談地基土液化的成因及防治措施

成曉萍

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

1 土層液化機(jī)理、表象、原因

作用機(jī)理:地基土層的液化，一般發(fā)生于飽和的砂土或粉土。當(dāng)這種土在受到振動(dòng)時(shí)，內(nèi)部的孔隙水壓力在極短的時(shí)間內(nèi)快速上升，同時(shí)土中的有效應(yīng)力也隨之減小，導(dǎo)致地基土的抗剪強(qiáng)度迅速降低。當(dāng)這種振動(dòng)到達(dá)一定程度的時(shí)候，土壤中的有效應(yīng)力會(huì)完全消失，土中顆粒形成懸浮狀態(tài)，土壤的抗剪強(qiáng)度為零，土變成了如“液體”般的可流動(dòng)的水土混合物。我們把這種現(xiàn)象稱(chēng)為液化。

土層液化的表現(xiàn)形式:從地表表面開(kāi)裂、噴砂、冒水，造成山體滑坡和地基失效，導(dǎo)致樓房倒塌、傾斜、開(kāi)裂。

引起土的液化的原因有很多種，其中地震作用尤為顯著。追溯歷史，發(fā)生在美國(guó)舊金山的1906年大地震，日本關(guān)東的1923年的大地震，日本新澤瀉的1964年的大地震，以及我國(guó)邢臺(tái)，唐山的1966年和1976年的地震等等，不難看出:多數(shù)由地震引發(fā)的危害是來(lái)自于砂性土層或飽和的含粘粉土的液化。這些災(zāi)難性破壞，引起了廣大的國(guó)內(nèi)外工程設(shè)計(jì)研究人員的關(guān)注，使人們開(kāi)始了對(duì)于飽和砂土，粉土液化問(wèn)題進(jìn)行更深一步的研究與探討。

2 液化判別的方法

在對(duì)飽和砂土、含粘粉土液化的研究工作中，除了對(duì)地震現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行仔細(xì)的勘查研究外，工作人員還在實(shí)驗(yàn)室做了大量的研究工作。迄今為止，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于砂土及粉土的液化判別公式有好多種，判別的指標(biāo)分別有:標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)試驗(yàn)法、靜力觸探值試驗(yàn)法和剪切波速的測(cè)試試驗(yàn)等等。

2.1 砂土液化的判別方法

砂土之所以發(fā)生液化，是因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)松散、滲透性低，以及受到高強(qiáng)度和持續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)?？蒲腥藛T在進(jìn)行了大量的工程勘察和科研試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，在地震烈度低于7度的地區(qū)，可以不考慮土壤液化問(wèn)題。而對(duì)于已初判為有可能發(fā)生液化的砂土層須再作進(jìn)一步的判別。方法主要有:1)根據(jù)巖土規(guī)范的靜力觸探法，采用的是錐尖阻力基準(zhǔn)值及其判別式。2)抗震規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)貫入法，采用的是標(biāo)準(zhǔn)貫入基數(shù)基準(zhǔn)值及其判別式。

由于兩種方法在判別過(guò)程中所考慮的因素不同，導(dǎo)致了判別結(jié)果的不同。

研究結(jié)果表明，對(duì)于不同的抗震烈度，兩種規(guī)范所對(duì)應(yīng)的各自的基準(zhǔn)值不同，但也有一定的關(guān)系，即標(biāo)準(zhǔn)貫入基數(shù)N是錐尖阻力q(MPa)的2倍。即在一定程度上，若標(biāo)貫基數(shù)N比較合理，則錐尖阻力q(MPa)是非常保守的。在進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐后，對(duì)兩種規(guī)范進(jìn)行了回歸，提出了以標(biāo)準(zhǔn)貫入液化判別式為基礎(chǔ)的靜力觸探液化判別及判別式，對(duì)于一般的工業(yè)民用建筑，在進(jìn)行砂土液化判別時(shí)是可行的，免去了再標(biāo)貫的進(jìn)一步判別的過(guò)程，進(jìn)一步提高了工作效率。

2.2 粘性粉土液化可能性判別方法

隨著研究的深入，工程研究人員發(fā)現(xiàn)，土壤容易發(fā)生液化的粉土類(lèi)，取決于其內(nèi)所含的粘粒含量及其粒徑的大小(粒徑為小于0.005 mm的粘粒顆粒)。研究表明，在7度，8度和9度時(shí)這類(lèi)粘粒在分別不小于10，13和16的情況下時(shí)可判別為不液化。

