計(jì)算建筑震陷量在液化場地中的應(yīng)用

任 景 敏

(太原市聚川都市建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

存在地基液化的場地在地震作用下將會(huì)發(fā)生噴水冒砂、流滑、上浮等現(xiàn)象，嚴(yán)重液化時(shí)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均勻沉降、上浮或水平位移。因此不宜將未經(jīng)處理的液化土層作為基礎(chǔ)持力層。在液化場地，常規(guī)的地基處理方法有換土法、振動(dòng)加密法、采用深基礎(chǔ)或樁基等。但對(duì)于低層建筑采用上述方法處理地基時(shí)往往經(jīng)濟(jì)代價(jià)很大，有時(shí)建設(shè)場地亦不具備進(jìn)行地基處理的條件。此時(shí)可根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡稱《抗規(guī)》)第4.3.6條之規(guī)定計(jì)入上部結(jié)構(gòu)重力荷載對(duì)液化危害的影響，根據(jù)液化震陷量的估計(jì)適當(dāng)調(diào)整抗液化措施。

1 液化的產(chǎn)生及危害

松散與少粘性的飽和土在震動(dòng)下有變密和向外排水的趨勢，若土的滲透性不好或者因外部封閉不能排水，則土中水壓力就要上升。當(dāng)孔壓上升至土的有效應(yīng)力時(shí)，土粒間沒有力的傳遞，土粒在水中失重，懸浮在水中形成懸浮液，這種現(xiàn)象稱之為液化。

在地震烈度為6度～9度的震動(dòng)強(qiáng)度下，液化多見于不太密實(shí)且處于飽和狀態(tài)的砂土與粉土。場地嚴(yán)重液化時(shí)在地震作用下將會(huì)發(fā)生噴水冒砂、地基失效、流滑、上浮等形式，最終將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均勻沉降、上浮或水平位移,其量值可達(dá)數(shù)十厘米至數(shù)米，最終使得結(jié)構(gòu)損壞、喪失使用功能或者全毀。地基液化的嚴(yán)重性不容忽視。

2 消除地基液化的方法及措施

2.1 處理液化的方法及措施

1)采用樁基：樁端需穿透液化土層，落在穩(wěn)定土層上一定長度。

2)采用深基礎(chǔ)：將基礎(chǔ)底面埋入液化深度以下的穩(wěn)定土層中，埋入深度不得小于0.5 m。

3)采用加密法：如振沖、振動(dòng)擠密、擠密碎石樁、強(qiáng)夯等。

4)換土法：用非液化土替換全部液化土層，或增加非液化土層的覆蓋厚度。

消除地基液化除采取上述方法外，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況改善周邊排水條件、適當(dāng)調(diào)整基礎(chǔ)面積、增強(qiáng)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)剛度、在管道穿墻處預(yù)留足夠尺寸或采用柔性接頭等。

上述內(nèi)容均為《抗規(guī)》中提到的常規(guī)抗液化方法和措施。規(guī)范中僅對(duì)不同抗震設(shè)防類別的建筑采取的抗液化措施做了分類，但對(duì)于相同建筑抗震設(shè)防類別的不同建筑未再做細(xì)化的規(guī)定。如在同一場地(液化程度、地基承載力相同)建設(shè)層數(shù)為2層和6層的住宅，在基礎(chǔ)形式相同的情況下，兩棟建筑用于地基處理的代價(jià)在實(shí)際中應(yīng)區(qū)分對(duì)待。

2.2 適當(dāng)調(diào)整抗液化措施的必要性

對(duì)于低層建筑來講一般建設(shè)單位投資較少，但建筑處在液化場地尤其是嚴(yán)重液化場地時(shí)，用于消除或減小液化影響的費(fèi)用甚至?xí)^上部結(jié)構(gòu)的建設(shè)費(fèi)用。有些情況下即便建設(shè)單位愿意增加費(fèi)用但現(xiàn)場也不具備處理液化的施工條件。這種情況就可計(jì)入上部結(jié)構(gòu)重力荷載對(duì)液化危害的影響，根據(jù)液化震陷量的估計(jì)適當(dāng)調(diào)整抗液化措施。

3 計(jì)算震陷量在實(shí)際工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

位于河北省邢臺(tái)縣白岸鄉(xiāng)某建筑主要功能為商業(yè)，地上2層，無地下室;結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。建筑平面最外軸線尺寸為：長26.4 m，寬19.8 m，每層層高4.5 m。1層平面圖如圖1所示。

河北省邢臺(tái)縣抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供情況，該建筑所在場地類別為Ⅲ類，場地土存在嚴(yán)重液化。本建筑基礎(chǔ)埋深1.8 m，地質(zhì)條件自上而下依次為：①雜填土，平均層厚2.8 m，松散欠固結(jié)，地基承載力特征值50 kPa。②粉土，平均層厚2.1 m，稍密～中密狀態(tài)，地基承載力特征值100 kPa。③粉土，平均層厚6.3 m，稍密～中密狀態(tài)，地基承載力特征值100 kPa。④粉質(zhì)黏土，平均層厚1.9 m，可塑，地基承載力特征值130 kPa。⑤粉土，稍密～中密狀態(tài)，本層最大揭露深度11.9 m。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的液化判定計(jì)算表看出，液化土層主要為粉土層(見表1)，深度按照15 m考慮。地下水位位于基礎(chǔ)以下1 m。

