砂土液化的防治措施

蘆 迪陳德明

(1.黑龍江省慶達(dá)水利水電有限責(zé)任公司，哈爾濱150080;2.黑龍江大學(xué)，哈爾濱150080)

在地震區(qū)內(nèi)河流附近的沖積地區(qū)常常發(fā)生噴水冒砂現(xiàn)象，這是地震液化的鑒別標(biāo)志，在1964年9月16日日本新瀉大地震中，位于該市 濃川故河道上的公寓大樓處于嚴(yán)重液化區(qū)，使其某些地域在地震8 s后開(kāi)始液化，使一個(gè)大樓完全傾倒，造成該工程建筑物徹底報(bào)廢。在我國(guó)邢臺(tái)1974年地震、1968年渤海地震、1974年通海地震及1976年唐山地震，都在同一地點(diǎn)發(fā)生多次液化。也就是說(shuō)，在連續(xù)發(fā)生強(qiáng)烈地震作用下，噴水冒砂現(xiàn)象會(huì)在同一點(diǎn)(孔)上重復(fù)發(fā)生［1］。如何防止工程砂土液化呢?下面做以概述。

2 砂土液化的概念與影響因素

砂土液化系指砂土顆粒組成的土體在靜力或動(dòng)力作用(包括滲流作用)下，由固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)的現(xiàn)象或過(guò)程。此時(shí)砂土的剪切剛度趨近于零，即抗剪強(qiáng)度趨近于零。

液化一般發(fā)生在飽和砂土中，也可發(fā)生在黏粒(粒徑＜0.005mm)含量≤15%～20%的飽和少黏性土中和粗粒(粒徑＞5mm)含量70%的飽和砂礫土中，它對(duì)水利工程危害極大。液化的主要形式有砂沸、流滑或“有限度。的往返流動(dòng)性變形等。

砂沸常出現(xiàn)在河堤內(nèi)側(cè)低地，擋水建筑物下游地面、開(kāi)挖基坑坑底、鉆孔孔底、以及地震后的地面。它主要是由于砂土巾孔隙水壓力超過(guò)上覆有效壓力而引起的噴水冒砂現(xiàn)象。流滑常出現(xiàn)在海岸、河岸和土壩的飽和松砂邊坡中。它主要是由于飽和松砂在單程或往返剪切作用下，有不可逆的體積剪縮，引起孔隙水壓力不斷上升和抗剪強(qiáng)度降低，直至出現(xiàn)“無(wú)限度”的流動(dòng)性滑坡。這種破壞可以是漸進(jìn)性的和大面積的，流滑后的砂面坡度十分平緩。“有限度”的流動(dòng)性變形，大都出現(xiàn)在地霞時(shí)中密和中密以上的飽和砂土中。它是由于在地震往返剪切過(guò)程中，小剪應(yīng)變時(shí)的剪縮趨勢(shì)和大剪應(yīng)變時(shí)的剪脹趨勢(shì)的交替作用，出現(xiàn)的間歇性液化和“有限度”的流動(dòng)性變形，也稱為往返活動(dòng)性(cyclic mobility)。可使建造在它上面的建筑物和擋土墻等產(chǎn)生“有限度”的下沉和傾斜。

影響飽和砂土液化的因素有滲流條件、顆粒組成、松密程度、形成地質(zhì)年代，受力狀況等等。在評(píng)價(jià)其液化可能性時(shí)必須加以考慮。對(duì)于判別水平地面下飽和砂土地震時(shí)是否會(huì)發(fā)生液化的方法，用得較多的是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。中國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范都以此作為主要手段，并給出了以宏觀震害資料為依據(jù)的判別公式。這個(gè)方法已發(fā)展到可以同時(shí)考慮飽和砂土上覆有效壓力、地震動(dòng)剪應(yīng)力(或地震烈度)、地震震級(jí)(或地震歷時(shí))，以及土中粘粒含量等因素的影響。此外尚有靜力觸探、往返三軸和往返單剪試驗(yàn)等方法［2］。

3 砂土液化的防治措施

研究地震作用下砂土液化的重要目的是預(yù)防砂土液化，減少由它造成的損害。減輕地震液化造成損害的措施可分為兩類:

1)砂土改良措施——通過(guò)改良砂土的性質(zhì)，加強(qiáng)土的抗液化能力，積極預(yù)防砂土液化的生產(chǎn)和發(fā)展。

2)結(jié)構(gòu)改良措施——對(duì)沒(méi)有進(jìn)行地基處理(或未達(dá)到預(yù)定效果)的液化地基，通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗液化能力，預(yù)防結(jié)構(gòu)破壞。

