如何處理液化場地

楊有

摘要：目前工程界對于地基處理方面的技術(shù)尚不成熟，特別是在一些濕陷性黃土的地區(qū)以及中砂土易發(fā)生液化的都很難處理。關(guān)于具體處理可液化地基的方法，常用的方法有換填法、強(qiáng)夯法、砂樁法、碎石樁法等。

關(guān)鍵詞：液化；場地；基地；處理

1.概述

場地土的液化是處于地下水位以下的飽和砂土和粉土的土顆粒結(jié)構(gòu)，受到地震作用時(shí)將趨于密實(shí)，使空隙水壓力急劇上升，而在地震作用的短暫時(shí)間內(nèi)，這種急劇上升的空隙水壓力來不及消散，使原有土顆粒通過接觸點(diǎn)傳遞的壓力減小，當(dāng)有效壓力完全消失時(shí)，土顆粒處于懸浮狀態(tài)之中。這時(shí)，土體完全失去抗剪強(qiáng)度而顯示出近于液體的特性，這種現(xiàn)象稱為液化。

2.場地砂土液化的機(jī)理

飽和的疏松粉、細(xì)砂土體在振動(dòng)作用下有顆粒移動(dòng)和變密的趨勢，對應(yīng)力的承受從砂土骨架轉(zhuǎn)向水，由于粉和細(xì)砂土的滲透力不良，孔隙水壓力會(huì)急劇增大，當(dāng)孔隙水壓力大到總應(yīng)力值時(shí)，有效應(yīng)力就降到0，顆粒懸浮在水中，砂土體即發(fā)生液化。砂土液化后，孔隙水在超孔隙水壓力下自下向上運(yùn)動(dòng)。如果砂土層上部沒有滲透性更差的覆蓋層，地下水即大面積溢于地表；如果砂土層上部有滲透性更弱的粘性土層，當(dāng)超孔隙水壓力超過蓋層強(qiáng)度，地下水就會(huì)攜帶砂粒沖破蓋層或沿蓋層裂隙噴出地表，產(chǎn)生噴水冒砂現(xiàn)象。地震、爆炸、機(jī)械振動(dòng)等都可以引起砂土液化現(xiàn)象，尤其是地震引起的范圍廣、危害性更大。

砂土液化的防治，主要從預(yù)防砂土液化的發(fā)生和防止或減輕建筑物不均勻沉陷兩方面入手。包括合理選擇場地；采取振沖、夯實(shí)、爆炸、擠密樁等措施，提高砂土密度；排水降低砂土孔隙水壓力；換土，板樁圍封，以及采用整體性較好的筏基、深樁基等方法。

3.液化土層地基處理的思路

由于好象設(shè)計(jì)和計(jì)算沒有專門的公式，因?yàn)樘幚矸椒ú煌顒e很大、處理程度更難掌握。首先，根據(jù)潛在液化層厚度和深度、建筑規(guī)模、當(dāng)?shù)丶夹g(shù)水平選擇合理的液化處理方法，然后，進(jìn)行一些原位測試試驗(yàn)，如標(biāo)貫和靜力觸探。液化判斷時(shí)，可能液化層一般是標(biāo)貫擊數(shù)很低，而處理后明顯提高，則表明處理效果好，再判斷可能就不液化了，具體提高多少，需要根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果，重新評價(jià)巖土參數(shù)。掌握以上思路就可以運(yùn)籌帷幄。

4.基地抗液化措施

應(yīng)根據(jù)構(gòu)筑物的類別和地基的液化等級選擇。除丁類構(gòu)筑物外，不應(yīng)將未經(jīng)處理的液化土層作為天然地基持力層。

4.1全部消除地基液化沉陷的措施

主要是：（1）采用樁基時(shí)，樁端伸入液化深度以下穩(wěn)定土層中的長度（不包括樁尖部分），應(yīng)按計(jì)算確定，且對碎石土，礫、粗、中砂，堅(jiān)硬粘性土和密實(shí)粉土尚不應(yīng)小于0.5m，對其他非巖石土尚不宜小于1.5m。（2）采用深基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)底面應(yīng)埋入液化深度以下的穩(wěn)定土層中，其深度不應(yīng)小于0.5m。（3）采用加密法（如振沖、振動(dòng)加密、擠密碎石樁、強(qiáng)夯等）加固時(shí)，應(yīng)處理至液化深度下界；振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于本節(jié)第4.3.4條規(guī)定的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。（4）用非液化土替換全部液化土層。（5）采用加密法或換土法處理時(shí)，在基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度，應(yīng)超過基礎(chǔ)底面下處理深度的1/2且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5。