3.2 地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的方案比選

方案一:樁基礎(chǔ)方案。

本工程共計(jì)16根框架柱，如果采用柱下單樁的基礎(chǔ)形式則需要16根樁。但由于最底層的粉土仍存在液化，故若采用樁基礎(chǔ)，則需要繼續(xù)加深勘察鉆孔深度進(jìn)行補(bǔ)充勘察。經(jīng)過初步估算，若采用樁徑700 mm的鋼筋混凝土灌注樁，樁長至少需20 m以上，且需要提前進(jìn)行試樁(試樁數(shù)量為3根)，施工結(jié)束后進(jìn)行驗(yàn)樁。此方案不僅使得施工周期延長，而且使得整個(gè)工程造價(jià)增加了20%，建設(shè)方不同意采用此方案。

表1 液化判定計(jì)算表

方案二:振動(dòng)碎石樁法。

結(jié)合本工程液化判定計(jì)算表，本工程采用碎石樁處理地基時(shí)初估樁長至少應(yīng)在9 m左右(按照《抗規(guī)》第4.3.6條和第4.3.8條的要求計(jì)算所得)。樁徑400 mm，樁間距1.0 m，正三角布樁，樁頂至基礎(chǔ)墊層間設(shè)300 mm級(jí)配砂石墊層。根據(jù)《抗規(guī)》第4.3.7條5款的要求，本工程采用碎石樁處理地基時(shí)碎石樁的布置范圍為基礎(chǔ)邊外擴(kuò)4.5 m。

碎石樁能夠較有效地處理地基液化，但施工過程中往往伴隨很大的震動(dòng)，且在施工中受樁體充盈系數(shù)等因素的影響，施工場地經(jīng)常發(fā)生較大的隆起或塌陷。但本建筑物軸外墻以北4 m處為糖廠舊生產(chǎn)車間，該車間始建于1979年，框架結(jié)構(gòu)，地上4層，由于年久失修現(xiàn)已停止使用，應(yīng)業(yè)主要求，該車間不得拆除，經(jīng)改造后供參觀使用。如果本工程采用碎石樁處理地基，那么受糖廠舊車間的影響，碎石樁外擴(kuò)處理的范圍將不能滿足規(guī)范的最小要求，同時(shí)碎石樁施工時(shí)伴隨的震動(dòng)將極大地影響糖廠舊車間的安全。鑒于以上原因，采用碎石樁處理地基在本工程中不能使用。

方案三:換土法及深基礎(chǔ)。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供數(shù)據(jù)顯示，本工程基礎(chǔ)以下幾乎全為液化土，采用換土法或深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均不可行。

方案四:計(jì)算震陷量。

根據(jù)《抗規(guī)》第4.3.6條規(guī)定，可根據(jù)計(jì)入上部結(jié)構(gòu)重力荷載對(duì)液化危害的影響，根據(jù)液化震陷量的估計(jì)適當(dāng)調(diào)整抗液化措施。借鑒本條條文說明：對(duì)4層以下的民用建筑，當(dāng)SE<5 cm時(shí)，可不采取液化措施；當(dāng)SE=5 cm～15 cm時(shí),可優(yōu)先考慮采取結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的構(gòu)造措施；當(dāng)SE>15 cm時(shí)需要進(jìn)行地基處理，基本消除液化震陷。依據(jù)粉土平均震陷量計(jì)算公式:

其中，B為基礎(chǔ)寬度，對(duì)住房等密集型基礎(chǔ)取建筑平面寬度，本工程B=13.2 m；S0為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)第一組7度，8度，9度分別取0.05，0.15及0.3，本工程取0.05；d1為由地面算起的液化深度，本工程d1=15 m；d2為由地面算起的上覆非液化土層的深度，本工程d2=0；p為基底地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的壓力,本工程采用柱下條基，p=80 kPa；k為與粉土承載力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本工程k=0.22；ξ為修正系數(shù)，本工程ξ=1.0。經(jīng)計(jì)算，本工程SE=7.2 cm，本工程可優(yōu)先考慮采取結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的構(gòu)造措施。因此本工程基礎(chǔ)的初選方案——采用柱下條形基礎(chǔ)是可行的。

另由于本工程基礎(chǔ)下部雜填土較厚，因此要求施工時(shí)將基礎(chǔ)墊層以下雜填土全部挖除，整體換填至少1 m厚級(jí)配砂石。換填范圍為基礎(chǔ)邊外擴(kuò)2 m。

經(jīng)與當(dāng)?shù)貓D審機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)專家溝通，同意此方案，同時(shí)提出以下建議：

1)繼續(xù)擴(kuò)大條基翼緣寬度同時(shí)增加基礎(chǔ)梁的高度，用以繼續(xù)減小基礎(chǔ)底面的壓力并且增加基礎(chǔ)剛度；

2)所有門窗洞口設(shè)置鋼筋混凝土抱框，精細(xì)施工，盡量減小不均勻震陷的影響。經(jīng)調(diào)整基礎(chǔ)寬度后最終基礎(chǔ)底面地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合壓力為65 kPa,液化震陷量平均值SE=6.4 cm。

3.3 對(duì)比總結(jié)

地基處理與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析見表2。

表2 地基處理與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析表

4 結(jié)語

1)液化帶來的危害不容忽視，在實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范的要求對(duì)液化場地進(jìn)行處理或?qū)ㄖA(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)采取加強(qiáng)措施。但在確定技術(shù)方案前應(yīng)在保證安全的前提下從經(jīng)濟(jì)性、可操作性等方面認(rèn)真比較各種方案的可行性。

2)在液化場地，一味沿用常規(guī)傳統(tǒng)的地基處理方法不僅增加施工工序、加大建設(shè)成本，而且在特殊的場地環(huán)境下具有不可操作性。對(duì)于4層以下的民用建筑，由于基底壓力不大，在必要時(shí)可通過計(jì)算液化震陷量適當(dāng)調(diào)整抗液化措施。這種做法在符合規(guī)范要求的同時(shí)還可帶來一定經(jīng)濟(jì)性。