飽和砂土地震液化機(jī)理分析及地基處理的應(yīng)用

□李萬寧 □趙 洪

（1河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院；2山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院）

1 砂土地震液化的機(jī)理

飽和砂土在地震力的作用下會(huì)發(fā)生地震液化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)“涌水冒砂”的現(xiàn)象，造成建筑物的劇烈沉降，導(dǎo)致地基失穩(wěn)。但是對(duì)于液化機(jī)理的研究，現(xiàn)在有兩種不同的看法。

第一種看法認(rèn)為，飽和砂土是否會(huì)發(fā)生液化是由砂土的法向有效應(yīng)力狀態(tài)決定的，對(duì)于砂土和水的飽和復(fù)合體系，如果地震荷載能夠使飽和砂土的法向有效應(yīng)力為零時(shí)，就會(huì)發(fā)生地震液化現(xiàn)象。在這種情況下，是否會(huì)發(fā)生液化，主要與兩個(gè)條件有關(guān):第一是與地基土的密實(shí)程度有很大的關(guān)系，若地基的砂土很松散，密實(shí)度不足，孔隙水壓力就會(huì)隨著地震荷載的作用而上升，導(dǎo)致土體有效應(yīng)力下降，使無粘性土顆粒處于懸浮狀態(tài)，進(jìn)而使地基土承載力降低，甚至是完全消失的情況，導(dǎo)致地基土變形增大;第二是與砂土中的孔隙水壓力消散有關(guān)，當(dāng)砂土的排水條件通暢，孔隙水壓力可以及時(shí)消散，就不會(huì)產(chǎn)生地震液化的現(xiàn)象，只有排水條件不好，地震產(chǎn)生的孔隙水壓力不能及時(shí)消散，才會(huì)導(dǎo)致地震液化的發(fā)生。

在地震力的作用下，飽和的松散砂土顆粒間的位置必然也要調(diào)整，以使松散的砂土緊密填充，變得密實(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。如果飽和砂土本身的滲透性能很差或者地震的時(shí)間間隔短，導(dǎo)致前一周期的排水尚未完成，后一個(gè)周期的排水又開始了，從而使前期的孔隙水來不及排出，由于水的不可壓縮性，所以就會(huì)產(chǎn)生剩余孔隙水壓力，隨著震動(dòng)持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，剩余孔隙水壓力會(huì)逐漸增大，砂土的抗剪強(qiáng)度不斷降低，呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)。

第二種看法認(rèn)為，飽和砂土是否會(huì)發(fā)生液化是與砂土顆粒間的位移有關(guān)，與飽和砂土的法向應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，只要出現(xiàn)孔隙水壓力的上升和結(jié)構(gòu)的破壞引起應(yīng)力降低，出現(xiàn)具有液態(tài)化性質(zhì)的流動(dòng)破壞，就認(rèn)為土體已經(jīng)發(fā)生液化。

2 砂土液化的主要影響因素

根據(jù)人們的長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，砂土液化的主要因素有砂土的密度特征、埋藏條件、地震情況、地下水位的高低、顆粒特征、土層的排水情況等。

2.1 砂土的密度特征

一般說來，砂土的密實(shí)度對(duì)地震液化有著非常大的影響，砂土的密實(shí)度越大，地震時(shí)體積被壓縮的可能性就越低，反之，砂土的密實(shí)度越低，液化的可能性就越大。砂土密實(shí)度在現(xiàn)場(chǎng)主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的多少，對(duì)于同一種砂土而言，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)值越大，發(fā)生液化的可能性越小，危害也越小。

2.2 砂土的埋藏條件

砂土的埋藏條件對(duì)地震液化也有一定的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和試驗(yàn)研究表明，砂土上方覆蓋非液化土層的厚度與地震液化有一定關(guān)系，非液化土層越厚，砂土所受到上方的自重壓力就越大，孔隙水壓力上升克服自重壓力就越困難，可以降低液化發(fā)生的可能性，甚至是防止液化的發(fā)生。砂土層越厚，發(fā)生液化的可能性越大，危害也越大。

2.3 地震對(duì)砂土液化的影響

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)間以及作用方向等對(duì)砂土液化的影響。試驗(yàn)表明，地震的振幅越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，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。

2.4 地下水是地震液化的前提條件

地下水位的高低，對(duì)砂土液化有著非常重要的影響，越高的地下水位，砂土液化的可能性就越大；越低的地下水位，發(fā)生液化的可能性也會(huì)降低。

2.5 砂土的顆粒特征對(duì)砂土液化的影響

砂土的平均粒徑D50、不均勻系數(shù)Cu以及粘粒含量Mc對(duì)砂土的地震液化都有很重要的影響。經(jīng)過研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況表明，砂土顆粒的平均粒徑D50越大，孔隙水排出比較容易，剩余孔隙水壓力較小，不容易發(fā)生液化，反之，當(dāng)砂土平均粒徑較小，容易發(fā)生液化，所以砂土液化大多發(fā)生在粉、細(xì)砂環(huán)境中。不均勻系數(shù)Cu越大，表示顆粒越不均勻，發(fā)生液化的可能性就越低，粘粒含量越大，發(fā)生液化的可能性就越低，當(dāng)粘粒含量達(dá)到一定程度時(shí)，不會(huì)發(fā)生砂土液化。

