某高層商住樓地基土液化判定及其處理措施

馮沛濤

(山西省運城市水利勘察院，山西運城044000)

現(xiàn)代強地震引起的沙土液化是很普遍的現(xiàn)象。如:1966年邢臺地震;1975年營口一海城地震;1976年唐山地震均引起大范圍的地下沙土液化。尤其是1976年7月28日河北省唐山地區(qū)發(fā)生的兩次災難性強地震，震后數(shù)分鐘大面積地區(qū)沙土液化，開始噴水冒沙達數(shù)小時，引起地表開裂與下沉，最終使建筑物成片倒塌。

砂土液化判別可分為兩類，一類是模擬液化機制建立起來的砂土液化預測方法，如:非線性有效應力法、概率法、等效線性法及彈塑性法等;另一類是基于砂土地震液化實測資料的經(jīng)驗法，如:規(guī)范法、靜力觸探法、剪切波速法及動力反應分析法等［1－4］。工程中常用后一種方法。

目前對液化地基處理措施一般有:

(1)加密法:利用外力作用對地基土進行震動或擠密，使地基土密度增大，消除液化，改善土的物理力學指標，提高地基土的承載能力，減少地基土的變形。

(2)樁基:樁端伸入液化深度以下穩(wěn)定土層中，液化對持力層不影響。

(3)圍封:用板樁把地基土液化范圍包圍起來，在發(fā)生震動時，包圍起來的土層不會發(fā)生液化。

(4)換填法:用非液化土替換全部液化土層。

本文結合工程實例，分析了該建筑物地基砂土液化的機理，利用規(guī)范法對液化地基土進行液化評判，確定液化等級，根據(jù)建筑物特點，通過比較、分析，給出消除液化土地基采用方法。

1 砂土地基液化機理

1.1 砂土地基液化機理［5］

松散的砂土受到震動時有變得更加緊密的趨勢。但飽和砂土的孔隙全部為水充填，因此這種趨于緊密的作用將導致孔隙水壓力驟然上升，而在地震過程中的短暫時間內，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，這就使原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的壓力(有效壓力)減小，當有效壓力完全消失時，砂層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變得象液體一樣的狀態(tài)，這就是通常所說的砂土液化現(xiàn)象。

如果發(fā)現(xiàn)地面噴水冒砂，同時上部建筑物發(fā)生巨大的沉陷或明顯的傾斜，某些埋藏于土中的構筑物上浮，地面有明顯變形;海邊、河邊等稍微傾斜的部位發(fā)生大規(guī)模的滑移;或在上述地段雖無流動性質的滑坡，但有明顯的側向移動跡象，并在岸坡后產(chǎn)生沿岸大裂縫或大量縱橫交錯的裂縫。發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象說明這些地點的砂土已經(jīng)發(fā)生了液化。

1.2 液化土層的判斷［1，5］

初判條件:飽和的砂土及粉土地震烈度6度時，一般情況下可不進行液化判別和地基處理，但對液化沉陷敏感的乙類建筑物可按7度的要求進行判別和處理;地質年代為第四紀晚更新世或其以前時，地震烈度7度、8度時可判為不液化土;粉土的粘粒含量百分率在地震烈度7度、8度、9度分別不小于10、13、16 時，可判為不液化土。

初判具有液化勢的地基土可采用下列原位測試的方法進一步進行液化判別。

(1)標準貫入試驗法。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》［1］(GB50011－2010)規(guī)定按下式進行:N63.5＜Ncr，式中N63.5為飽和土標準貫入錘擊實測值(未經(jīng)桿長修正)，Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值。原位標準貫入試驗的擊數(shù)可較好地反映砂土層的密度，再結合砂土層和地下水位的埋藏深度作某些必要的修正后，查表即可判定砂土液化的可能性。

(2)靜力觸探試驗法。實測值小于臨界值時可判為液化土。(臨界值采用《工程地質手冊》(第四版)中國建筑工業(yè)出版社有關公式求得。)

(3)剪切波速試驗法。實測值大于臨界值時可判為不液化土。(臨界值采用《工程地質手冊》(第四版)中國建筑工業(yè)出版社有關公式求得。)

另外還可通過相對密實度等辦法對砂土及粉土的的液化勢進行判別。

對于存在液化土層的地基，根據(jù)液化指數(shù)ILE按表1劃分液化等級。

表1 地基液化等級

2 工程實例［6］

2.1 工程水文、地質概況

山西省紡織研究所高層商住樓位于太原市長風街與平陽路交匯處山西省紡織研究所院內，擬建建筑地上28層，地下2層，基礎埋深約為7.5 m，預估基底壓力550 kPa，整平標高按假設高程100.50 m考慮，框架結構。勘察時間為2007年10—11月。

本次勘察深度范圍內，場地地基土主要為:第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q42ml)，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)，中更新統(tǒng)沖洪積層(Q2al+pl)。巖性以人工填土、粉土、粉質粘土、粉細砂、細中砂為主。