粉土的液化可分為兩種判別方法:1)以地震破壞的經(jīng)驗(yàn)和調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的實(shí)證判別法:標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)法、剪切波速法及靜力觸探法，標(biāo)貫法相對(duì)應(yīng)用的多些。2)室內(nèi)液化實(shí)驗(yàn)研究:因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)的許多因素比較易于控制，所以在研究液化的因素及液化機(jī)理等問(wèn)題時(shí)是比較方便的。

3 影響地基土的液化的主要因素

1)地質(zhì)因素對(duì)液化的影響:可能導(dǎo)致粉土液化的地貌單元，通常位于沖積平原、沖積海積平原和海積平原。其中在古河道，河灘，湖泊，沼澤，洼地等微地貌單元，一般在地震時(shí)最容易發(fā)生液化。對(duì)于地質(zhì)年代一般為第四紀(jì)全新世(Q4)，特別是Q4的新近沉積的飽和粉土容易液化。

2)土層的分布狀況對(duì)液化的影響:可液化土上覆蓋的粘土若較厚，有較低的水位，則導(dǎo)致液化的可能性較小。

3)土壤的特性對(duì)其液化的影響:粘粒含量(即粒徑小于0.005 mm)的顆粒所占重量的百分比是影響粉土液化的最重要顆粒特性指標(biāo)。隨著粉土的粘粒含量的百分比的增加，粉土的液化趨勢(shì)將會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)這個(gè)百分比Pc＜16%時(shí)，粉土抗液化性能為拋物線狀，抗液化性能最低點(diǎn)時(shí)該百分比Pc=9%;而當(dāng)該百分比Pc＞16%時(shí)，粉土的抗液化能力則提高得很快。

4)粉土的相對(duì)密度對(duì)液化的影響:粉土的相對(duì)密度的大小，對(duì)于粉土是否能液化，有著很大的關(guān)系。研究表明，相對(duì)密度增加，液化的可能性將會(huì)減小。研究人員還在大量細(xì)致地研究了唐山的地震資料后得出:引起地基土的液化的地震分析有兩種表達(dá)方法:即:a.隨著地震烈度的增加，可液化粉土的粘粒含量也將隨之增加。b.地面的水平最大加速度amax，因?yàn)橛锰粕降卣鹳Y料檢驗(yàn)規(guī)范中液化判別式時(shí)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N不是常量，而是與a為加速度有關(guān)的一個(gè)變量。

總之，影響粉土的液化基本因素由以下幾部分組成:

1)地震烈度;2)地下水位深度;3)粉土中粘粒的含量;4)土層的埋藏條件;5)地質(zhì)年代;6)粉土的相對(duì)密度或干重度;7)固結(jié)壓力;8)動(dòng)應(yīng)力及其動(dòng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。上述內(nèi)容中后兩項(xiàng)在研究粉土的液化時(shí)考慮的較少。

4 液化地基的抗震措施及處理方法

由于地基液化的危害主要來(lái)自于震陷，最嚴(yán)重的危害來(lái)自于不均勻震陷。消除地基土液化震陷和減輕其液化影響的措施是通過(guò)歷年來(lái)對(duì)震害的調(diào)查與分析判斷的基礎(chǔ)上總結(jié)得來(lái)的。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)其重要性、地基土的液化等級(jí)等具體情況，選擇較為合理經(jīng)濟(jì)的抗液化措施。具體方法劃分為3種:全部消除液化、部分消除液化以及不采取措施等方法。

1)全部消除地基土的液化措施。此類(lèi)措施中，所采用的基礎(chǔ)形式是關(guān)鍵之一。

a.當(dāng)采用樁基，若持力層范圍內(nèi)有較厚的液化土層時(shí)，樁基的樁底端須伸入液化深度以下相對(duì)穩(wěn)定的土層中，其長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)規(guī)范計(jì)算及相應(yīng)構(gòu)造要求確定，對(duì)于不同種類(lèi)的土層，伸入長(zhǎng)度各不相同，對(duì)于碎石土、砂礫、粗砂、粉土及密實(shí)粘性土不應(yīng)小于800 mm，對(duì)于其他非巖石土則不應(yīng)小于1.5 m。

