从唐山大地震谈砂土液化

2016-08-11刘影

城市与减灾 2016年4期

刘影

从唐山大地震谈砂土液化

刘影

刘影，生于1975年，中国矿业大学应用地球物理学本科，北京大学构造地质学硕士，北京市地震局工程师，工程场地地震影响评价专业一级地震安全性评价工程师。主要从事物探、强震观测、地震安全性评价工作。

1976年7月28日北京时间凌晨03时42分，在河北省唐山、丰南一带发生了里氏7.8级的强烈地震，震源深度约11公里，极震区地震烈度达Ⅺ度。大部分市区属于极震区，建筑物普遍倒塌，全市交通、通信、供水、供电中断。唐山市及其外围的十多个县遭受严重破坏，北京、天津、秦皇岛等重要城市也遭受到不同程度的震害。这些地区普遍出现了砂土液化，唐山南部的滨海平原和冲积平原地区砂土液化尤为严重。

根据震后科考人员调查统计，唐山大地震造成的喷砂冒水面积达24000平方千米，其中严重地区达3000平方千米。喷砂冒水现象东起秦皇岛，向西经昌黎、滦县，沿滦河上游流域北上庐龙、迁安延至迁西，然后经丰润、玉田、蓟县、马坊、沿潮白河到密云水库，再向南至香河、霸州、青县、海兴，直到山东省的沾化区郭局子。喷砂冒水淹盖了大量农田，堵塞了大量排灌渠道和井管，破坏了数万口农用机井；造成了许多房屋、桥梁、大坝的地基失效。因第四系沉积厚，加上地下水位浅，地基失效成为唐山南部滨海平原的主要震害形式。主震之后，当天下午发生了7.1级强余震，余震导致的积累效应使震害加重，结构遭受二次破坏，这种现象在唐山东部地区尤为显著。

砂土液化的机理

砂土液化是指饱水砂土在地震、动力荷载或其他外力作用下，受到强烈振动作用而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象。

饱水砂土是由砂粒和水按一定排列组成的复合体系。遭受外力发生强烈振动时，饱水砂土液化与否是由砂和水的特性共同决定的。

砂土是一种松软土，颗粒间缺少黏聚力。受到外力作用时，砂土主要靠其颗粒间的摩擦力维持自身的稳定。而颗粒间摩擦力大小是由颗粒间的法向压力决定的。

水是一种液体，一般认为液体的体积是不可压缩的，水能承受极大的法向压力来抵抗其压缩变形，而水分子是可以自由滑动的，它不能承受剪力。

饱水砂土的抗剪强度由颗粒间的法向压力与孔隙水压力的法向分量之差值决定，受孔隙水压力作用，其抗剪强度会小于干砂土的抗剪强度。

当地震发生时，在周期性地震剪应力作用下，疏松的饱水砂土会趋于密实，饱水砂土变密实过程中必然会排出水分，孔隙度减小，同时砂土透水性变差。如果砂土透水性不良，就不能及时排出上一周期因孔隙度减小要求排出的水分，而水又是不可压缩的，因此产生了剩余孔隙水压力，也称“超孔隙水压力”。砂土在孔隙水压力和剩余孔隙水压力的合力作用下抗剪强度会变得更低。随着振动持续时间增长，剩余孔隙水压力不断地叠加累积而增大，使砂土的抗剪强度不断降低，甚至完全丧失，使砂粒处于悬浮状态，就会产生液化。

当地表有不透水的粘土覆盖层时，只有剩余孔隙水压力超过盖层有效压力，才会产生喷砂冒水现象。覆盖层越厚隔水性越强，越不容易产生喷砂冒水现象。通常覆盖层越厚，由液化形成的暂时性承压水头会越高，一旦覆盖层被突破，喷砂冒水现象会更严重。

影响砂土液化的因素

一般认为砂土的类型、饱水砂层的埋藏条件、地震动强度和地震动持续时间及砂土层的应力历史都会影响砂土液化。

砂土的类型砂土的类型和性质是影响砂土液化的主要因素。砂土液化震害资料表明，粉、细砂土最易液化。随着地震烈度的增高，亚砂土、轻亚粘土、中砂土、砾石等也可能发生液化。黄土地震时也可能发生液化。

土的性质主要包括土的颗粒特征（颗粒组成、颗粒形状）和土的密度等。

砂土的平均粒径越大，颗粒越粗，越不容易液化。因此粉砂、细砂、中砂、粗砂的液化可能性逐级减小。平均粒径相同的砂土液化难易程度与颗粒的级配相关，颗粒级配越好（不均匀系数越大），动力稳定性越高，越难发生砂土液化，一般砂土的不均匀系数超过10就很难发生液化。砂土粘粒含量越高，黏聚力越强，越不易液化。

砂土密度是影响液化的主要因素之一，疏松的砂土容易发生液化，而密实的砂土则不容易液化。这是因为砂土密度决定了其动力稳定性，砂土越密实，动力稳定性越强，越不容易液化。

砂土的成因和堆积年代饱水砂土的成因和堆积年代对砂土液化有一定程度的影响。根据震害报道，大面积砂土液化的地点多位于滨海平原、河口三角洲和近期河床堆积物区。这些地区的沉积物一般是在较短的历史时期内形成的，主要为冲积成因的粉、细砂，结构疏松，且地下水埋深很浅。《建筑抗震设计规范》规定，如果砂土堆积发生在第四纪晚更新世（Q3）及以前，基本地震烈度为IX度及以上时，才需进行液化判别；而砂土堆积发生在全新世（Q4），均需进行液化判别。

丰南县东田庄附近的砂土液化—喷水冒砂现象（Ⅷ度区）

饱水砂层的埋藏分布条件饱水砂层的埋藏分布条件决定了剩余孔隙水压力和上覆有效覆盖压力的大小。当砂层的剩余孔隙水压力超过其上覆粘土层的有效覆盖压力时，就会产生液化现象。

