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摘要：目前关于砾性土在地震中的影响机理研究较少，有限的研究资料与震害实例为进一步的研究与工程应用带来了挑战。本文从既往的地震案例中分析，研究砾性土液化对地震灾害的影响分析，总结出砾性土的特点，为地震灾害分析带来了依据。
关键词：砾性土；液化；地震灾害
1.引言
2008年汶川地震中的砾性土液化对传统工程中液化判别提出了新的挑战，以往认为砾性土是非液化土且对其认识有限。通过对1964年美国Alaska地震与1983年美国Borah Peak地震中土工构筑物中的砾性土液化实例进行资料收集与整理，对其现象与地层资料进行整理并展开初步分析，旨在为工程中的砾性土液化研究提供更进一步的资料。
“砾性土”[1]是袁晓铭、曹振中等人以2008年中汶川地震液化土的实际成分与级配情况而定义的新名词，是对砾砂、砾质土、粉砾土、砂砾土和砾类土的统称。2008年汶川地震中砾性土液化现象十分显著，对传统的砂土液化概念提出了新的课题与挑战。砂砾土或砾性土的液化判别目前还没有现行可用的规范方法，长时间以来被人们认为是不可液化土。但目前国内外对砾性土液化的认识与理解仍十分有限，而且在很多方面更存在诸多争议，历史上砾性土液化实例较少，而且对其展开的深入研究的实例更是有限。鉴于此本文首先整理20世纪两次典型砾性土地震液化实例[2-5]结果并进行初步分析。
2.1964年Alaska地震
1964年3月28日美国阿拉斯加南部的威廉王子海峡发生矩震级9.2级地震，是北半球有史以来震级最大的一次地震，震中位于安克雷奇市东南方向80英里处。在该次地震中，公共设施与高速铁路受损严重，其中有超过100英里铁路路基受到地裂缝与土体侧移的破坏或发生地面沉降，另有125座桥与超过110座涵洞受到损坏。在铁路沿线与桥涵附近的破坏中、堤坝的沉降破坏中有多处出现砂、水从地裂缝中涌出的现象。McCulloch [2]等调查人指出土体受地震液化是引起该次地震中土体侧移、地面沉降等灾害的主要原因。地貌方面Alaska铁路南起Seward港口，沿线经过冰川、山地、河谷、沼泽等多种地形地貌，由于土体侧移而引起的地裂缝在冲积扇、三角洲、平原等地带十分普遍，而堤坝的沉降破坏则主要发生在冲积平原、三角洲、散粒体冲积扇等沉积有未充分固结的水下沉积物的地区。
McCulloch等人对阿拉斯加高速铁路在地震中受到的破坏情况进行勘查研究，并在Portage地区与Resurrection冲积平原等几个标志性地区多出场地进行钻探分析。
（1）Portage地区
该地区在地震中大量路基、桥梁由于地面侧移而发生破坏。该地区主要有沼泽分布。Clair A. Hill等人的剖面资料显示该地区地层中主要成分以砂、黏土、淤泥及部分细小砾石、砾砂等组成。Bartlett等人[3]对该地区钻孔进行基于SPT击数的液化层判定，其中9个钻孔中液化层含砾性土层，60%以上的液化层为砾性土层或砂砾层，埋深在1.5-20m范围内，厚度在3-10m范围内不等。
（2）Resurrection冲积平原
该地区内所有桥梁在地震中都受到了由于下覆土层侧移而导致破坏，主要表现为桥梁整体朝向河流流向侧移，侧移量可达数十厘米，部分区域沉降量达15cm。Seward至Anchrage 的高速铁路在16-17.2英里路段，发现有路基沉降并有水、砾石从裂缝中喷出，部分喷出物粒径可达6-10mm，而该地区产生的地裂缝中多存有大量积水。该地区地貌主要为山前冲积平原、冲积三角洲，地下水位较高，地震时表层土层为处于霜冻状态的淤泥质土。而钻探资料[2]表明，该区域桥梁下部产生位移主要土层是非粘性土，主要为水下沉积而成的砂砾、细砾、砾石，平均粒径2mm左右，最大粒径8mm左右。标贯结果显示其密实度为稍密。
通过上述宏观现象、工程地质条件、地形地貌、水文地质条件、钻孔资料等人研究成果可以认定，在1964年Alaska地震中确实发生砂砾土、砾性土体液化并诱发土体侧移及土工构筑物沉降。
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2.1983 Borah Peak地震
