談地基土液化的成因及防治措施

成曉萍

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西太原 030013)

1 土層液化機理、表象、原因

作用機理:地基土層的液化，一般發(fā)生于飽和的砂土或粉土。當(dāng)這種土在受到振動時，內(nèi)部的孔隙水壓力在極短的時間內(nèi)快速上升，同時土中的有效應(yīng)力也隨之減小，導(dǎo)致地基土的抗剪強度迅速降低。當(dāng)這種振動到達一定程度的時候，土壤中的有效應(yīng)力會完全消失，土中顆粒形成懸浮狀態(tài)，土壤的抗剪強度為零，土變成了如“液體”般的可流動的水土混合物。我們把這種現(xiàn)象稱為液化。

土層液化的表現(xiàn)形式:從地表表面開裂、噴砂、冒水，造成山體滑坡和地基失效，導(dǎo)致樓房倒塌、傾斜、開裂。

引起土的液化的原因有很多種，其中地震作用尤為顯著。追溯歷史，發(fā)生在美國舊金山的1906年大地震，日本關(guān)東的1923年的大地震，日本新澤瀉的1964年的大地震，以及我國邢臺，唐山的1966年和1976年的地震等等，不難看出:多數(shù)由地震引發(fā)的危害是來自于砂性土層或飽和的含粘粉土的液化。這些災(zāi)難性破壞，引起了廣大的國內(nèi)外工程設(shè)計研究人員的關(guān)注，使人們開始了對于飽和砂土，粉土液化問題進行更深一步的研究與探討。

2 液化判別的方法

在對飽和砂土、含粘粉土液化的研究工作中，除了對地震現(xiàn)場進行仔細(xì)的勘查研究外，工作人員還在實驗室做了大量的研究工作。迄今為止，我國現(xiàn)行規(guī)范對于砂土及粉土的液化判別公式有好多種，判別的指標(biāo)分別有:標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)試驗法、靜力觸探值試驗法和剪切波速的測試試驗等等。

2.1 砂土液化的判別方法

砂土之所以發(fā)生液化，是因為它結(jié)構(gòu)松散、滲透性低，以及受到高強度和持續(xù)的長時間的振動?？蒲腥藛T在進行了大量的工程勘察和科研試驗研究后發(fā)現(xiàn)，在地震烈度低于7度的地區(qū)，可以不考慮土壤液化問題。而對于已初判為有可能發(fā)生液化的砂土層須再作進一步的判別。方法主要有:1)根據(jù)巖土規(guī)范的靜力觸探法，采用的是錐尖阻力基準(zhǔn)值及其判別式。2)抗震規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)貫入法，采用的是標(biāo)準(zhǔn)貫入基數(shù)基準(zhǔn)值及其判別式。

由于兩種方法在判別過程中所考慮的因素不同，導(dǎo)致了判別結(jié)果的不同。

研究結(jié)果表明，對于不同的抗震烈度，兩種規(guī)范所對應(yīng)的各自的基準(zhǔn)值不同，但也有一定的關(guān)系，即標(biāo)準(zhǔn)貫入基數(shù)N是錐尖阻力q(MPa)的2倍。即在一定程度上，若標(biāo)貫基數(shù)N比較合理，則錐尖阻力q(MPa)是非常保守的。在進行了大量的工程實踐后，對兩種規(guī)范進行了回歸，提出了以標(biāo)準(zhǔn)貫入液化判別式為基礎(chǔ)的靜力觸探液化判別及判別式，對于一般的工業(yè)民用建筑，在進行砂土液化判別時是可行的，免去了再標(biāo)貫的進一步判別的過程，進一步提高了工作效率。

2.2 粘性粉土液化可能性判別方法

隨著研究的深入，工程研究人員發(fā)現(xiàn)，土壤容易發(fā)生液化的粉土類，取決于其內(nèi)所含的粘粒含量及其粒徑的大小(粒徑為小于0.005 mm的粘粒顆粒)。研究表明，在7度，8度和9度時這類粘粒在分別不小于10，13和16的情況下時可判別為不液化。

