飽和砂土地震液化機(jī)理分析及地基處理的應(yīng)用

趙 洪，伊麗娟

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003；2.大興安嶺職業(yè)學(xué)院， 黑龍江加格達(dá)奇 165000）

飽和砂土地震液化機(jī)理分析及地基處理的應(yīng)用

趙 洪1，伊麗娟2

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003；2.大興安嶺職業(yè)學(xué)院， 黑龍江加格達(dá)奇 165000）

飽和砂土在地震荷載作用下極易發(fā)生液化,對(duì)工程建筑造成危害。本文探討了地震力作用下飽和砂土的液化機(jī)理。通過實(shí)例說明CFG樁和碎石樁共用具有明顯的抗液化效果，并提出CFG樁和碎石樁抗液化，需進(jìn)一步研究的問題。

地震；砂土液化機(jī)理；地基處理；碎石樁

0 引言

地震是最常見的地質(zhì)災(zāi)害，它除了本身的破壞性以外，還可以引發(fā)許多次生災(zāi)害，砂土液化就是其一。砂土液化給建筑工程產(chǎn)生了很大的破壞作用，必須加以重視，并減輕砂土液化的危害。如1964年日本新瀉(Niigata)發(fā)生的7.6級(jí)地震，由于靠近河岸大面積砂土地基發(fā)生液化，大量建筑物遭到破壞，坍毀房屋2130棟，嚴(yán)重?fù)p壞6200棟，輕度損壞31200棟；1966年我國邢臺(tái)發(fā)生的6. 7級(jí)地震，沿著滏陽河及支流兩岸，在南北長約60km，東西寬約10～20km的地區(qū)內(nèi)，發(fā)生砂土液化，引起的噴砂冒水造成了大量的堤防坍滑，河道、建筑物破壞[1]；1976年我國唐山發(fā)生的7.8級(jí)強(qiáng)地震，震后數(shù)分鐘地表開始大面積砂土液化，噴水、冒砂達(dá)數(shù)小時(shí)，引起地表開裂與下沉，并最終使建筑物成片裂塌。我國是一個(gè)多地震的國家，在以往的多次強(qiáng)烈地震中，由于砂土液化造成的各種損害相當(dāng)嚴(yán)重。

1 砂土液化的機(jī)理

飽和砂土是砂和水的復(fù)合體系。飽和砂土在地震荷載作用下會(huì)發(fā)生液化，其原因在于：一是地基的密實(shí)度不足，在動(dòng)荷載作用下孔隙水壓力上升，土體的有效應(yīng)力降低，顆粒處于懸浮狀態(tài)，使地基承載力不足，變形增大;二是在地震荷載作用下產(chǎn)生的孔隙水壓力不能及時(shí)消散，造成地基的噴砂冒水或砂土由原來的固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的流動(dòng)狀態(tài)。

砂土是一種散體物質(zhì)，它主要依靠顆粒之間的摩擦力承受外力和維持本身的穩(wěn)定;而這種摩擦力主要取決于顆粒之間的法向應(yīng)力：

水是一種液體，它能承受極大的法向應(yīng)力，但不能承受剪應(yīng)力，且體積難于壓縮。

在地震力作用下，疏松的飽和砂土在剪應(yīng)力的反復(fù)作用下，砂粒間相互位置產(chǎn)生調(diào)整，使砂土趨于密實(shí)，以期最終達(dá)到最穩(wěn)定的緊密排列狀態(tài)。砂土要變密實(shí)就勢(shì)必排水。在急劇的周期性荷載作用下，所伴隨的孔隙度減小都要求排擠出一些水，且透水性變差。在砂土透水性不良而排水不通暢的情況下，則前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度減小又產(chǎn)生了，由于孔隙水來不及排出(相當(dāng)于不排水條件)，而水又是不可壓縮的，于是就產(chǎn)生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力。此時(shí)砂土的抗剪強(qiáng)度為：

顯而易見，隨振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的增長，剩余孔隙水壓力不斷增大，砂土的抗剪強(qiáng)度不斷降低，甚至完全喪失，呈現(xiàn)為稀砂(泥)漿狀態(tài)。飽和砂土振動(dòng)液化后，隨著孔隙水的逐漸排出，孔壓逐漸消散，土粒逐漸沉降堆積，重新排列成較為密實(shí)的狀態(tài)。（如圖1所示）

圖1 液化過程示意

從初始液化狀態(tài)至完全液化狀態(tài)往往發(fā)展很快，二者界線不易判別。為了保證安全，可把初始液化視作液化。

圖2 水平土層中土單元的應(yīng)力狀態(tài)

2 砂土液化的主要影響因素

在地震力的作用下，砂土是否會(huì)發(fā)生液化以及液化的危害程度，主要與砂土本身的物理性質(zhì)、埋藏條件及地震等因素有關(guān)。

（1）對(duì)砂土液化有影響的土的物理力學(xué)性質(zhì)主要包括砂土顆粒的大小、密實(shí)度、不均勻系數(shù)等，一般來說，砂土顆粒越大，發(fā)生液化的可能性就越低，顆粒越小，發(fā)生液化的可能性就越高，顆粒較大，孔隙水容易排出，所以粗砂以上的砂土發(fā)生液化的概率很低；密實(shí)度是影響穩(wěn)定性的根本因素，密實(shí)度越高，發(fā)生液化的可能性就越小，反之則越大，砂土密實(shí)度大小的直接表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的多少，同一種砂土，密實(shí)度越高，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)則越大，發(fā)生液化的可能性越小，危害也越小；不均勻系數(shù)越大，密實(shí)度一般就越高，發(fā)生液化的概率就越小。