本次勘探深度范圍內，揭露場地地下水類型為潛水，勘察期間實測混合穩(wěn)定水位埋深介于2.35 m～2.63 m 之間，穩(wěn)定水位標高介于 97.84 m ～98.07 m(ZK5#)之間?？辈炱陂g為平水期，地下水位變化幅度約1 m。

據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011－2010)附錄A，太原市抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第一組。

2.2 地基土液化判別［1］

根據(jù)本次勘察揭露地層情況，場地水位以下，20 m范圍內存在飽和粉土，據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011－2010)規(guī)范第4.3.3條對地基土進行液化初判，該場地地基土存在液化可能，利用標準貫入試驗進一步判別，判別方法如下:

計算出液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr。

式中:N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，本區(qū)取值為10;ds為飽和土標準貫入點深度;dw為地下水位深度;ρc為粘粒含量百分率，當小于3或為砂土時按3考慮。

當實測標準貫入試驗錘擊數(shù)N＜Ncr時，判為液化土，否則為不液化土，對液化土計算其液化指數(shù)，公式如下:

式中:ILE為液化指數(shù);η為建筑重要性系數(shù)，一般建筑取1.0，重要建筑取1.1;Ni為i點的實測標準貫入錘擊數(shù);Ncri為i點的臨界標準貫入錘擊數(shù);n為在判別深度范圍內每個鉆孔標準貫入試驗點的總數(shù);di為i點所代表的土層厚度;Wi為i點土層厚度的層位影響權函數(shù)。

根據(jù)上述公式進行液化判別，判別結果見表2。

表2 液化判別結果表

根據(jù)表2結果，擬建場地在抗震設防烈度為8度時屬液化場地，綜合考慮液化等級為輕微。主要液化土層為第②層粉土、第④層粉土及其中的粉細砂。

2.3 影響砂土液化的因素［3］

在本工程中，影響液化的因素主要有:

(1)土顆粒大小及級配:顆粒愈細愈容易液化，平均粒徑在0.1 mm左右的抗液化性最差;不均勻系數(shù)愈小，土顆粒愈均勻，抗液化性愈差;地基土勘察實測值:主要液化土層粒徑平均值80%小于0.1 mm，不均勻系數(shù)小于5。

(2)土體密度:密度愈高液化可能性愈小，反之液化可能性愈大;主要液化土層的密度在1.7 g/m3，小于正常情況下的密度。

(3)滲透性:滲透性低的砂土愈容易液化。主要液化土層排水條件較差，土體中水不易排出，故該土層屬液化土層。

(4)地下水位:水位以下土層才能發(fā)生液化，主要液化土層均在地下水位以下。

2.4 抗液化措施［2］

2.4.1 液化地基處理原則及方法

液化土處理的原則是:

(1)當液化土范圍不廣或較淺時，可采取挖除換填或避開液化層;

(2)當液化土范圍較廣或較深時，宜采取工程加固措施。

本工程液化土層范圍廣、埋深大，因此需要采取工程加固措施。選擇加固措施時，要根據(jù)地基的液化等級，建筑類別，結合具體情況，按表3選擇適當?shù)目挂夯胧?。對于甲級建筑，由于其重要性大，最好不要在有液化土的場地來建?/p>

表3 抗液化措施的選擇原則

2.4.2 本工程采取方法

本工程是高層住宅，建筑物較重要，因此采取工程措施，徹底消除液化現(xiàn)象。結合前述原則及方法，采取鉆孔灌注樁對地基土進行處理，穿透液化土層，以第⑤層粉細砂層作為樁端持力層。

該工程建成距今已6年，運行情況良好，沉降穩(wěn)定。

3 結語

本文結合工程事例，分析了砂土振動液化的機理和影響液化的主要因素，并提出解決工程液化的一些措施。

雖然本文對工程的液化特性及工程措施做了一些探討，但由于地震液化機理及其影響因素的復雜性，也由于地震發(fā)生的頻繁性及其不可預測性，因此對液化特性的認識還遠遠不夠，仍然需要工程界不斷研究探討。

［1］中華人民共和國住建部.GB50011－2010.建筑抗震設計規(guī)范［M］.北京:中國建筑出版社，2010.

［2］中華人民共和國住建部.JGJ79－2012.建筑地基處理技術規(guī)范［M］.北京:中國建筑出版社，2012.

［3］［美］BRAJA M Das.吳世明顧堯章譯.土動力學原理［M］.杭州:浙江大學出版社，1984.

［4］周習軍，余永志，彭良余.花涼亭水庫壩基及壩殼砂土液化判別［J］.人民長江，2008，39(11):119-122.

［5］工程地質手冊編委會.工程地質手冊(第四版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［6］山西省第八地質工程勘察院.山西省紡織研究所高層商住樓巖土工程勘察報告［R］.運城:山西省第八地質工程勘察院，2007.