2.6 土層的排水條件

土層的排水條件影響著孔隙水壓力消散的時(shí)間，對(duì)地震液化也有著非常重要的影響。排水通暢，孔隙水壓力消散的時(shí)間就短，液化的可能性小，反之，如果土層的滲透性能差，排水不通暢，孔隙水壓力不能及時(shí)消散，地震液化的可能性就會(huì)變大。

3 砂土液化地基處理方式

目前砂土液化地基處理方法，從原理上來看，主要有以下幾種方式：

一是把判定為可能液化的土層挖除，換填不液化土層。

二是采用剛性樁（如CFG樁）穿過可液化土層，考慮砂土地震液化對(duì)樁的影響，從而保證建筑物即使發(fā)生砂土液化也不會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生影響。

從砂土液化機(jī)理出發(fā)，砂土液化需要有3個(gè)條件同時(shí)滿足，才可能發(fā)生液化，一是飽和砂土，即水的存在，降水可以使原本可能液化的地基，不能發(fā)生液化，但是由于長(zhǎng)期降水花費(fèi)太高，且不具有操作性，所以一般不考慮此種方式；二是砂土密實(shí)度，這一點(diǎn)通常可以為人們所利用，在建筑物施工前，對(duì)松散砂土進(jìn)行加密，從而使原本可能發(fā)生液化的砂土不會(huì)發(fā)生液化，如比較常用的擠密預(yù)制樁，強(qiáng)夯法，沉管碎石樁等；三是動(dòng)荷載，在動(dòng)荷載作用下，砂土來不及排水，才可能發(fā)生液化，通過研究表明，砂土的液化特性除了與密實(shí)度有關(guān)外，還和振動(dòng)應(yīng)變史有關(guān)，因此可以使砂土先經(jīng)過強(qiáng)烈的預(yù)震，增強(qiáng)砂土的抗液化能力，如強(qiáng)夯法，地震法、沉管碎石樁等。

4 工程實(shí)例

某辦公樓，地下1層,地上12層，擬采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深位于地面下4m，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.20 g，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告知,地下水位于地面下1.80m，在地面以下4.80~7.60m范圍內(nèi)，存在可液化砂層，必須對(duì)其進(jìn)行地基處理。

本工程在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了場(chǎng)地的工程地質(zhì)情況，結(jié)合本地區(qū)及相鄰建筑物的經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)可行的地基處理方案的分析比較，擬選用沉管碎石樁復(fù)合地基來進(jìn)行處理。首先根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）里面的公式（1）求出標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值，然后將標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值設(shè)為打樁后標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）里面的公式（2）將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)代入，求出面積置換率，最后取最大的面積置換率，用公式（3）進(jìn)行計(jì)算，求出單樁豎向承載力，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)和樁徑。

式中：Ncr—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；ds—飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度（m）；dw—地下水位（m）；ρc—粘粒含量百分率，當(dāng)<3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3；β—調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

式中：N1—打樁后標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；ρ—面積置換率;Nρ—打樁前標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊擊數(shù)。

式中：fspk—復(fù)合地基承載力特征值(kPa);fpk—樁體承載力特征值(kPa);fsk—樁間土承載力特征值(kPa);m—面積置換率。

經(jīng)過振動(dòng)沉管碎石樁處理后，通過對(duì)場(chǎng)地的砂層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，得出砂層液化已經(jīng)消除，通過對(duì)單樁及復(fù)合地基做載荷試驗(yàn)，復(fù)合地基承載力滿足要求。

5 結(jié)論

根據(jù)以上理論分析及工程實(shí)例,可以得到如下結(jié)論:

飽和砂土在地震的作用下發(fā)生液化的機(jī)理目前主要有兩種理論，一種認(rèn)為飽和砂土是否會(huì)發(fā)生液化是由砂土的法向有效應(yīng)力狀態(tài)決定的，另一種認(rèn)為飽和砂土是否會(huì)發(fā)生液化是與砂土顆粒間的位移有關(guān)。

砂土液化的主要因素有砂土的密度特征、埋藏條件、地震情況、地下水位的高低、顆粒特征、土層的排水情況等。

沉管碎石樁復(fù)合地基，由于施工過程中對(duì)樁周土有振動(dòng)、擠壓作用,可以使樁間土變密實(shí),提高地基土的承載力和剛度;提高土體抗剪強(qiáng)度,能有效解決飽和砂土液化的問題。

與CFG樁相比,沉管碎石樁節(jié)約了工程造價(jià)。

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