b.當(dāng)采用深基礎(chǔ)時(shí)，需將基底伸入液化土層之下，且基底埋入穩(wěn)定土層中的深度不得小于500 mm。

c.當(dāng)基底下的可液化土層比較薄時(shí)，可采用先局部降水，然后全部挖除液化土層，并分層碾壓夯實(shí)回填砂石、礫碎石、礦渣等材料。

d.當(dāng)采用加密法時(shí)，如振沖加固或擠密碎石樁加固法，由于場(chǎng)地地基構(gòu)成了復(fù)合地基，工程經(jīng)驗(yàn)表明，根據(jù)樁的面積置換率和樁土應(yīng)力比可以適當(dāng)降低復(fù)合地基樁間土液化判別的臨界標(biāo)貫值的經(jīng)驗(yàn)方法，即規(guī)范所述:對(duì)可液化地基進(jìn)行加固處理時(shí)，應(yīng)將可液化土層處理至液化深度的下界，且處理后的樁間土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值不宜大于相應(yīng)的臨界值。

2)部分消除地基土液化的措施:此類(lèi)措施中，首先處理深度是關(guān)鍵因素。在液化土層較厚的情況下，液化處理深度不一定達(dá)到液化下界，即允許處理深度下仍有殘留部分的未經(jīng)處理的液化土層。即處理后的基礎(chǔ)液化等級(jí)為輕微;其次基礎(chǔ)形式也是至關(guān)重要的。經(jīng)驗(yàn)表明，建筑物基底下外側(cè)的地方最容易發(fā)生液化，而中部以下是最不容易液化的。因此對(duì)大面積箱形基礎(chǔ)，筏形基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)底部中間區(qū)域的抗液化措施是可以適當(dāng)放寬要求的。因此，整體性好，剛度大的箱形、筏形基礎(chǔ)等，對(duì)地基的抗液化是十分有利的。具體做法:

a.在對(duì)液化地基進(jìn)行處理時(shí)，處理深度應(yīng)控制在使處理后的液化指數(shù)不大于5的范圍內(nèi)。對(duì)于不同類(lèi)型的基礎(chǔ)，指數(shù)各不相同。規(guī)范中已有闡述。

b.基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)的處理。

理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:基礎(chǔ)埋置深度、基礎(chǔ)的底面尺寸以及基礎(chǔ)的偏心大小、位置等等，對(duì)液化的影響不可忽視。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的調(diào)整與選取。選擇整體性和剛度大的基礎(chǔ)形式，如十字交叉條形基礎(chǔ)、筏板或箱形等等。而對(duì)于上部結(jié)構(gòu)，則可采用輕質(zhì)材料減輕上部結(jié)構(gòu)的荷載，以減少地震力，并合理地布置上部結(jié)構(gòu)，在滿(mǎn)足建筑功能的情況下，使其整體性、均勻性、對(duì)稱(chēng)性盡可能趨于合理化;同時(shí)，根據(jù)建筑物的平面，設(shè)置合理的沉降縫等，以避免采用對(duì)不均勻沉陷敏感的結(jié)構(gòu)形式;對(duì)特殊部位，如管道穿越建筑物處，應(yīng)采取預(yù)留尺寸或用柔性接頭等方式進(jìn)行特殊處理。

c.增加上部非液化土層厚度，合理改善周邊的排水條件等，例如，在填方地區(qū)，由于增加填土厚度，則有可能使液化的情況改善。

d.采用強(qiáng)夯法。合理選擇單位面積夯擊能，單點(diǎn)夯擊點(diǎn)數(shù)，單點(diǎn)夯沉量，能有效的提高地基的承載力并有效消除飽和砂土的液化。

3)建筑物為丁類(lèi)時(shí)，當(dāng)?shù)鼗鶠檩p微或中等液化時(shí)，可以將未經(jīng)處理的液化土層作為該建筑基礎(chǔ)的持力層;當(dāng)?shù)鼗鶠閲?yán)重液化時(shí)，應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)或其上部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理，也可采用其他更經(jīng)濟(jì)更合理的措施來(lái)達(dá)到更加理想的效果。

［1］張崇文，趙劍明，畢政根.粉土地基液化分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1997(7)：56-57.

［2］郭繼武.建筑抗震設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］華南理工大學(xué).地基及基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990.