飽和砂土液化評(píng)價(jià)及防治措施

何 陽(yáng)， 龐 鐵， 徐定芳， 陳帥奇， 劉一鳴

（湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙410116）

常德市是湘西北中心城市、綜合交通樞紐、商貿(mào)物流中心、新型工業(yè)基地、旅游服務(wù)基地和文教基地，區(qū)內(nèi)規(guī)劃了一系列功能區(qū)和交通線（高速Ⅶ公路、過(guò)江隧道、城際輕軌、高速鐵路等） 等。 常德市規(guī)劃區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g［1］。 在本項(xiàng)目調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，沅江兩岸全新統(tǒng)（Qh）地層中分布有大面積的飽和砂土，在地震的作用下，易形成大范圍的砂土液化［2］，會(huì)引起地基承載力降低甚至喪失，導(dǎo)致大面積地面變形、冒水噴砂等嚴(yán)重后果［3］，因此，對(duì)本區(qū)域進(jìn)行地震作用下的砂土液化評(píng)價(jià)，并提出防治建議對(duì)區(qū)內(nèi)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)地形地勢(shì)總體上沿沅江兩岸向外依次為低平的沖積-沖湖積平原、紅土崗地、丘陵，區(qū)內(nèi)海拔低于100 m，一般處于30～40 m。

1.2 地層巖性

研究區(qū)地層以第四系為主，地層由上至下為全新統(tǒng)（Qh）、晚更新統(tǒng)（Qp3）、中更新統(tǒng)（Qp3）、早更新統(tǒng)（Qp3）、古近系（E）、白堊系（K）。 其中全新統(tǒng)（Qh）地層一般厚度為0 ～20 m， 0 ～12 m 左右為粉質(zhì)粘土，12 ～20 m 為粉土、粉砂；下部為晚更新統(tǒng)（Qp3）及中更新統(tǒng)（Qp3）礫、卵石層。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，含水層主要為洞庭湖組、汨羅組礫卵石層，上部為弱透水的砂質(zhì)黏土、網(wǎng)紋狀黏土覆蓋，厚1.60 ～12.60 m，單井涌水量一般大于1 000 m3／ d，水量豐富，地下水位埋探0.44～7.83 m，年變幅一般為2～4 m，具承壓性。

1.4 地震情況

研究區(qū)位于漢江地震帶的常德－臨澧潛在震源區(qū)內(nèi)，太陽(yáng)山斷裂帶的南段縱貫全區(qū)，為主要孕震、導(dǎo)震構(gòu)造。 區(qū)內(nèi)新構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈，太陽(yáng)山斷裂處于升降的轉(zhuǎn)折部位。 區(qū)內(nèi)歷史上發(fā)生4 級(jí)以上地震7 次，最大震級(jí)6.8 級(jí)。 歷史上共發(fā)生21 次地震，其中11 次震級(jí)小于3.5 級(jí)，1631 年本區(qū)發(fā)生過(guò)歷史上最大的一次地震，震中位于研究區(qū)太陽(yáng)山斷裂帶附近。

2 飽和砂土液化的基本機(jī)理及危害

松散的飽和粉土、砂土受到震動(dòng)時(shí)有顆粒移動(dòng)和變密的趨勢(shì)，由于飽和粉土、砂土的孔隙全為水充填，且粉土、砂土的滲透性不良，導(dǎo)致孔隙水壓力急劇上升，而在地震過(guò)程的短暫時(shí)間內(nèi)，驟然上升的孔隙水壓力來(lái)不及消散，這就使原來(lái)由粉砂土顆粒通過(guò)其接觸點(diǎn)所傳遞的有效壓力減小，當(dāng)有效壓力完全消失時(shí)，飽和粉砂土?xí)耆珕适Э辜魪?qiáng)度和承載能力，變成像液體一樣的狀態(tài)，這就是所說(shuō)的飽和粉土、砂土的液化現(xiàn)象［2］。