粉土的液化可分為兩種判別方法:1)以地震破壞的經(jīng)驗和調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的實證判別法:標(biāo)準(zhǔn)貫入實驗法、剪切波速法及靜力觸探法，標(biāo)貫法相對應(yīng)用的多些。2)室內(nèi)液化實驗研究:因為在實驗室內(nèi)試驗的許多因素比較易于控制，所以在研究液化的因素及液化機理等問題時是比較方便的。

3 影響地基土的液化的主要因素

1)地質(zhì)因素對液化的影響:可能導(dǎo)致粉土液化的地貌單元，通常位于沖積平原、沖積海積平原和海積平原。其中在古河道，河灘，湖泊，沼澤，洼地等微地貌單元，一般在地震時最容易發(fā)生液化。對于地質(zhì)年代一般為第四紀(jì)全新世(Q4)，特別是Q4的新近沉積的飽和粉土容易液化。

2)土層的分布狀況對液化的影響:可液化土上覆蓋的粘土若較厚，有較低的水位，則導(dǎo)致液化的可能性較小。

3)土壤的特性對其液化的影響:粘粒含量(即粒徑小于0.005 mm)的顆粒所占重量的百分比是影響粉土液化的最重要顆粒特性指標(biāo)。隨著粉土的粘粒含量的百分比的增加，粉土的液化趨勢將會發(fā)生改變，當(dāng)這個百分比Pc＜16%時，粉土抗液化性能為拋物線狀，抗液化性能最低點時該百分比Pc=9%;而當(dāng)該百分比Pc＞16%時，粉土的抗液化能力則提高得很快。

4)粉土的相對密度對液化的影響:粉土的相對密度的大小，對于粉土是否能液化，有著很大的關(guān)系。研究表明，相對密度增加，液化的可能性將會減小。研究人員還在大量細(xì)致地研究了唐山的地震資料后得出:引起地基土的液化的地震分析有兩種表達方法:即:a.隨著地震烈度的增加，可液化粉土的粘粒含量也將隨之增加。b.地面的水平最大加速度amax，因為用唐山地震資料檢驗規(guī)范中液化判別式時發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N不是常量，而是與a為加速度有關(guān)的一個變量。

總之，影響粉土的液化基本因素由以下幾部分組成:

1)地震烈度;2)地下水位深度;3)粉土中粘粒的含量;4)土層的埋藏條件;5)地質(zhì)年代;6)粉土的相對密度或干重度;7)固結(jié)壓力;8)動應(yīng)力及其動應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。上述內(nèi)容中后兩項在研究粉土的液化時考慮的較少。

4 液化地基的抗震措施及處理方法

由于地基液化的危害主要來自于震陷，最嚴(yán)重的危害來自于不均勻震陷。消除地基土液化震陷和減輕其液化影響的措施是通過歷年來對震害的調(diào)查與分析判斷的基礎(chǔ)上總結(jié)得來的。在工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)其重要性、地基土的液化等級等具體情況，選擇較為合理經(jīng)濟的抗液化措施。具體方法劃分為3種:全部消除液化、部分消除液化以及不采取措施等方法。

1)全部消除地基土的液化措施。此類措施中，所采用的基礎(chǔ)形式是關(guān)鍵之一。

a.當(dāng)采用樁基，若持力層范圍內(nèi)有較厚的液化土層時，樁基的樁底端須伸入液化深度以下相對穩(wěn)定的土層中，其長度應(yīng)根據(jù)規(guī)范計算及相應(yīng)構(gòu)造要求確定，對于不同種類的土層，伸入長度各不相同，對于碎石土、砂礫、粗砂、粉土及密實粘性土不應(yīng)小于800 mm，對于其他非巖石土則不應(yīng)小于1.5 m。

