飽和砂土地震液化機理分析及地基處理的應用

□李萬寧 □趙 洪

（1河南省豫北水利勘測設計院；2山西大同大學煤炭工程學院）

1 砂土地震液化的機理

飽和砂土在地震力的作用下會發生地震液化，嚴重時甚至會出現“涌水冒砂”的現象，造成建筑物的劇烈沉降，導致地基失穩。但是對于液化機理的研究，現在有兩種不同的看法。

第一種看法認為，飽和砂土是否會發生液化是由砂土的法向有效應力狀態決定的，對于砂土和水的飽和復合體系，如果地震荷載能夠使飽和砂土的法向有效應力為零時，就會發生地震液化現象。在這種情況下，是否會發生液化，主要與兩個條件有關:第一是與地基土的密實程度有很大的關系，若地基的砂土很松散，密實度不足，孔隙水壓力就會隨著地震荷載的作用而上升，導致土體有效應力下降，使無粘性土顆粒處于懸浮狀態，進而使地基土承載力降低，甚至是完全消失的情況，導致地基土變形增大;第二是與砂土中的孔隙水壓力消散有關，當砂土的排水條件通暢，孔隙水壓力可以及時消散，就不會產生地震液化的現象，只有排水條件不好，地震產生的孔隙水壓力不能及時消散，才會導致地震液化的發生。

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整，以使松散的砂土緊密填充，變得密實，實現穩定狀態。如果飽和砂土本身的滲透性能很差或者地震的時間間隔短，導致前一周期的排水尚未完成，后一個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，所以就會產生剩余孔隙水壓力，隨著震動持續時間的增長，剩余孔隙水壓力會逐漸增大，砂土的抗剪強度不斷降低，呈現流動狀態。

第二種看法認為，飽和砂土是否會發生液化是與砂土顆粒間的位移有關，與飽和砂土的法向應力狀態無關，只要出現孔隙水壓力的上升和結構的破壞引起應力降低，出現具有液態化性質的流動破壞，就認為土體已經發生液化。

2 砂土液化的主要影響因素

根據人們的長期研究發現，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，砂土的密實度對地震液化有著非常大的影響，砂土的密實度越大，地震時體積被壓縮的可能性就越低，反之，砂土的密實度越低，液化的可能性就越大。砂土密實度在現場主要體現在標準貫入擊數的多少，對于同一種砂土而言，標準貫入擊數值越大，發生液化的可能性越小，危害也越小。

2.2 砂土的埋藏條件

砂土的埋藏條件對地震液化也有一定的影響，根據現場調查和試驗研究表明，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，可以降低液化發生的可能性，甚至是防止液化的發生。砂土層越厚，發生液化的可能性越大，危害也越大。

2.3 地震對砂土液化的影響

地震對砂土液化的影響主要是指波形、振幅、頻率、持續時間以及作用方向等對砂土液化的影響。試驗表明，地震的振幅越大，持續時間越長，砂土液化的可能性及危害就越大。砂土對液化的抵抗能力在沖擊波作用時最大，振動行波作用時，次之，正弦波作用時最小。

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，發生液化的可能性也會降低。

2.5 砂土的顆粒特征對砂土液化的影響

砂土的平均粒徑D50、不均勻系數Cu以及粘粒含量Mc對砂土的地震液化都有很重要的影響。經過研究和現場實際情況表明，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，不容易發生液化，反之，當砂土平均粒徑較小，容易發生液化，所以砂土液化大多發生在粉、細砂環境中。不均勻系數Cu越大，表示顆粒越不均勻，發生液化的可能性就越低，粘粒含量越大，發生液化的可能性就越低，當粘粒含量達到一定程度時，不會發生砂土液化。

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間，對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消散，地震液化的可能性就會變大。

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樁的影響，從而保證建筑物即使發生砂土液化也不會對建筑物產生影響。

從砂土液化機理出發，砂土液化需要有3個條件同時滿足，才可能發生液化，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，不能發生液化，但是由于長期降水花費太高，且不具有操作性，所以一般不考慮此種方式；二是砂土密實度，這一點通常可以為人們所利用，在建筑物施工前，對松散砂土進行加密，從而使原本可能發生液化的砂土不會發生液化，如比較常用的擠密預制樁，強夯法，沉管碎石樁等；三是動荷載，在動荷載作用下，砂土來不及排水，才可能發生液化，通過研究表明，砂土的液化特性除了與密實度有關外，還和振動應變史有關，因此可以使砂土先經過強烈的預震，增強砂土的抗液化能力，如強夯法，地震法、沉管碎石樁等。

4 工程實例

某辦公樓，地下1層,地上12層，擬采用筏板基礎，基礎埋深位于地面下4m，抗震設防烈度為8度，設計地震基本加速度為0.20 g，根據巖土工程勘察報告知,地下水位于地面下1.80m，在地面以下4.80~7.60m范圍內，存在可液化砂層，必須對其進行地基處理。

本工程在設計時，充分考慮了場地的工程地質情況，結合本地區及相鄰建筑物的經驗，通過對可行的地基處理方案的分析比較，擬選用沉管碎石樁復合地基來進行處理。首先根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）里面的公式（1）求出標準貫入錘擊數臨界值，然后將標準貫入錘擊數臨界值設為打樁后標準貫入錘擊數；根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）里面的公式（2）將現場的實際標準貫入錘擊數代入，求出面積置換率，最后取最大的面積置換率，用公式（3）進行計算，求出單樁豎向承載力，設計樁長和樁徑。

式中：Ncr—液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0—液化判別標準貫入錘擊數基準值；ds—飽和土標準貫入點深度（m）；dw—地下水位（m）；ρc—粘粒含量百分率，當<3或為砂土時，應采用3；β—調整系數，設計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

式中：N1—打樁后標準貫入錘擊數；ρ—面積置換率;Nρ—打樁前標準貫入錘擊擊數。

式中：fspk—復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。

經過振動沉管碎石樁處理后，通過對場地的砂層進行標準貫入試驗，得出砂層液化已經消除，通過對單樁及復合地基做載荷試驗，復合地基承載力滿足要求。

5 結論

根據以上理論分析及工程實例,可以得到如下結論:

飽和砂土在地震的作用下發生液化的機理目前主要有兩種理論，一種認為飽和砂土是否會發生液化是由砂土的法向有效應力狀態決定的，另一種認為飽和砂土是否會發生液化是與砂土顆粒間的位移有關。

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。

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

與CFG樁相比,沉管碎石樁節約了工程造價。

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