砂土的抗剪強(qiáng)度ts一般用下式表示：

式（1）中σ和σ′分別為有效法向應(yīng)力和總法向應(yīng)力；φ′為有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角；μ為孔隙壓力。 如果條件改變，使σ′或σ－μ等于或趨近于零，也會(huì)使ts降低，以致砂土顆粒喪失粒間接觸壓力和摩擦力而造成液化。 本區(qū)歷史上的地震曾多次誘發(fā)砂土液化，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失，主要造成地面噴水冒砂、地基不均勻沉陷、地裂滑坡、建筑物沉降和嚴(yán)重傾斜，甚至造成建筑物破壞、道路路基滑移、路面縱裂、橋梁落架、農(nóng)田破壞、農(nóng)作物減產(chǎn)等危害。 因此修建重要建筑物應(yīng)采取抗液化措施，從抗震角度出發(fā)，城市發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃區(qū)重要的建筑物要盡可能避開(kāi)這些液化地段。

3 飽和砂土液化判別方法及評(píng)價(jià)

3.1 初步判定法

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）2016 版的有關(guān)規(guī)定，飽和的粉土或砂土當(dāng)符合下列條件之一時(shí)，可初步判別為不液化或可不考慮液化影響：（1）地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世（Q3） 或其以前時(shí)，抗震設(shè)防烈度為7 度、8 度時(shí)可判別為不液化；（2）粉土的黏粒（粒徑小于0.005 mm）含量百分率在抗震設(shè)防烈度為7 度、8 度和9 度時(shí)分別不小于10、13 和16，可判為不液化土。

淺埋天然地基的建筑，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時(shí)，可不考慮液化影響：

式（2）中du為上覆蓋非液化土層厚度，m，計(jì)算時(shí)宜將淤泥和淤泥質(zhì)土層扣除；dw為地下水位深度，m，宜按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近年內(nèi)最高水位采用；db為基礎(chǔ)埋置深度，m，當(dāng)不超過(guò)2 m 時(shí)應(yīng)采用2 m；d0為液化土特征深度，m，可按表1 采用。

表1 液化土特征深度（m）

3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法

飽和砂土或粉土經(jīng)初步液化判別后，確認(rèn)需要進(jìn)一步做液化判別時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法判別地面以下20 m 深度范圍內(nèi)土的液化情況。 當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值 （未經(jīng)桿長(zhǎng)修正） 小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時(shí)，應(yīng)判為液化土。 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計(jì)算：

式（3）中：Ncr為液化判定標(biāo)準(zhǔn)貫人錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判定標(biāo)準(zhǔn)貫人錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，可按表2 采用；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m；dw為地下水位深度；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3 或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

表2 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值

對(duì)存在液化砂土層、粉土層的地基，應(yīng)探明各液化土層的深度和厚度，按下式計(jì)算每個(gè)鉆孔的液化指數(shù)，并按表3 綜合劃分地基的液化等級(jí)。

式（4）中：IlE為液化指數(shù)；n為在判別深度范圍內(nèi)每個(gè)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的總數(shù)；Ni、Ncri分別為i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值和臨界值，當(dāng)實(shí)測(cè)值大于臨界值時(shí)應(yīng)取臨界值；當(dāng)只需要判別15 m 范圍以內(nèi)的液化時(shí)，15 m 以下的實(shí)測(cè)值可按臨界值采用；di為i點(diǎn)所代表的土層厚度，m，可采用與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；wi為i土層單位厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值，m－1。 當(dāng)該層中點(diǎn)深度不大于5 m 時(shí)應(yīng)采用10，等于20 m時(shí)應(yīng)采用零值，5～20 m 時(shí)應(yīng)按線性內(nèi)插法取值。

表3 液化等級(jí)與液化指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3 靜力觸探試驗(yàn)法

