砂土地震液化的形成機制及防治措施

馬旺 歐陽九發(fā) 康林 喬豐 鄭有偉

摘 要： 在查閱大量資料的基礎上，對砂土地震液化的機制、形成條件進行分析，并總結地震砂土液化對人類工程活動所造成的危害，以及常用的防治措施。

關鍵詞： 砂土地震液化機制;危害;防治

導致砂土液化的主要原因是地震振動和機械振動，由地震振動引起的砂土液化往往是區(qū)域性的危害較大的，1976年唐山地震，寧河縣福莊在此次地震中整體下降2米，塌陷區(qū)邊緣出現環(huán)形裂縫;日本新潟地震均導致大規(guī)模的砂土液化，造成碼頭被毀，樓房傾斜，大量交通線路被毀;而機械振動引起的砂土液化危害較小，鑒于砂土液化給人類工程建設中帶來的危害，人們對其進行深入的研究。

1 砂土地震液化機制

由地震振動引起的砂土液化相對來說比較復雜，一般認為其液化過程分為兩個階段。振動液化階段內，飽水的砂體受周期性的慣性力的作用下，就會有逐漸變密的趨勢，每一次振動都會使空隙減小，排出一部分的水，如果水不能及時排出砂土外，隨著振動周期次數的增加空隙水壓力就會不斷上升，當其上升到等于圍壓時，砂粒間的有效正應力就會逐漸減小，砂的變形速度就會加快，直到砂體完全液化，振動液化后某點的總空隙水壓力等于靜水壓力與剩余空隙水壓力之和，形成了水頭差，在水流運動的過程中砂粒就會被推向水中，形成滲流液化。

2 砂土地震液化形成條件

2.1 砂土的自身條件

（1）相對密度：當砂的相對密度較大時，就會需要更大的地震加速度值或更多的振動次數才能使其完全液化，而松砂液化的條件較為簡單，所以，疏松的砂是液化的必要條件。

（2）粒度和級配：隨砂土平均粒度的減小，砂土充裕空隙比（天然孔隙比與最小空隙比的差值）就會增大，所以在地震時排出的孔隙水增多，并且隨著平均粒度的減小，砂土的透水性就會降低。在一定的粒度范圍內，級配良好會減少砂體內的孔隙，所以配級愈差，粒度愈均勻，越有利于液化。

（3）埋藏條件：由砂土液化機制知，砂粒間的有效正應力降為零時，砂體才能被液化，當液化砂層上伏蓋層重量較大時，空隙水壓力則不足以抵抗由此產生的應力，會抑制砂層液化，所以，易液化的砂層一般埋藏較淺。

（4）成因及時代：近代河口三角洲是造成砂土液化的主要砂體，日本新潟市地震液化最嚴重的地區(qū)是河口堆積的平原，唐山大地震中形成的砂土液化地區(qū)是古代海岸線退后形成的河口三角洲。

2.2 地震條件

地震的強度和時間：強度可以用地震加速度來體現，也是砂土液化形成的動力，地震加速度越大，飽水砂層就更容易液化，持續(xù)時間越長，就可以液化相對密度較大的砂層。

3 防治措施

研究砂土地震液化的主要目的就是防治砂土液化，以減少由它帶來的危害，防地震液化的措施主要有兩類：

3.1 對建筑物進行抗液化設計

（1）上部建筑物抗液化處理。盡量避免在有液化可能的土層上修建建筑物，如果無法避免，并且對地基進行的抗液化處理不滿意時，可以加強上部建筑物抗液化設計，可以減輕上部建筑物的重量，增強上部建筑的整體性和均勻性。

（2）基礎選擇及抗液化處理。如在有可能液化地基上的低矮建筑物可以選擇片筏基礎，以提高承載力，所以基礎應根據現實情況合理選擇。樁基是防止建筑物下沉的常用措施，通過樁基穿過液化土層來消除因液化帶來的危害，為了充分發(fā)揮樁基的作用，就必須依據實際情況對樁基進行保護。據文獻分析，當液化地基有側向擴離的趨勢，對樁基震害有顯著影響，由于受到液化土層側向擴離的作用，在液化與非液化土層交界處的樁身受到很大的剪力，容易發(fā)生破壞，在這種情況下使用樁基時，可以增加樁身配筋，提高樁身的強度，加強樁頭與承臺的連接，來保護樁身的安全。

3.2 人工改良地基

3.2.1 飽水砂層改良措施

（1）振沖法：一種軟弱地基深加固的方法，可以有效提高砂層抗液化能力，使砂土的相對密度增加到0.80，并且回填的碎石樁可以消散空隙水壓，有效地提高了砂土地基的承載能力，通過振沖器前端射水口的高壓噴水，液化附近土層，在沉入設計深度后，提升振沖器，并加入碎石，邊提邊振搗，最后在地基內形成密實的碎石樁。

（2）強夯：在松砂地表用夯錘或振動碾壓機加固砂層，可以提高砂層的相對密度，增強地基抗液化能力。強夯是用重錘從高處自由落體，強大的沖擊波使土體局部液化下沉而變密，該方法施工比較簡單，比較經濟，但是噪音大。我國塘沽使用質量為10噸，底面為2m×2m的夯錘，夯10～14次后，承載力提高了32%～57%。

（3）爆炸振密法：利用爆炸產生的能量使飽和砂土顆粒重組，將空隙水排出，從而增加砂體的相對密度，一般用于處理底面較大的建筑物的地基，這種方法也有許多不足之處，比如，施工工期長，作業(yè)繁重，施工要求高，在其他方法不能施行時，可采用此種方法。

3.2.2 增加上伏蓋層重量

在可液化的土層上方填筑填土層，壓實以提高其抗液化能力，填土層厚度根據本地區(qū)地震烈度計算，填土層產生的重力大于可能產生液化的臨界壓力，在日本新潟地震中，有的建筑物建在原地面上填有3m厚的土層上，損毀較附近建筑物輕。

3.2.3 換土法

一般用于表層處理，地表以下3—6米有可能液化的土層時，將其挖除并填回粗砂壓實，在某些土壩地基和公路可液化地區(qū)采用過。

3.2.4 排水法

在可能液化的砂層中設置滲井，砂體在振動過程中空隙水可以從滲井排出，空隙水壓也可以及時消散，砂層就難以液化。

3.2.5 圍封法

在有可能液化的地基上修建的建筑物，可將基礎范圍內的可液化砂層截斷封閉，可采用混凝土截水墻，沉箱等，用以隔斷外側液化砂層對地基的影響，建筑物下被隔斷的砂層，由于建筑物自身重力使其不會被液化，可以有效防止砂層液化。

基金項目： 內蒙古自然科學基金項目（編號：2018LH04001）

作者簡介： 馬旺（1997—），男，內蒙包頭人，本科在讀，研究方向：地質工程。

*通訊作者： 鄭有偉（1988—），男，講師，研究方向：工程地質教學與研究。