（2）砂土的埋藏條件對(duì)液化也有很大影響，一般來說，砂土層越厚，發(fā)生液化的可能性就越大，危害也越大；砂土上方覆蓋非液化土層越厚，砂土所受到自重壓力就越大，孔隙水壓力上升到足以克服自重壓力的程度就越困難，因而抑制了液化甚至是防止了液化的發(fā)生。

（3）地震對(duì)砂土液化的影響：主要是指波形、振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間以及作用方向等，地震的振幅越大，持續(xù)時(shí)間越長，砂土液化的可能性及危害就越大。砂土對(duì)液化的抵抗能力在沖擊波作用時(shí)最大，振動(dòng)行波作用時(shí)次之，正弦波作用時(shí)最小。

3 砂土液化處理及工程實(shí)例

3.1 砂土液化處理

通常情況應(yīng)避免未加固處理的可液化土層作天然地基的持力層。根據(jù)地基的液化等級(jí)、建筑類別、結(jié)合具體情況，選擇適當(dāng)?shù)目挂夯胧?/p>

(1)對(duì)于抗震設(shè)防為乙類的建筑，液化等級(jí)為嚴(yán)重的，應(yīng)采取全部消除液化沉陷的措施，措施有：采用樁基、深基礎(chǔ)、深層處理至液化深度下界或挖除全部可液化土層。

(2)對(duì)于建筑物抗震設(shè)防類別為乙類，地基液化等級(jí)為輕微的，應(yīng)采用部分消除液化沉陷或?qū)A(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，措施有：挖除部分可液化土層、加固、固封、蓋重或人工加密。加密的目的為增加砂土的密實(shí)度;例如：振沖加密;擠密砂樁；

（3）對(duì)于建筑物抗震設(shè)防類別為乙類的、液化等級(jí)為中等的建筑物，建筑抗震設(shè)防類別為丙類、液化等級(jí)為嚴(yán)重的，可以采用全部消除液化措施也可采用部分消除液化措施或?qū)A(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理。

3.2 工程實(shí)例

某辦公大樓擬建地下一層，地上12層，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深位于地面下4.0m，位于8度地震區(qū)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告知，地下水位在地面下1.4m，在地面以下6.9～9.5m范圍內(nèi)存在可液化粉砂層，因此必須對(duì)其進(jìn)行處理。

根據(jù)相鄰建筑的處理及土層的實(shí)際情況，結(jié)合本地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，通過地基處理方案分析比較，本工程采用碎石樁的復(fù)合地基來消除砂土液化并提高承載力。根據(jù)公式（4）進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，求出最小面積置換率，代入公式（5）設(shè)計(jì)單樁承載力，樁長和樁徑。

m—面積置換率;

經(jīng)振動(dòng)沉管碎石樁處理后，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)，得出粉砂的液化已經(jīng)消除，復(fù)合地基承載力≥340kPa，滿足承載力要求。顯然，碎石樁在施工過程中的振動(dòng)、擠壓作用，對(duì)樁間土起到一定的密實(shí)作用，提高了它的承載力和剛度；提高了土體抗剪強(qiáng)度，地基土的液化現(xiàn)象均已消除。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析及工程實(shí)例，可以得到如下結(jié)論：

(1)地震力作用下，飽和砂土發(fā)生液化的過程，實(shí)際上是土體抗剪強(qiáng)度消失的過程。在這個(gè)過程中，超靜孔隙水壓力隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸上升，使土顆粒之間的有效應(yīng)力減小，最終使土粒處于局部或全部懸浮狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度局部或全部喪失，砂土即出現(xiàn)不同程度的變形或全部液化。

(2)碎石樁復(fù)合地基，在施工過程中的振動(dòng)、擠壓作用，對(duì)樁間土起到一定的密實(shí)作用，提高了它的承載力和剛度;提高了土體抗剪強(qiáng)度，增加了土體的抗滑能力，處理后的場(chǎng)區(qū)地基解決了飽和砂土液化問題。

(3)與傳統(tǒng)樁基相比，節(jié)約了工程造價(jià)。

[1]金 萍,師旭超.砂土液化防治綜述[J].銅業(yè)工程, 2006. 23(2): 50～53.

[2]賈 銳.強(qiáng)夯法在高震區(qū)飽和砂土液化地基處理中的應(yīng)用. 巖土工程.

[3]張春梅,馮玉芹,王應(yīng)浩.砂土地震液化危害及地基處理研究.世界地震工程，2007，23（3）.

[4]楊恒華.地基土液化機(jī)理分析及液化判別方法評(píng)述.廣西水利水電 測(cè)量與地質(zhì)，1998，（4）.

[5]趙 洪,侯克鵬,伊麗娟.強(qiáng)夯法在膠壩工程可液化地基處理中的應(yīng)用.云南冶金，2007，1.

[6]劉紅軍,楊東海.飽和砂土地震液化危害及液化機(jī)理分析.森林工程，2005，4.

Earthquake Liquefaction Mechanism of Saturated Sand and Application of Foundation Treatment

ZHAO Hong1, YI Lijuan2

（1.Shanxi Datong University，Datong 037003；2. Daxing’anling Vocational College，Jiagedaqi，165000）

The saturated sand can be easily lique fi ed by earthquake, which will lead to severe damage to constructions. The article discusses the liquefaction mechanism of saturated sand caused by earthquake, which will provide reliable theoretical basis for the control of sand liquefaction. The engineering cases demonstrate that CFG pile and crushed stone pile can achieve good effect to prevent the liquefaction. Finally, in the paper, some questions about CFG pile and crushed stone pile being studied further are put forward.

Earthquakes; liquefaction mechanism of saturated sand; Foundation treatment; Crushed stone pile

P642.2

A

1007-1903（2013）03-0058-03

趙 洪(1979- )，男，,碩士，研究方向：巖土工程。