地基土液化機(jī)理和抗液化措施

□ 付海水 □ 鄒榮福 □ 任云峰

（1河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司 2信陽(yáng)市羅山縣石山口水庫(kù)灌區(qū)管理局）

0 引言

關(guān)于土體液化問(wèn)題，前人馬期洛夫，黃文熙，Seed等曾有過(guò)重要論述，美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)巖土工程分會(huì)，土動(dòng)力學(xué)委員會(huì)正式定義液化為:將任何物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐夯瘧B(tài)的作用或過(guò)程在無(wú)粘性土，這種轉(zhuǎn)變是因孔隙水壓增加和有效應(yīng)力減少所導(dǎo)致的從固態(tài)至液態(tài)的變化。為對(duì)其有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，作者對(duì)土液化機(jī)理進(jìn)行了梳理，并分析了影響液化的多種因素，針對(duì)液化機(jī)理及影響因素，提出了有針對(duì)性的處理措施。

1 土液化機(jī)理

1.1 松砂的液化

飽和松砂土由砂顆粒與孔隙水組成，砂顆粒在靜力長(zhǎng)期作用下處于一種骨架狀態(tài)，承受著外部荷載。當(dāng)土中不存在凝聚力時(shí)，砂的抗剪強(qiáng)度為，式中為有效應(yīng)力。當(dāng)土體比較松散時(shí)，受到振動(dòng)后，土的骨架必然相互靠緊產(chǎn)生變形，當(dāng)砂土飽和而孔隙水又不能排出時(shí)，部分圍壓即轉(zhuǎn)嫁于孔隙水，從而產(chǎn)生孔隙水壓力，這時(shí)土體承受的有效應(yīng)力降低，所以砂土的抗剪強(qiáng)度隨之下降。當(dāng)圍壓全部轉(zhuǎn)嫁于孔隙水之后，即孔隙水壓力等于圍壓，土體抗剪強(qiáng)度為0。這時(shí)砂土剪切剛度G為0，不能承受任何剪應(yīng)力，在無(wú)封閉時(shí)砂與水的混合物會(huì)流動(dòng)，與液體性能相同，所以稱為液化。其宏觀現(xiàn)象為“冒水，噴砂或流滑”。

上述現(xiàn)象一定要在不排水情況下才能發(fā)生。當(dāng)可排水時(shí)，在振動(dòng)過(guò)程中土骨架加密，部分原來(lái)由骨架承受的外力向孔隙水轉(zhuǎn)嫁，立即產(chǎn)生水的滲透流動(dòng)，壓力加不到水上去，所以只能產(chǎn)生土骨架壓密，孔隙水流動(dòng)，土體積減小而不產(chǎn)生液化現(xiàn)象。

1.2 少粘土的液化

受振動(dòng)的少粘性土在不排水條件下，土體承受的總壓力逐步為孔隙水所代替。由于粘性顆粒的存在，少粘性土透水性小于砂類土?xí)雇馏w某些局部形成的較高孔隙水壓不能立即傳遞到附近孔隙水壓低的地方，而致該處孔隙水壓升高到等于圍壓，所以即使某一點(diǎn)的有效應(yīng)力完全喪失，但作為土體整個(gè)截面還有一些局部仍處于部分液化狀態(tài)，土體的抗剪強(qiáng)度并未完全喪失，變形不致無(wú)限增長(zhǎng)；另一方面，由于粘性顆粒的存在，土體具有一定的凝聚力（c），此凝聚力在振動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)有所降低，但不完全喪失。由靜力學(xué)抗剪強(qiáng)度理論可知:少粘性土的抗剪強(qiáng)度，式中右力第一項(xiàng)代表那些有效應(yīng)力尚未完全消失的部分，第二項(xiàng)c代表振動(dòng)后仍然保留的那部分凝聚力。因此最后的現(xiàn)象是，粘性土在振動(dòng)作用下，可能在某一時(shí)段內(nèi)并未完全在土體內(nèi)消失，凝聚力不為0，所以土抗剪力并不完全消失，變形不會(huì)無(wú)限加大，因此上述砂土液化的定義不能照搬，而采用按照變形定義的液化，其宏觀現(xiàn)象“地基土變形加大或失穩(wěn)”。

1.3 密砂的液化——循環(huán)流動(dòng)液化

對(duì)中密或密實(shí)的飽和砂土進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，在初始階段，情況與松砂相似，孔隙水壓逐步拉高而達(dá)到很大，變形也逐步加大；但是當(dāng)振動(dòng)繼續(xù)時(shí)，孔隙水壓波動(dòng)狀態(tài)變化，上升峰點(diǎn)可以達(dá)到極大值，即達(dá)到圍壓，但由于密砂在振動(dòng)時(shí)有變松的趨勢(shì)，即產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，又使孔隙水壓下降，從而阻止變形進(jìn)一步加大；砂土愈密則此現(xiàn)象愈明顯，土體的變形也愈小。