根據(jù)靜力觸探試驗(yàn)法進(jìn)行飽和粉土、砂土的液化判定的判別方法，當(dāng)實(shí)測(cè)計(jì)算比貫入阻力ps或?qū)崪y(cè)計(jì)算錐尖阻力qe小于液化比貫入阻力臨界值pser或液化錐尖阻力臨界值qeer時(shí)，應(yīng)判別為液化土，并按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：pser、qeer分別為飽和土靜力觸探液化比貫入阻力臨界值或液化錐尖阻力臨界值，MPa；ps0、qe0分別為地下水深度dw＝2 m，上覆非液化土層厚度du＝2 m 時(shí)，飽和土液化判別比貫入阻力基準(zhǔn)值和液化判別錐尖阻力基準(zhǔn)值，MPa，可按表4 取值；αw為地下水位埋深修正系數(shù)，地面常年有水且與地下水有水力聯(lián)系時(shí)，取1.13；αu為上覆非液化土層厚度修正系數(shù)，對(duì)深基礎(chǔ)，取1.0；dw為地下水深度，m；du為上覆非液化土厚度，m，計(jì)算時(shí)應(yīng)將淤泥和淤泥質(zhì)土層厚扣除；αp為與靜力觸探摩阻比有關(guān)的土性修正系數(shù)，可按表5 取值。

表4 比貫入阻力和錐尖阻力基準(zhǔn)值ps0、qe0

表5 土性修正系數(shù)αp

3.4 區(qū)內(nèi)飽和砂土液化判別分析

常德市區(qū)內(nèi)地層以第四系為主，區(qū)內(nèi)全新統(tǒng)的粉土及砂土沿沅江兩岸建設(shè)區(qū)及規(guī)劃區(qū)大面積分布，埋深較淺，厚度一般0.50 ～8.00 m，地下水的埋深一般0.5～2.50 m，且主要為粉細(xì)砂，顆粒均勻，多呈松散狀態(tài)，具備易液化砂土的條件。 常德市武陵區(qū)、鼎城區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g。 按 《 建 筑 工 程 抗 設(shè) 防 分 類 標(biāo) 準(zhǔn) 》 （ GB 50223—2008）的規(guī)定，本地區(qū)建筑工程甲類和乙類建筑應(yīng)提高一度按8 度設(shè)防，丙類和丁類建筑可按7 度設(shè)防。

3.4.1 初步判定

根據(jù)收集工程勘察報(bào)告土工試驗(yàn)中粉土的黏粒粒徑小于0.005 mm 顆粒含量百分率分析，因場(chǎng)地為7 度區(qū)，丙類和丁類建筑場(chǎng)地粉土有1 個(gè)可能液化，甲類和乙類建筑場(chǎng)地有17 個(gè)可能液化。

3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判定

據(jù)收集市區(qū)部分工程勘察報(bào)告，對(duì)其中25 個(gè)工程場(chǎng)地的粉土及粉砂層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)分析，粉土和粉砂液化等級(jí)為輕微液化-嚴(yán)重液化，細(xì)砂液化等級(jí)為輕微液化-中等液化。

3.4.3 雙橋靜力觸探試驗(yàn)判定

根據(jù)44 個(gè)雙橋靜力觸探試驗(yàn)孔結(jié)果，對(duì)粉土、粉細(xì)砂進(jìn)行雙橋靜力觸探試驗(yàn)分析，有29 個(gè)鉆孔的粉土液化，1 個(gè)鉆孔的粉細(xì)砂液化。

3.5 區(qū)內(nèi)飽和砂土液化分區(qū)

對(duì)以上幾種方法的結(jié)論進(jìn)行綜合分析，區(qū)內(nèi)分布有63.30 km2可液化的粉土、粉細(xì)砂層，主要分布在沅江兩岸、柳葉湖片區(qū)東部及南部、占天湖片區(qū)、河洑片區(qū)及江北城區(qū)的北面。 粉土的埋深1.40 ～14.30 m，層厚0.50～7.80 m，粉砂的埋深0.90～13.10 m，層厚1.11～5.32 m，細(xì)砂的埋深5.70～14.10 m，層厚1.40～3.10 m，地下水位0.50～2.50 m。