4.2部分消除地基液化沉陷的措施

主要是：（1）處理深度應(yīng)使處理后的地基液化指數(shù)減少，當(dāng)判別深度為15m時(shí)，其值不宜大于4，當(dāng)判別深度為20m時(shí)，其值不宜大于5；對獨(dú)立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)，尚不應(yīng)小于基礎(chǔ)底面下液化土特征深度和基礎(chǔ)寬度的較大值。（2）采用振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于按本節(jié)第4.3.4條規(guī)定的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。（3）基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度，應(yīng)符合本節(jié)第4.3.7條5款的要求。

4.3減輕液化影響的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理

可綜合采用各項(xiàng)措施，主要是：（1）選擇合適的基礎(chǔ)埋置深度。（2）調(diào)整基礎(chǔ)底面積，減少基礎(chǔ)偏心。（3）加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度，如采用箱基、筏基或鋼筋混凝土交叉條形基礎(chǔ)，加設(shè)基礎(chǔ)圈梁等。（4）減輕荷載，增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和均勻?qū)ΨQ性，合理設(shè)置沉降縫，避免采用對不均勻沉降敏感的結(jié)構(gòu)形式等。（5）管道穿過建筑處應(yīng)預(yù)留足夠尺寸或采用柔性接頭等。

5.處理可液化地基的方法

5.1換填法

換填法將基礎(chǔ)底面以下一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖去，然后分層填入強(qiáng)度較大的砂，碎石，素土，灰土及其他性能穩(wěn)定和無侵蝕性的材料，并夯實(shí)至要求的密實(shí)度。建筑物基礎(chǔ)下的持力層比較軟弱、不能滿足上部荷載對地基的要求時(shí)，常采用換填土墊層來處理軟弱地基。即將基礎(chǔ)下一定范圍內(nèi)的土層挖去，然后回填以強(qiáng)度較大的砂、砂石或灰土等，并分層夯實(shí)至設(shè)計(jì)要求的密實(shí)程度，作為地基的持力層。換填法適于淺層地基處理，處理深度可達(dá)2～3米。根據(jù)工程實(shí)踐表明，采用換填法不僅可以解決工程地基處理問題，而且是可就地取材，施工方便，不需特殊的機(jī)械設(shè)備，并且可縮短工期等。

此方法原理相對簡單，根據(jù)實(shí)際工程情況，選擇墊層種類即可，但多適用于中小型建筑場地，對于道路工程或者換填材料不充足地區(qū)并不合適。

5.2強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法處理地基的原理：利用起重設(shè)備將夯錘提升到一定高度，然后使其自由下落，以一定的沖擊能量作用在地基上，在地基土里產(chǎn)生極大的沖擊波，以克服土顆粒間的各種阻力，使地基密實(shí)，從而提高強(qiáng)度，減少沉降，消除濕陷性或者提高抗液化能力。當(dāng)全液化地基路段較長，或需處理面積大，地基處理區(qū)域較近范圍內(nèi)無建筑物，無重要構(gòu)造物時(shí)，強(qiáng)夯法是比較理想的地基處理方法。

總的來說，強(qiáng)夯加固地基主要是強(qiáng)大的夯擊能在地基中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力對土體進(jìn)行加固作用，對飽和細(xì)粒土而言，經(jīng)強(qiáng)夯后，其強(qiáng)度的提高過程可分為：①夯擊能量的轉(zhuǎn)化，同時(shí)伴隨強(qiáng)制飽和土的壓縮和振密（包括土體中氣體的排出，孔隙水壓的上升），局部土體的液化或土體結(jié)構(gòu)的破壞（表現(xiàn)為土體強(qiáng)度的降低或抗剪強(qiáng)度的喪失）；②排水固結(jié)壓實(shí)，表現(xiàn)為土體滲透性能改變，土體裂隙的發(fā)育，孔隙水得以順利逸處，超孔隙水壓力消失，土體強(qiáng)度提高；③土體觸變恢復(fù)并伴隨土體壓密，包括部分自由水變?yōu)楸∧に馏w結(jié)構(gòu)性逐漸恢復(fù)，強(qiáng)度提高，這一階段變形很小，主要是土體觸變恢復(fù)，是在強(qiáng)夯終止后很長時(shí)間才能達(dá)到。 在我國強(qiáng)夯法常用來加固碎石土、砂土、粘性土、雜填土、濕陷性黃土等各類地基土。由于其具有設(shè)備簡單、施工速度快、適用范圍廣、節(jié)約三材、經(jīng)濟(jì)可行、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，很快受到工程界的重視，并得以迅速推廣取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5.3碎石樁法

碎石樁是指用振動(dòng)、沖擊和水沖等方式在軟弱地基中成孔后將碎石樁擠壓入土中，形成由碎石所構(gòu)成的密實(shí)樁體。該方法自1937年德國人發(fā)明振動(dòng)水沖法（振沖法）并將之用于擠密砂土地基后，在工程逐漸推廣，現(xiàn)在所提及的碎石樁是指各種施工工藝制成的以石料組成的樁柱體。