從宏觀來(lái)看，可以認(rèn)為這是由于在循環(huán)作用中的剪縮與剪脹交替變化引起的，從而形成了間歇性瞬態(tài)液化和有限度斷續(xù)變形的格局，對(duì)于只有剪縮而無(wú)剪脹的飽和松砂，則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

循環(huán)液化的后果是變形的逐次累積，當(dāng)變形累積到一定容許變形量后，則被評(píng)為破壞。在實(shí)際地震中很少能發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象發(fā)生是因?yàn)椋捎谏巴撩軐?shí)性的不均一性，在一次強(qiáng)震中，由于密砂的剪脹效應(yīng)使得與之相臨的松砂得以擠密或使其液化程度得以減輕，當(dāng)下一次強(qiáng)震來(lái)臨時(shí)，原來(lái)密砂液化，而原來(lái)液化砂因擠密而不液化。

2 液化影響因素

砂土液化的影響因素很多，歸納起來(lái)有3大類。

2.1 動(dòng)荷載條件

主要有地震動(dòng)強(qiáng)度、頻譜特征、持續(xù)時(shí)間和方向等。

2.2 埋藏條件

上覆蓋層特征、地形、沉積環(huán)境、液化歷史、初始應(yīng)力（自重、構(gòu)造應(yīng)力、溫度應(yīng)力、孔隙水壓力、）和地下水等。

2.3 土性條件

土的粒徑大?。╠50）、顆粒級(jí)配（Cu）、土粒形狀、相對(duì)密度、飽和度、滲透性、土粒結(jié)構(gòu)性、固結(jié)史等。

3 抗液化措施

3.1 避讓

在選擇建筑場(chǎng)地時(shí)，如果有可能，盡量不要把建筑物放在易發(fā)生液化的地段，即地下水位高、飽和砂層埋藏深度淺、相對(duì)密度低、顆粒級(jí)配差、覆蓋層薄等地段。

3.2 換填

如果可能液化的范圍不大時(shí)，可用挖除換填法，即將可能液化的土層挖除并用非液化土置換。若液化土層較深時(shí)，可考慮部分挖除。

3.3 疏干、降排水

采取防滲、排滲、反濾及加反濾蓋重等方法，以達(dá)到降低地下水位，利于孔隙水的排出和防止土顆粒流失等作用，可有效防止砂沸的發(fā)生。

3.4 壓重

通過(guò)增加上覆蓋層厚度來(lái)提高圍壓，使土不易液化。這種方法較簡(jiǎn)便，但要注意兩點(diǎn)，一是它雖然可能增加土顆粒間的有效壓應(yīng)力，但仍存在發(fā)生液化的可能性；二是壓重若設(shè)計(jì)不當(dāng)，而使初始剪應(yīng)力比增大則將更易被觸發(fā)液化。

3.5 加固

如果可能液化的范圍較廣較深時(shí)，只能采取加固的措施。目前常用的加固方法有深層壓密:振動(dòng)擠密，爆破，振動(dòng)置換砂石樁，強(qiáng)夯等；注液與灌漿:壓實(shí)灌漿，化學(xué)灌漿，電動(dòng)注液，噴射灌漿和深層攪拌等。

3.6 樁基

采用樁身穿過(guò)液化土層，打入可靠的非液化土層，以起支撐、圍封等作用。對(duì)于抗液化的具體方法很多，但大多不是單獨(dú)采用的，根據(jù)需要采用兩種或多種方法聯(lián)合使用，則能起到事半功倍的效果，如壓重與圍封聯(lián)合使用處理砂沸效果更好，壓重與降排水聯(lián)合使用，加固和降排水聯(lián)合使用等都取得了較好效果。

4 結(jié)語(yǔ)

飽和無(wú)粘性土液化本質(zhì)是因孔隙水壓增加和有效應(yīng)力減少所導(dǎo)致的從固態(tài)至液態(tài)的變化；粘性土在振動(dòng)作用下，可能在某一時(shí)段內(nèi)并未完全在土體內(nèi)消失，凝聚力不為0，所以土抗剪力并不完全消失，變形不會(huì)無(wú)限加大，因此采用按照變形定義的液化；密實(shí)砂的液化屬循環(huán)流動(dòng)液化，是指瞬態(tài)和重復(fù)的液化狀態(tài)，其后果是變形的累積；抗液化措施應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地土特性和主要影響因素而采取對(duì)應(yīng)措施，除了防止噴砂、冒水須用滲流控制方法以外，最基本和有效的工程措施是土體加密和固化，以及排水和疏干；少粘性的液化危害是地基土的失穩(wěn)和變形增大，故對(duì)少粘性土液化的處理措施主要是提高地震時(shí)地基土抗剪強(qiáng)度和控制變形量，最基本和有效的工程措施是土體加密和固化。