4 可液化地基抗震的措施及處理方法

飽和粉土、飽和砂土在地震時(shí)產(chǎn)生液化將引起地基的不均勻沉降，導(dǎo)致建筑物破壞，土層液化引起的建筑物傾斜往往也帶來(lái)大體積土體滑動(dòng)而造成嚴(yán)重后果。 因此，為保障建筑物安全，應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性及地基的液化等級(jí)，綜合考慮，選擇恰當(dāng)?shù)目挂夯胧?］，具體如下：

4.1 全部消除地基液化的措施

全部消除地基液化的沉陷措施為可采用樁基、深基礎(chǔ)、土層加密法或挖除全部液化土層等。 采用樁基時(shí)，采樁底深入液化深度以下穩(wěn)定土層的長(zhǎng)度（不包括樁尖部分）應(yīng)按計(jì)算確定，且對(duì)碎石土、礫、粗、中砂、堅(jiān)硬黏性土和密實(shí)的粉土不應(yīng)小于0.8 m，其他非巖石土不應(yīng)小于1.5 m；采用深基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)底面應(yīng)埋入液化土深度之下的穩(wěn)定土層中，其深度不應(yīng)小于0.5 m；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，樁間土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；用非液化土替換全部液化土層，或增加上覆非液化土層的厚度；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(guò)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 部分消除地基液化的措施

處理深度應(yīng)使處理后的地基液化指數(shù)減少，其值不宜大于5，大面積筏基、箱基的中心區(qū)域，處理后的液化指數(shù)可比上述規(guī)定降低1，對(duì)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；采用振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；采取減小液化震陷的其他方法，如增厚上覆非液化土層的厚度和改善周邊的排水條件等。

4.3 減輕液化影響的措施

減輕液化影響的措施：選擇合適的基礎(chǔ)埋置深度；調(diào)整基礎(chǔ)底面積，減少基礎(chǔ)偏心；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；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，避免采用易受不均勻沉降影響的結(jié)構(gòu)形式等；管道穿過(guò)建筑處應(yīng)留足足夠尺寸或采用柔性接頭等。

5 結(jié)論

研究區(qū)地層以第四系為主，抗震設(shè)防烈度為7度，區(qū)內(nèi)大面積分布全新統(tǒng)的粉土及砂土，其埋深淺，厚度較大，城市建筑物及其地下室基底多位于可液化土層。 通過(guò)本次研究，對(duì)其液化土的分布范圍、埋深及厚度進(jìn)行系統(tǒng)分析，為城市規(guī)劃及可液化地基抗震的措施及處理設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù)。 建議如下：

（1）城市重要的建筑物及地下工程宜選用非液化場(chǎng)地進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，在分布有液化土地帶進(jìn)行建設(shè)的工程需考慮液化影響，進(jìn)行抗液化設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)的底面盡量放在液化層以下或采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行穿越進(jìn)入穩(wěn)定地層中，樁基礎(chǔ)采用鉆（沖）灌注樁為宜。

（2）液化地段建筑物的基礎(chǔ)型式應(yīng)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；合理設(shè)置沉降縫，避免采用對(duì)不均勻沉降敏感的結(jié)構(gòu)形式。

（3）建設(shè)地下管線經(jīng)過(guò)液化場(chǎng)地要具有適應(yīng)抗液化沉陷能力，對(duì)埋入地下的輸水、氣、熱力管道，宜采用鋼管；對(duì)埋地的承插式接口管道，應(yīng)采用柔性接口；對(duì)埋地的矩形管道，應(yīng)采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆整體結(jié)構(gòu)，并沿線設(shè)置具有抗剪能力的變形縫；當(dāng)埋地圓形鋼筋混凝土管道采用預(yù)制平口接頭管時(shí)，應(yīng)對(duì)該段管道做鋼筋混凝土滿包；架空管道應(yīng)采用鋼管，并應(yīng)設(shè)置適量的具有活動(dòng)性、可撓性連接接口。