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        1. EN
          地震中村莊變池塘的秘密
          2023-12-01 14:18:12

          地震中村莊變池塘的秘密——砂土液化 
              1976年,因為唐山地震,寧河縣富莊在地震后全村下沉2.6-2.9米,塌陷區邊緣出現大量寬1—2m的環形裂縫,美麗的村莊變為池塘——這就是地震導致的區域性砂土液化的現象。今天小編帶領大家了解一下因地震產生的砂土液化。

           

          地震引起砂土液化(臺中港1-4碼頭)


          基本概念
              飽水砂土在地震、動力荷載或其它外力作用下,受到強烈振動而喪失抗剪強度,使砂粒處于懸浮狀態,致使地基失效的作用或現象稱為砂土液化(sand liquefaetion)或振動液化。地震導致砂土液化往往是區域性的,可使廣大地域內的建筑物遭受毀壞。 

          砂土液化引起的破壞主要有四種:
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          涌砂
              涌出的砂掩蓋農田,壓死作物,使沃土鹽堿化、砂質化,同時造成河床、渠道、徑井筒等淤塞,使農業灌溉設施受到嚴重損害。



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          地基失效
              隨粒間有效正應力的降低,地基土層的承載能力也迅速下降,甚至砂體呈懸浮狀態時地基的承載能力完全喪失。建于這類地基上的建筑物就會產生強烈沉陷、傾倒以至倒塌。日本新潟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,嚴重破壞6200所,輕微破壞31000所。1976年唐山地震時,天津市新港望河樓建筑群,因地基失效突然下沉38cm,傾斜度達30%。

           
           

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          滑塌
              由于下伏砂層或敏感粘土層震動液化和流動,可引起大規?;?。如1964年阿拉斯加地震,安科雷奇市就因敏感粘土層中的砂層透鏡體液化而產生大滑坡。這類滑坡可以產生在極緩、甚至水平場地。

           
           

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          地面沉降及地面塌陷
              飽水疏松砂因振動而變密,地面也隨之而下沉。低平的濱海湖平原可因下沉而受到海湖及洪水的浸淹,使之不適于作為建筑物地基。地下砂體大量涌出地表,使地下的局部地帶被掏空,則往往出現地面局部塌陷。例如1964年阿拉斯加地震時,波特奇市即因震陷量大而受海潮浸淹,迫使該市遷址。還有文章開頭因唐山地震寧河縣富莊全村變為池塘。

           


          地震時砂土液化機制
              砂土地震液化機制比一般振動液化復雜,它包括了先后相繼發生的振動液化和滲流液化兩種過程。 
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          振動液化
              砂土受振動時,每個顆粒都受到其值等于振動加速度與顆粒質量乘積的慣性力的反復作用。由于顆粒間沒有內聚力或內聚力很小,在慣性力周期性反復作用下,各顆粒就都處于運動狀態,它們之間必然產生相互錯動并調整其相互位置,以便降低其總勢能最終達到最穩定狀態。如振動前砂體處于緊密排列狀態,經震動后砂粒的排列和砂體的孔隙度不會有很大變化;如振動前砂土處于疏松排列狀態,則每個顆粒都具有比緊密排列高得多的勢能,在振動加速度的反復荷載作用下,必然逐步加密,以期最終成為最穩定的緊密狀態。
              如果砂土位于地下水位以上的包氣帶中,由于空氣可壓縮又易于排出,通過氣體的迅速排出立即可以完成這種調整與變密過程,此時只有砂土體積縮小而出現的“震陷”現象,不會液化;如果砂土位于地下水位以下的飽水帶中,情況就完全不同,此時要變密就必須排水。地震的振動頻率大約為1一2周期/秒,在這種急速變化的周期性荷載作用下,伴隨每一次振動周期產生的孔隙度瞬時減小都要求排擠出一些水,如砂的滲透性不良,排水不通暢,則前一周期的排水尚未完成,下一周期的孔隙度再減小又產生了。
              應排除的水不能排出,而水又是不可壓縮的,所以孔隙水必然承受由孔隙度減小而產生的擠壓力,于是就產生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力(excess pore water pressure)。前一個周期的剩余孔隙水壓尚未消散,下一周期產生的新的剩余孔隙水壓力又迭加上來,故隨振動持續時間的增長,剩余孔隙水壓會不斷累積而增大??障端畨毫ι仙绞股傲ig有效正應力降為零時,砂粒就會懸浮于水中,砂體也就完全喪失了強度和承載能力,這就是砂土的振動液化。