1983年10月28日美国爱达荷州Borah山区发生7.3（Ms）级地震。该次地震造成破坏严重，生累计约38公里的地裂缝，大量房屋设施损坏，多处发生土体滑坡、崩塌，同时伴有大量液化现象产生。根据Youd [4]调查指出，该次地震液化现象重要发生在Big Lost河流区域的山间谷地，该区域沉积物为第四季全新世冲积、坡积散粒体，地下水位普遍较高。土体液化的宏观现象中，观测到喷水孔直径可达75-100mm，喷水高度可达0.9m甚至更高，并在震后持续了一定时间。Andrus [5]指出含砾石沉积层液化在1983年Borah Peak地震中导致Big Lost河沿岸大量土体破坏同时选取了Big Lost河及Thousand Spring 山谷区域进行勘探调查。
（1）Pence Ranch
Pence Ranch区域位于Big Lost河下游阶地西南300m处，该区域农舍房屋附近发现地裂缝与喷砂点，部分喷砂点喷砂面积可达2.5m，该区域内喷出物全部为砾砂部分喷砂物中含卵石，最大粒径为2.5cm。Youd[4]、Andrus[5]等人分别在1984、1985年内对该区域进行勘探调查及原位实验。结果表明该区域地表上覆小于1m厚度淤泥质土，地下水位1.5m，液化层经原位试验判断为地下1.8-5m的松散砾性土层，级配如图所示。具体测试参数为：N60（SPT）平均击数7，锥尖阻力（CPT）为6.0Mpa，锥摩阻比1%，等效贝克（BPT）N60击数为5击，剪切波速为120m/s。
（2）Anderson Bar
其中Anderson Bar区域位于Big lost河与Parsens Greek 交汇口处。地震中该土石坝出现喷水冒砂现象，冒水孔直径达75-100mm，最大喷水高度约0.9m，且一直持续到震后。Andrus等人在1990年对该区域进行勘探调查及原位实验。结果表明该区域地下水位0.8m，坝下沉积为砂砾石及少量砂质淤泥土，其中砂砾石最大勘探颗粒粒径为100mm，原位密度为19.3KN/m3（0.5m）、18.5KN/m3（0.7m）。液化层经剪切波速与地质剖面判断为地下0.8m至3.2m深度范围内砾石层，其中剪切波速为110m/s。
通过上述宏观现象、工程地质条件、水文地质条件、原位测试结果可以确定，在1983年Borah Peak地震中确实发生砂砾土、砾性土体液化导致土工构筑物沉降。.
3.结论
通过对两个典型砾性土液化场地实例的资料进行分析，得到以下结论：
（1）根据以往有限的几次砾性土液化实例可以看出松散饱和砾性土层确实有发生液化的可能性，因此工程中不能一概的将含砾石土认为是非液化土，这种认识将使得工程偏于危险。
（2）由两次实例可以看出对于由水主导形成低地质地貌环境，如沼泽或冲洪积物存在的地层更容易发生砾性土液化。
参考文献：
[1] 曹振中，刘荟达，袁晓铭. 砾性土液化特性与机理[J]. 岩土工程学报，2016，38（7）：1165-1174.
[2] McCulloch D S，Bonilla M G，Effects of the earthquake of March 27，1964，on the Alaska Railroad[R]，Geological Survey professional paper 545-D，1970.
[3] Bartlett，Steven F，Youd，et al. Case histories of lateral spreads caused by the 1964 Alaska earthquake[J]. Terremotos，1992.
[4] Youd T L，Harp E L，Keefer D K，et al. The Borah Peak，Idaho Earthquake of October 28，1983—Liquefaction[J]. Earthquake Spectra，1985，2（1）：71-89.
[5] Andrus R D，In situ characterization of gravelly soils that liquefied in 1983 Borah Peak earthquake[D]，1994.
论文作者:张雷
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第26期
论文发表时间:2018/2/5
标签：震中论文; 砂砾论文; 区域论文; 砾石论文; 土层论文; 裂缝论文; 等人论文; 《建筑学研究前沿》2017年第26期论文;