3.1 砂土改良措施

飽和砂土砂化現(xiàn)象是排水條件不利的情況下松散的砂土骨架由于振動(dòng)作用造成松馳;粒間應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)給孔隙水，使孔隙水壓力不斷升高而帶來(lái)的后果。因此，要防止砂土產(chǎn)生液化，其根本途徑是消除液化產(chǎn)生的條件，最重要的措施是提高砂土的密度，改變砂土的應(yīng)力——應(yīng)變條件和盡量消除發(fā)展的孔隙水壓力，預(yù)防砂土液化的主要措施有:振沖法、排滲法、強(qiáng)夯法，爆炸振密法等等。表1列舉了砂土改良原理和實(shí)際應(yīng)用方法。

表1 砂土改良的原理和方法

3.2 結(jié)構(gòu)改良措施

土木工程的抗液化處理是各種各樣的，各類土木工程具有特有的處理措施。下面將簡(jiǎn)要介紹各種措施。

3.2.1 土堤

這里所指的土堤包括河堤、公路堤，鐵路堤以及填筑地等等。土堤材料的特點(diǎn)并非完全飽和，所以它們不會(huì)完全液化。然而建筑在松散可液化松砂土基是非常容易損壞的。增加松砂的抗液化強(qiáng)度可采用表1，表2中列舉的方法。一般情況下，利用壓實(shí)方法增加砂土的密度是比較可靠的常用方法，堆土法、降低水位法以及建造地下墻的方法是不太有效的。

對(duì)于已建土堤下伏液化層直接增加砂土的強(qiáng)度是相當(dāng)困難的，所以，可以采用增加土堤坡腳下砂土強(qiáng)度的方法。除上述方法外，下面三個(gè)方法對(duì)加固土堤是有效的見(jiàn)圖1。

a.輔助堤;b.礫石置換;c.板樁和系桿。

經(jīng)驗(yàn)表明，在使用板樁和系桿時(shí)，即使地震期間周?chē)巴翆咏Y(jié)合液化，用系桿把兩排樁連起來(lái)將會(huì)大大堤高土堤的抗滑穩(wěn)定性。

表2 增強(qiáng)砂土措施方法

3.2.2 房屋基礎(chǔ)

為防止砂土液化對(duì)房屋基礎(chǔ)的破壞，下面介紹的4類措施是比較有效的，圖2是這4類措施的基本原理圖。

砂土加固 改變建筑物的砂土性質(zhì)，采用下列方法:加密法，硬化法及消散孔隙水壓力法等。這類措施適用于中低層建筑。

結(jié)構(gòu)改良 在加密或消散孔隙水壓力的同時(shí)，使用深基(圖2)。這類措施適用于高層建筑，尤其是當(dāng)建筑物建造在填筑地，或在可液化松砂層上，且砂層下伏軟黏土?xí)r。

置換可液化層 挖掉建筑物下所有可液化層，同時(shí)建造地下深基礎(chǔ)(圖2)。這類措施適用于超高層建筑和建造在相當(dāng)淺的松散砂土層上的建筑。

封閉式基礎(chǔ) 建造封閉式基礎(chǔ)以防止超孔隙水壓力朝建筑物的基底傳播。一般可用于加密、消散孔隙水壓力、砂土改良、硬化、降低地下水位等方法中任何一種方法來(lái)使封閉式基礎(chǔ)內(nèi)的砂土得到加固。

在工程實(shí)踐中，為了使抗液化措施更有效，常將上述方法中的兩種結(jié)合起來(lái)使用。對(duì)原有建筑物的改良是比較困難的，一般采用在建筑物的外緣下面改造地下連續(xù)墻，或者使用排滲法，降低地下水也是一種可行的方法。

圖1 增強(qiáng)原有土堤的抗液化措施

圖2 房屋地基抗液化措施的四種類型

4 結(jié)語(yǔ)

防止砂土液化的工程措施包括控制滲流條件、疏干、挖除或人工加密改良土性。加密后的砂土應(yīng)達(dá)到密實(shí)狀態(tài)(相對(duì)密度≥70%～90%)。此外，如合理采用圍封、壓重、排水設(shè)備等，亦可起到減輕液化破壞的效果。

［1］劉穎，謝君斐，等.砂土震動(dòng)液化［M］.北京:地震出版社，1984.

［2］王鐘琦，張榮祥，鐘亮.建筑場(chǎng)地與地基評(píng)價(jià)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.