b.當(dāng)采用深基礎(chǔ)時，需將基底伸入液化土層之下，且基底埋入穩(wěn)定土層中的深度不得小于500 mm。

c.當(dāng)基底下的可液化土層比較薄時，可采用先局部降水，然后全部挖除液化土層，并分層碾壓夯實回填砂石、礫碎石、礦渣等材料。

d.當(dāng)采用加密法時，如振沖加固或擠密碎石樁加固法，由于場地地基構(gòu)成了復(fù)合地基，工程經(jīng)驗表明，根據(jù)樁的面積置換率和樁土應(yīng)力比可以適當(dāng)降低復(fù)合地基樁間土液化判別的臨界標(biāo)貫值的經(jīng)驗方法，即規(guī)范所述:對可液化地基進行加固處理時，應(yīng)將可液化土層處理至液化深度的下界，且處理后的樁間土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實測值不宜大于相應(yīng)的臨界值。

2)部分消除地基土液化的措施:此類措施中，首先處理深度是關(guān)鍵因素。在液化土層較厚的情況下，液化處理深度不一定達到液化下界，即允許處理深度下仍有殘留部分的未經(jīng)處理的液化土層。即處理后的基礎(chǔ)液化等級為輕微;其次基礎(chǔ)形式也是至關(guān)重要的。經(jīng)驗表明，建筑物基底下外側(cè)的地方最容易發(fā)生液化，而中部以下是最不容易液化的。因此對大面積箱形基礎(chǔ)，筏形基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)底部中間區(qū)域的抗液化措施是可以適當(dāng)放寬要求的。因此，整體性好，剛度大的箱形、筏形基礎(chǔ)等，對地基的抗液化是十分有利的。具體做法:

a.在對液化地基進行處理時，處理深度應(yīng)控制在使處理后的液化指數(shù)不大于5的范圍內(nèi)。對于不同類型的基礎(chǔ)，指數(shù)各不相同。規(guī)范中已有闡述。

b.基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)的處理。

理論與實踐經(jīng)驗表明:基礎(chǔ)埋置深度、基礎(chǔ)的底面尺寸以及基礎(chǔ)的偏心大小、位置等等，對液化的影響不可忽視。因此，在設(shè)計中應(yīng)對上述內(nèi)容進行認(rèn)真細(xì)致的調(diào)整與選取。選擇整體性和剛度大的基礎(chǔ)形式，如十字交叉條形基礎(chǔ)、筏板或箱形等等。而對于上部結(jié)構(gòu)，則可采用輕質(zhì)材料減輕上部結(jié)構(gòu)的荷載，以減少地震力，并合理地布置上部結(jié)構(gòu)，在滿足建筑功能的情況下，使其整體性、均勻性、對稱性盡可能趨于合理化;同時，根據(jù)建筑物的平面，設(shè)置合理的沉降縫等，以避免采用對不均勻沉陷敏感的結(jié)構(gòu)形式;對特殊部位，如管道穿越建筑物處，應(yīng)采取預(yù)留尺寸或用柔性接頭等方式進行特殊處理。

c.增加上部非液化土層厚度，合理改善周邊的排水條件等，例如，在填方地區(qū)，由于增加填土厚度，則有可能使液化的情況改善。

d.采用強夯法。合理選擇單位面積夯擊能，單點夯擊點數(shù)，單點夯沉量，能有效的提高地基的承載力并有效消除飽和砂土的液化。

3)建筑物為丁類時，當(dāng)?shù)鼗鶠檩p微或中等液化時，可以將未經(jīng)處理的液化土層作為該建筑基礎(chǔ)的持力層;當(dāng)?shù)鼗鶠閲?yán)重液化時，應(yīng)對基礎(chǔ)或其上部的結(jié)構(gòu)進行加強處理，也可采用其他更經(jīng)濟更合理的措施來達到更加理想的效果。

［1］張崇文，趙劍明，畢政根.粉土地基液化分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報，1997(7)：56-57.

［2］郭繼武.建筑抗震設(shè)計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］華南理工大學(xué).地基及基礎(chǔ)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990.