液化的微观和宏观因素
地基土的液化现象,实际上是饱和土体,在地震时受到震动,被水流带着运动,原来的固体变成像液体一样的流动的现象。
单个的固体颗粒,其长度、面积、体积和长度尺寸的关系分别为一次方、二次方、三次方的关系,固体在液体中,受到流动液体的冲击力,与固体颗粒的面积成正比,而固体颗粒的惯性(质量),与体积成正比,这样的结果很明显,相对越小的固体颗粒,受到的相对冲击力更大。很显而易见的结论是,土体颗粒的成分不同,在同等水流加速度的情况下,所受到的影响不同。
上面这一点其实在日常现象中,很明显,灰尘会随着风到处飘,而较大的砂石则不宜漂浮,PM2.5颗粒还能较长时间漂浮,形成雾霾的现象。气相、液相色谱仪等更是利用这样的结果进行化学组分的分析。
对于单一的颗粒在流动中的液体中的运动,这个可以有精确的解。但土体成分很复杂,且土体颗粒之间的摩擦力及粘聚力不同,结果也有很大的不同,但是这种趋势性的关联还是有的。
很奇怪的是,岩土中的有些理论认为液化与土体的颗粒成分有关,但没有一个液化判定的经验公式包含土体颗粒的成分,why?。而土体之间的粘聚力,倒是有粘粒成分的修正,也还算可以说得过去。
地震什么时间、什么地点发生,真的不可预测,或许地震后调查的资料不完整,还是人们没有认识到?
从微观上讲,土体的颗粒的成分,土体颗粒之间的摩擦力、粘聚力、上覆土的压力等,都和液化现象相关。虽然有很多种液化的判定方法,但有明前的缺项,总是令人不可理解。
再说说地震的宏观因素,地震总是发生在深层,离地面几公里到几十公里的地壳层,最原始的波动是纵波(质点震动方向与传播方向一致)和横波(质点震动方向与传播方向垂直),对于这两种波不同的学科可能称谓不一样,但数学原理是一样的,纵波比横波的速度快。地壳层以上的土层,越往上土层的压力越小,土体越疏松,波速越慢。
波的传播服从菲涅耳远离,并且波在不同的介质中,会发生反射和折射现象,由传播速度慢的介质到传播速度快的介质中,更容易发生反射,而地层天然是地表层土体压力小,表层传播速度慢,这样造成的结果是地震波多次在地表层反射,地震波沿着地表层传播,这种波集中了重要的地震能量,是对建筑物破坏最大的。
一次地震,地震的能量扩散通过三种波传播,最快的是纵波,其次是深层地层中传播的横波,最后是地表传播的横波,对建筑物造成破坏最大的也是最后一种波动。
对于波的传播、反射、折射等现象,如果是规则的介质和界面,其他学科研究的很清楚了,地层的介质和交界面,往往是不规则的,且地震源也不知道在哪,所以要精确计算是不可能的,但从整体的规则推断出一些相关的结论来,道理还是很清晰的。
同样的振幅和频率,传播慢的地区,意味着波长较短,相对变形就大,而波速快的地区,正好相反。同一地区,波速慢的地方在地震时,受到的影响较大。
除了上面的因素,还应该注意到波的反射现象,如果一个波速慢的地区(土质较软),正好遇到波速较快的地区(土质较硬),波在传播的过程中,会产生反射现象,反射波和入射波叠加,更进一步加重地震的影响。
如果土质较软的地区正好夹在土质就较硬的区域中间,地震波就会在这个区域来回反射叠加,就更加重了地震的影响。
再极端一些,如果软弱地质夹心区受到波的来回震动,形成地质共振现象,那就更严重了,只好认倒霉了。
砾砂和卵石,都是密度及承载力较好的地基,按说不容易液化,但这样的地质如果夹在山体之间呢,山体的强度及波速更快,也会形成地震波在山体地层间来回反射,地震的能量局部聚集,如果形成共振,那一定会出现液化。
其实液化的判定,是从宏观所在地质条件与微观地质条件的综合判断。地震波在地表土层传播的速度为百米到几百米,频率为几次,波长大约也相当于几十米到几百米。从宏观的地质来看,夹在硬层之间的软弱地质区域,更容易集中地震能量,地震液化现象会更明显,原古河流沉积形成的地区,就比较符合这样的特点,夹在山体中间的砾砂及卵石层,也容易使得地震能量局部聚集。
同样的震级、同样的烈度、同样的地质条件,周围的环境不同,地震所承受的破坏能量可能相差很大。