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          滲流液化

              砂土經振動液化后,土中任意兩點之間的水力梯度恰好等于滲流液化的臨界梯度,處于這個水力梯度,砂粒就在自下而上的滲流中失去重量,產生滲流液化。 
              滲流液化和振動液化聯系起來,整個過程則是飽水砂土在強烈地震作用下先產生振動液化,使空隙水壓力迅速上升,產生上下水頭差和孔隙水自下而上的運動,動水壓力推動砂粒向懸浮狀態轉化,形成滲流液化使砂層變松。 


          砂土地震液化的形成條件
              從砂土地震液化機制的討論中可以得出,砂土層本身和地震這兩方面具備一定條件才能產生砂土液化。 
              砂土層本身方面一般認為砂土的成分、結構以及飽水砂層的埋藏條件這幾個方面需具備一定條件才易于液化。砂土顆粒細、結構疏松、上覆非液化蓋層薄和地下水埋深淺則容易發生砂土液化,主要是近代河口三角洲砂體和近期河床堆積砂體,其中河口三角洲砂體是造成區域性砂土液化的主要砂體。已有的大區域砂土地震液化實例,主要形成于河口三角洲砂體內,且往往是有歷史時期或全新世形成的疏松沉積物。如我國的海城和唐山地震均是在河口三角州全新世以來的堆積物。

           

          地震方面主要是地震的強烈程度和持續時間,地震愈強、加速度愈大,則愈容易引起砂土液化。 


          砂土地震液化的防護措施
              在可能受到強烈地震影響的河口三角洲、沖積平原或古河床上進行建筑活動時,必須采取防地震液化的措施。這些措施可分為選擇良好場地、采用人工改良地基或選用合適的基礎形式及砌置深度??挂夯胧鶕卸ǖ囊夯燃壖敖ㄖ锏念悇e進行選擇。 

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          增加蓋重
              新澙地震時強烈液化的C區,有的建筑物建于原地面上填有3m厚的填土層上,周圍建筑物強烈損壞而此建筑物則無損害。填土厚度應使飽水砂層頂面的有效壓重大于可能產生液化的臨界壓重。 
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          換土
              適用于表層處理,一般在地表以下3-6m有易液化土層時可以挖除回填以壓實粗砂。 
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          改善飽水砂層的密實程度

          爆炸振密法
              一般用于處理土壩等底面相當大的建筑物的地基。在地基范圍內每隔一定距離埋炸藥,群孔起爆使砂層液化后靠自重排水沉實。對均勻、疏松的飽水中細砂效果良好。
          強夯與碾壓
              在松砂地基表面采用夯錘或振動碾壓機加固砂層,能提高砂層的相對密度,增強地基抗液化能力。

           
           

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          消散剩余孔隙水壓
              主要采用排滲法,在可能液化砂層中設置礫滲井,使砂層在振動時迅通將水排出,以加速消散砂層中累積增長的空隙水壓力,從而抑制砂層液化。

           

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          圍封法
              修建在飽和松砂地基上的壩或閘層可在壩基范圍內用板樁、泥凝土截水墻、沉箱等將可液化砂層截斷封閉,以切斷板樁外側液化砂層對地基的影響,增加地基內土層的側向壓力。

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          基礎形式選擇
              在有液化可能性的地基上建筑,不能將建筑物置于地表或深埋于可液化深度范圍之內。如采用樁基宜用較深的支承樁基或管柱基礎,淺摩擦樁的震害是嚴重的。層數較少的建筑物可采用筏片基礎,并盡量使荷重分布均勻,以便地基液化時僅產生整體均勻下沉,這樣就可以避免采用昂貴的樁基。建于液化地基上的橋梁,往往因墩臺強烈沉陷造成橋墩折斷,最好選用管注基礎為宜。

          轉自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/94719542

           




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