時排出上一周期因孔隙度減小要求排出的水分，而水又是不可壓縮的，因此產(chǎn)生了剩余孔隙水壓力，也稱“超孔隙水壓力”。砂土在孔隙水壓力和剩余孔隙水壓力的合力作用下抗剪強(qiáng)度會變得更低。隨著振動持續(xù)時間增長，剩余孔隙水壓力不斷地疊加累積而增大，使砂土的抗剪強(qiáng)度不斷降低，甚至完全喪失，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，就會產(chǎn)生液化。

當(dāng)?shù)乇碛胁煌杆恼惩粮采w層時，只有剩余孔隙水壓力超過蓋層有效壓力，才會產(chǎn)生噴砂冒水現(xiàn)象。覆蓋層越厚隔水性越強(qiáng)，越不容易產(chǎn)生噴砂冒水現(xiàn)象。通常覆蓋層越厚，由液化形成的暫時性承壓水頭會越高，一旦覆蓋層被突破，噴砂冒水現(xiàn)象會更嚴(yán)重。

影響砂土液化的因素

一般認(rèn)為砂土的類型、飽水砂層的埋藏條件、地震動強(qiáng)度和地震動持續(xù)時間及砂土層的應(yīng)力歷史都會影響砂土液化。

砂土的類型 砂土的類型和性質(zhì)是影響砂土液化的主要因素。砂土液化震害資料表明，粉、細(xì)砂土最易液化。隨著地震烈度的增高，亞砂土、輕亞粘土、中砂土、礫石等也可能發(fā)生液化。黃土地震時也可能發(fā)生液化。

土的性質(zhì)主要包括土的顆粒特征（顆粒組成、顆粒形狀）和土的密度等。

砂土的平均粒徑越大，顆粒越粗，越不容易液化。因此粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂的液化可能性逐級減小。平均粒徑相同的砂土液化難易程度與顆粒的級配相關(guān)，顆粒級配越好（不均勻系數(shù)越大），動力穩(wěn)定性越高，越難發(fā)生砂土液化，一般砂土的不均勻系數(shù)超過10就很難發(fā)生液化。砂土粘粒含量越高，黏聚力越強(qiáng)，越不易液化。

砂土密度是影響液化的主要因素之一，疏松的砂土容易發(fā)生液化，而密實的砂土則不容易液化。這是因為砂土密度決定了其動力穩(wěn)定性，砂土越密實，動力穩(wěn)定性越強(qiáng)，越不容易液化。

砂土的成因和堆積年代 飽水砂土的成因和堆積年代對砂土液化有一定程度的影響。根據(jù)震害報道，大面積砂土液化的地點(diǎn)多位于濱海平原、河口三角洲和近期河床堆積物區(qū)。這些地區(qū)的沉積物一般是在較短的歷史時期內(nèi)形成的，主要為沖積成因的粉、細(xì)砂，結(jié)構(gòu)疏松，且地下水埋深很淺?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》規(guī)定，如果砂土堆積發(fā)生在第四紀(jì)晚更新世（Q3）及以前，基本地震烈度為IX度及以上時，才需進(jìn)行液化判別；而砂土堆積發(fā)生在全新世（Q4），均需進(jìn)行液化判別。

豐南縣東田莊附近的砂土液化—噴水冒砂現(xiàn)象（Ⅷ度區(qū)）

飽水砂層的埋藏分布條件 飽水砂層的埋藏分布條件決定了剩余孔隙水壓力和上覆有效覆蓋壓力的大小。當(dāng)砂層的剩余孔隙水壓力超過其上覆粘土層的有效覆蓋壓力時，就會產(chǎn)生液化現(xiàn)象。

飽水砂層的埋藏條件主要包括飽水砂層厚度、上覆非液化粘性土層厚度和地下水埋深。

受地震力作用時，飽水砂層越厚，砂層變密實過程中產(chǎn)生的剩余孔隙水壓力就越大，因此越容易液化。若是砂層較厚且較疏松，不但會產(chǎn)生較大的孔隙水壓力，也會排擠出更多的孔隙水，飽水砂土更容易液化。

當(dāng)液化砂層上覆蓋有較厚的非液化粘性土層時，不容易發(fā)生砂土液化，這是因為砂土受到較大的粘土覆蓋層自重壓力和側(cè)壓力，剩余孔隙水壓力很難積累到超過覆蓋層有效壓力的程度。同理，地表出露的飽水砂層最易液化。當(dāng)飽水砂層以薄夾層與粘性土層相結(jié)合時，極少發(fā)生液化。

地下水位以下的砂土由于懸浮減重會造成其覆蓋層有效壓力減小，因此地下水埋深會影響覆蓋層的有效壓力大小。因此，地下水埋深越淺，飽水砂層越容易液化。

據(jù)統(tǒng)計，一般飽水砂層埋深大于20米時就難于液化。也有人認(rèn)為側(cè)壓力越大越不容易發(fā)生液化，考慮到這一因素時，飽水砂層埋深在10～15米以下時就難于液化了。

地震動強(qiáng)度和持時 地震動是砂土液化的動力。地震作用越強(qiáng)、持時越長，越容易引起砂土液化，砂土液化范圍會越廣，因此造成的破壞也會越嚴(yán)重。

地震持時會直接影響剩余孔隙水壓力累積狀態(tài)。一般振動延續(xù)時間越長，引起的剩余孔隙水壓力累積上升越大，飽和砂土發(fā)生液化的可能性就越大。地震剪應(yīng)力大小相同時，地震持時延長砂土液化的可能性會增大。地震動持時增加，引起砂土液化所需要的地震剪應(yīng)力可逐漸減小。

