地基土液化機理和抗液化措施

□ 付海水 □ 鄒榮福 □ 任云峰

（1河南省水利勘測設計研究有限公司 2信陽市羅山縣石山口水庫灌區管理局）

0 引言

關于土體液化問題，前人馬期洛夫，黃文熙，Seed等曾有過重要論述，美國土木工程師學會巖土工程分會，土動力學委員會正式定義液化為:將任何物質轉變為液化態的作用或過程在無粘性土，這種轉變是因孔隙水壓增加和有效應力減少所導致的從固態至液態的變化。為對其有一個清晰的認識，作者對土液化機理進行了梳理，并分析了影響液化的多種因素，針對液化機理及影響因素，提出了有針對性的處理措施。

1 土液化機理

1.1 松砂的液化

飽和松砂土由砂顆粒與孔隙水組成，砂顆粒在靜力長期作用下處于一種骨架狀態，承受著外部荷載。當土中不存在凝聚力時，砂的抗剪強度為，式中為有效應力。當土體比較松散時，受到振動后，土的骨架必然相互靠緊產生變形，當砂土飽和而孔隙水又不能排出時，部分圍壓即轉嫁于孔隙水，從而產生孔隙水壓力，這時土體承受的有效應力降低，所以砂土的抗剪強度隨之下降。當圍壓全部轉嫁于孔隙水之后，即孔隙水壓力等于圍壓，土體抗剪強度為0。這時砂土剪切剛度G為0，不能承受任何剪應力，在無封閉時砂與水的混合物會流動，與液體性能相同，所以稱為液化。其宏觀現象為“冒水，噴砂或流滑”。

上述現象一定要在不排水情況下才能發生。當可排水時，在振動過程中土骨架加密，部分原來由骨架承受的外力向孔隙水轉嫁，立即產生水的滲透流動，壓力加不到水上去，所以只能產生土骨架壓密，孔隙水流動，土體積減小而不產生液化現象。

1.2 少粘土的液化

受振動的少粘性土在不排水條件下，土體承受的總壓力逐步為孔隙水所代替。由于粘性顆粒的存在，少粘性土透水性小于砂類土會使土體某些局部形成的較高孔隙水壓不能立即傳遞到附近孔隙水壓低的地方，而致該處孔隙水壓升高到等于圍壓，所以即使某一點的有效應力完全喪失，但作為土體整個截面還有一些局部仍處于部分液化狀態，土體的抗剪強度并未完全喪失，變形不致無限增長；另一方面，由于粘性顆粒的存在，土體具有一定的凝聚力（c），此凝聚力在振動過程中可能會有所降低，但不完全喪失。由靜力學抗剪強度理論可知:少粘性土的抗剪強度，式中右力第一項代表那些有效應力尚未完全消失的部分，第二項c代表振動后仍然保留的那部分凝聚力。因此最后的現象是，粘性土在振動作用下，可能在某一時段內并未完全在土體內消失，凝聚力不為0，所以土抗剪力并不完全消失，變形不會無限加大，因此上述砂土液化的定義不能照搬，而采用按照變形定義的液化，其宏觀現象“地基土變形加大或失穩”。

1.3 密砂的液化——循環流動液化

對中密或密實的飽和砂土進行同樣的試驗，在初始階段，情況與松砂相似，孔隙水壓逐步拉高而達到很大，變形也逐步加大；但是當振動繼續時，孔隙水壓波動狀態變化，上升峰點可以達到極大值，即達到圍壓，但由于密砂在振動時有變松的趨勢，即產生膨脹現象，又使孔隙水壓下降，從而阻止變形進一步加大；砂土愈密則此現象愈明顯，土體的變形也愈小。

從宏觀來看，可以認為這是由于在循環作用中的剪縮與剪脹交替變化引起的，從而形成了間歇性瞬態液化和有限度斷續變形的格局，對于只有剪縮而無剪脹的飽和松砂，則不會出現這種現象。

循環液化的后果是變形的逐次累積，當變形累積到一定容許變形量后，則被評為破壞。在實際地震中很少能發現這種現象發生是因為，由于砂土密實性的不均一性，在一次強震中，由于密砂的剪脹效應使得與之相臨的松砂得以擠密或使其液化程度得以減輕，當下一次強震來臨時，原來密砂液化，而原來液化砂因擠密而不液化。

2 液化影響因素

砂土液化的影響因素很多，歸納起來有3大類。

2.1 動荷載條件

主要有地震動強度、頻譜特征、持續時間和方向等。

2.2 埋藏條件

上覆蓋層特征、地形、沉積環境、液化歷史、初始應力（自重、構造應力、溫度應力、孔隙水壓力、）和地下水等。

2.3 土性條件

土的粒徑大小（d50）、顆粒級配（Cu）、土粒形狀、相對密度、飽和度、滲透性、土粒結構性、固結史等。

3 抗液化措施

3.1 避讓

在選擇建筑場地時，如果有可能，盡量不要把建筑物放在易發生液化的地段，即地下水位高、飽和砂層埋藏深度淺、相對密度低、顆粒級配差、覆蓋層薄等地段。

3.2 換填

如果可能液化的范圍不大時，可用挖除換填法，即將可能液化的土層挖除并用非液化土置換。若液化土層較深時，可考慮部分挖除。

3.3 疏干、降排水

采取防滲、排滲、反濾及加反濾蓋重等方法，以達到降低地下水位，利于孔隙水的排出和防止土顆粒流失等作用，可有效防止砂沸的發生。

3.4 壓重

通過增加上覆蓋層厚度來提高圍壓，使土不易液化。這種方法較簡便，但要注意兩點，一是它雖然可能增加土顆粒間的有效壓應力，但仍存在發生液化的可能性；二是壓重若設計不當，而使初始剪應力比增大則將更易被觸發液化。

3.5 加固

如果可能液化的范圍較廣較深時，只能采取加固的措施。目前常用的加固方法有深層壓密:振動擠密，爆破，振動置換砂石樁，強夯等；注液與灌漿:壓實灌漿，化學灌漿，電動注液，噴射灌漿和深層攪拌等。

3.6 樁基

采用樁身穿過液化土層，打入可靠的非液化土層，以起支撐、圍封等作用。對于抗液化的具體方法很多，但大多不是單獨采用的，根據需要采用兩種或多種方法聯合使用，則能起到事半功倍的效果，如壓重與圍封聯合使用處理砂沸效果更好，壓重與降排水聯合使用，加固和降排水聯合使用等都取得了較好效果。

4 結語

飽和無粘性土液化本質是因孔隙水壓增加和有效應力減少所導致的從固態至液態的變化；粘性土在振動作用下，可能在某一時段內并未完全在土體內消失，凝聚力不為0，所以土抗剪力并不完全消失，變形不會無限加大，因此采用按照變形定義的液化；密實砂的液化屬循環流動液化，是指瞬態和重復的液化狀態，其后果是變形的累積；抗液化措施應根據場地土特性和主要影響因素而采取對應措施，除了防止噴砂、冒水須用滲流控制方法以外，最基本和有效的工程措施是土體加密和固化，以及排水和疏干；少粘性的液化危害是地基土的失穩和變形增大，故對少粘性土液化的處理措施主要是提高地震時地基土抗剪強度和控制變形量，最基本和有效的工程措施是土體加密和固化。