這里簡單介紹一下干振碎石樁，干振碎石樁是一種利用振動(dòng)荷載預(yù)沉導(dǎo)管，通過樁管灌入碎石，在振、擠、壓作用下形成較大密度的碎石樁。由于它克服了振沖法的嚴(yán)重缺陷，在我國得到較多應(yīng)用。干振碎石樁處理液化地基屬于物理加固方法，其加固液化地基的原理是：

振密作用：在成樁過程中，激振器產(chǎn)生的振動(dòng)通過導(dǎo)管傳遞給土層使其附近的飽和土地基產(chǎn)生振動(dòng)孔隙水壓力，導(dǎo)致部分土體液化，土顆粒重新排列趨向密實(shí)，從而起到振密作用。

擠密作用：下沉樁管時(shí)樁管對周圍砂層產(chǎn)生很大的橫向壓力，將土體中等于樁管體積的土擠向周圍土體使之密實(shí)，灌注碎石后振動(dòng)、反插也使土體受到擠密，從而提高了地基的抗剪強(qiáng)度和抗液化性能。 排水減壓作用：干振碎石樁在土層中形成良好的排水通道縮短土中排水路徑，加速超孔隙水壓力的消散，增強(qiáng)了土體抗剪 強(qiáng)度，因此在地震力作用下孔隙水壓力不易積累增長，也就不會(huì)發(fā)生液化。

預(yù)振作用：研究表明，砂土液化的特性除了與土的相對密度有關(guān)外，還與其振動(dòng)應(yīng)變歷史有關(guān)。干振碎石樁施工時(shí)的振動(dòng)作用在使土層振密、擠密的同時(shí)還獲得了預(yù)振，這對增強(qiáng)地基的抗液化的能力是極為有利的。碎石樁的樁長確定應(yīng)由處理深度而定，這與工程重要性以及地基液化程度密切相關(guān)。這時(shí)可遵循原則：①當(dāng)要求全部處理液化層時(shí)，樁長必須穿過液化層；但當(dāng)液化層深度大于15m時(shí)，由于施工條件限制，可采用其他方法；②當(dāng)要求部分消除液化時(shí)，處理后的非液化土上覆復(fù)合地基厚度應(yīng)滿足液化初判的上覆土層厚度要求。樁長的因素，也就限制了其使用條件，當(dāng)液化深度過大時(shí)，可采用強(qiáng)夯法，但對于大面積處理可液化土而言，強(qiáng)夯法和干振碎石樁法都是是首選的處理手段。

5.4砂樁法

砂樁還可用于處理可液化的地基，也稱為擠密砂樁或砂樁擠密法。是指用振動(dòng)、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后再將砂擠入土中，形成大直徑的密實(shí)砂柱體的加固地基的方法。在用于飽和粘土的處理時(shí)，最好是通過現(xiàn)場試驗(yàn)后再確定是否采用。

近年發(fā)展起來的一種砂樁施工新工藝：振動(dòng)機(jī)管砂樁。振動(dòng)沉管法是在振動(dòng)機(jī)的振動(dòng)作用下，把套管打入規(guī)定的設(shè)計(jì)深度，套管入土后，擠密套管周圍的土，然后再投入砂子，排砂于土中，振動(dòng)密實(shí)、振動(dòng)拔管成樁，多次循環(huán)后，就成為擠密砂樁。這種施工工藝處理效果較好，既有擠密作用又有振密作用，使樁與樁間土形成較好的復(fù)合地基，提高場地基承載力、防止了砂土液化、增大了軟弱地基土的整體穩(wěn)定性。目前，砂樁材料除單純用砂子外，還有砂石樁、灰砂樁；用砂石料形成砂石樁，用灰砂料形成灰砂樁。灰砂樁隨著時(shí)間的增加，土中固化作用提高，樁體強(qiáng)度也不斷增加，能起到擠密地基、提高地基承載力的作用。砂石樁比純砂樁樁身具有更好的顆粒級配、有更大的樁身密實(shí)度，單樁強(qiáng)度有所改進(jìn)。砂樁適用于處理松砂、粉土、素填土、雜填土、粘性土地基等，可用于廠房和住宅等工業(yè)與民用建筑地基加固工程中。

6.結(jié)語

綜上，砂樁對地基的加固效果類似于碎石樁，但在實(shí)際工程中的效果比碎石樁稍差，所以更多工程中選擇碎石樁。隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，一些新的技術(shù)和方法得到了應(yīng)用，碎石樁和砂樁就出現(xiàn)了許多新工藝，在地基加固工程中所占地位也在逐漸提高。