應(yīng)力歷史 砂土遭受過的地震影響稱為應(yīng)力歷史的影響。有過地震影響的砂土較沒有地震影響的砂土難液化。但歷史上發(fā)生過液化后來又重新被壓密的砂土，則較容易重新液化。

典型的地震液化現(xiàn)象

地震導(dǎo)致的砂土液化現(xiàn)象在飽水疏松砂層廣泛分布的海濱、湖岸、沖積平原，以及河漫灘、低階地等地區(qū)尤為常見，位于這些地區(qū)的建筑和工程設(shè)施深受其害。值得注意的是砂土液化有時會降低地震宏觀烈度。

地面沉降 飽水且疏松的砂土受到振動作用趨于密實，造成地面下沉，低平的濱海、濱湖平原可能會因為地面下沉被海湖和洪水浸淹，使該地帶居民生活受到影響。1964年阿拉斯加地震時，波特奇市因砂土液化地面大幅度下沉，只要海水漲潮該市就受浸淹，后來被迫遷址。唐山地震時，天津漢沽區(qū)富莊的宏觀地震烈度為Ⅸ度，因砂土液化地面大范圍下沉，平坦的地面沉降達(dá)1.6～2.9米。

地表塌陷 地震時砂土中孔隙水壓力劇增，當(dāng)砂土出露地表或其上覆土層較薄時，即發(fā)生噴砂冒水，造成地下淘空，引發(fā)地表塌陷。我國海城和唐山兩次大地震，均導(dǎo)致了附近濱海沖積平原上大范圍噴砂冒水。如海城地震時，在震中以西的下遼河、盤錦地區(qū)出現(xiàn)大量噴砂冒水，這種現(xiàn)象一般開始于主震后數(shù)分鐘，持續(xù)時間5～6小時，甚至數(shù)日。噴出的砂水混合物高達(dá)3～5米，形成許多圓形、橢圓形陷坑，坑口直徑3～4米至7～8米，深數(shù)十厘米至數(shù)米。交通、水利設(shè)施、農(nóng)田、房屋、地下管道和油井等因此造成嚴(yán)重?fù)p害。

地基失效 地震動的持續(xù)作用可引起地基失效，造成建筑物、構(gòu)筑物破壞。如1964年日本新瀉地震時地基失效造成建筑物破壞現(xiàn)象很普遍，輕微破壞的有31000座，嚴(yán)重破壞的6200座，倒塌的2130座。唐山地震時，地基失效使唐山和天津地區(qū)的許多房屋、橋梁、鐵路路段被毀。

地面流滑 液化土層分布在斜坡上時，會在地震力作用下產(chǎn)生地面流滑導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)。1960年智利8.9級大震時，內(nèi)華湖附近的圣佩德羅河上，發(fā)生了多處滑坡，其中最大一個滑坡體是由于粘土層中大量粉砂土透鏡體的液化所致。1964年阿拉斯加地震時，安科雷奇市也是因為粘土層中含有的砂層透鏡體的液化產(chǎn)生大滑坡。有時場地地面坡度極緩，甚至接近水平也會出現(xiàn)滑移。如1971年美國圣費(fèi)爾南德地震滑移地段，地面坡度僅2°。唐山地震時，天津市河?xùn)|區(qū)柳林一帶發(fā)生的嚴(yán)重滑移，地面則是水平的。

宏觀烈度降低 地震時，砂土液化會產(chǎn)生一些減輕地面運(yùn)動的有利因素，具體表現(xiàn)為強(qiáng)震宏觀烈度降低。震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)：① 發(fā)生砂土液化的場地通常比震中距相同的未液化場地的宏觀地震烈度低，這種現(xiàn)象在軟土地區(qū)尤為明顯；② 噴砂冒水多發(fā)生在烈度Ⅶ度到Ⅸ度的地區(qū)，極少發(fā)生在X度區(qū)，基本不會發(fā)生在Ⅺ度區(qū)；③ 砂土液化場地上建筑物的破壞形式相對單一，基本上都是因砂土液化產(chǎn)生的震陷或滑移造成地基失效導(dǎo)致建筑物傾斜或傾倒，而很少發(fā)生上部結(jié)構(gòu)因受震搖晃而產(chǎn)生的損毀。

上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：① 由于液化層對剪切波有阻隔作用（流體不傳遞剪力），因此傳播到地表的剪切波和次生的偏振波，尤其是地表面波會衰減；② 地震運(yùn)動總能量大部分消耗在砂土液化及其噴砂冒水過程中，這樣傳遞到結(jié)構(gòu)物的能量就比較少，地面運(yùn)動也會因大量能量已被消耗而在較短時間內(nèi)停止。而地震動持續(xù)時間減少使建筑物避免遭受長時間的積累破壞。

小結(jié)

砂土液化是工程地質(zhì)學(xué)者及巖土工程師十分關(guān)注的地震災(zāi)害。

從工程抗震設(shè)計要求考慮，需要解決的問題首先是正確判定砂土能否液化，其次是采取什么措施預(yù)防或減輕液化危害。因此了解砂土液化的機(jī)理及其影響因素，正確判定場地可能的砂土液化等級，了解該區(qū)域場地砂土液化特點(diǎn)，對選擇正確的砂土液化防止和處理措施十分有益。