饱水砂层的埋藏条件主要包括饱水砂层厚度、上覆非液化粘性土层厚度和地下水埋深。

受地震力作用时，饱水砂层越厚，砂层变密实过程中产生的剩余孔隙水压力就越大，因此越容易液化。若是砂层较厚且较疏松，不但会产生较大的孔隙水压力，也会排挤出更多的孔隙水，饱水砂土更容易液化。

当液化砂层上覆盖有较厚的非液化粘性土层时，不容易发生砂土液化，这是因为砂土受到较大的粘土覆盖层自重压力和侧压力，剩余孔隙水压力很难积累到超过覆盖层有效压力的程度。同理，地表出露的饱水砂层最易液化。当饱水砂层以薄夹层与粘性土层相结合时，极少发生液化。

地下水位以下的砂土由于悬浮减重会造成其覆盖层有效压力减小，因此地下水埋深会影响覆盖层的有效压力大小。因此，地下水埋深越浅，饱水砂层越容易液化。

据统计，一般饱水砂层埋深大于20米时就难于液化。也有人认为侧压力越大越不容易发生液化，考虑到这一因素时，饱水砂层埋深在10～15米以下时就难于液化了。

地震动强度和持时地震动是砂土液化的动力。地震作用越强、持时越长，越容易引起砂土液化，砂土液化范围会越广，因此造成的破坏也会越严重。

地震持时会直接影响剩余孔隙水压力累积状态。一般振动延续时间越长，引起的剩余孔隙水压力累积上升越大，饱和砂土发生液化的可能性就越大。地震剪应力大小相同时，地震持时延长砂土液化的可能性会增大。地震动持时增加，引起砂土液化所需要的地震剪应力可逐渐减小。

应力历史砂土遭受过的地震影响称为应力历史的影响。有过地震影响的砂土较没有地震影响的砂土难液化。但历史上发生过液化后来又重新被压密的砂土，则较容易重新液化。

典型的地震液化现象

地震导致的砂土液化现象在饱水疏松砂层广泛分布的海滨、湖岸、冲积平原，以及河漫滩、低阶地等地区尤为常见，位于这些地区的建筑和工程设施深受其害。值得注意的是砂土液化有时会降低地震宏观烈度。

地面沉降饱水且疏松的砂土受到振动作用趋于密实，造成地面下沉，低平的滨海、滨湖平原可能会因为地面下沉被海湖和洪水浸淹，使该地带居民生活受到影响。1964年阿拉斯加地震时，波特奇市因砂土液化地面大幅度下沉，只要海水涨潮该市就受浸淹，后来被迫迁址。唐山地震时，天津汉沽区富庄的宏观地震烈度为Ⅸ度，因砂土液化地面大范围下沉，平坦的地面沉降达1.6～2.9米。

地表塌陷地震时砂土中孔隙水压力剧增，当砂土出露地表或其上覆土层较薄时，即发生喷砂冒水，造成地下淘空，引发地表塌陷。我国海城和唐山两次大地震，均导致了附近滨海冲积平原上大范围喷砂冒水。如海城地震时，在震中以西的下辽河、盘锦地区出现大量喷砂冒水，这种现象一般开始于主震后数分钟，持续时间5～6小时，甚至数日。喷出的砂水混合物高达3～5米，形成许多圆形、椭圆形陷坑，坑口直径3～4米至7～8米，深数十厘米至数米。交通、水利设施、农田、房屋、地下管道和油井等因此造成严重损害。

地基失效地震动的持续作用可引起地基失效，造成建筑物、构筑物破坏。如1964年日本新泻地震时地基失效造成建筑物破坏现象很普遍，轻微破坏的有31000座，严重破坏的6200座，倒塌的2130座。唐山地震时，地基失效使唐山和天津地区的许多房屋、桥梁、铁路路段被毁。

地面流滑液化土层分布在斜坡上时，会在地震力作用下产生地面流滑导致斜坡失稳。1960年智利8.9级大震时，内华湖附近的圣佩德罗河上，发生了多处滑坡，其中最大一个滑坡体是由于粘土层中大量粉砂土透镜体的液化所致。1964年阿拉斯加地震时，安科雷奇市也是因为粘土层中含有的砂层透镜体的液化产生大滑坡。有时场地地面坡度极缓，甚至接近水平也会出现滑移。如1971年美国圣费尔南德地震滑移地段，地面坡度仅2°。唐山地震时，天津市河东区柳林一带发生的严重滑移，地面则是水平的。

宏观烈度降低地震时，砂土液化会产生一些减轻地面运动的有利因素，具体表现为强震宏观烈度降低。震害调查发现：① 发生砂土液化的场地通常比震中距相同的未液化场地的宏观地震烈度低，这种现象在软土地区尤为明显；② 喷砂冒水多发生在烈度Ⅶ度到Ⅸ度的地区，极少发生在X度区，基本不会发生在Ⅺ度区；③ 砂土液化场地上建筑物的破坏形式相对单一，基本上都是因砂土液化产生的震陷或滑移造成地基失效导致建筑物倾斜或倾倒，而很少发生上部结构因受震摇晃而产生的损毁。

上述现象产生的原因：① 由于液化层对剪切波有阻隔作用（流体不传递剪力），因此传播到地表的剪切波和次生的偏振波，尤其是地表面波会衰减；② 地震运动总能量大部分消耗在砂土液化及其喷砂冒水过程中，这样传递到结构物的能量就比较少，地面运动也会因大量能量已被消耗而在较短时间内停止。而地震动持续时间减少使建筑物避免遭受长时间的积累破坏。