飽和砂土地震液化機理分析及地基處理的應用

趙 洪，伊麗娟

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003；2.大興安嶺職業學院， 黑龍江加格達奇 165000）

飽和砂土地震液化機理分析及地基處理的應用

趙 洪1，伊麗娟2

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003；2.大興安嶺職業學院， 黑龍江加格達奇 165000）

飽和砂土在地震荷載作用下極易發生液化,對工程建筑造成危害。本文探討了地震力作用下飽和砂土的液化機理。通過實例說明CFG樁和碎石樁共用具有明顯的抗液化效果，并提出CFG樁和碎石樁抗液化，需進一步研究的問題。

地震；砂土液化機理；地基處理；碎石樁

0 引言

地震是最常見的地質災害，它除了本身的破壞性以外，還可以引發許多次生災害，砂土液化就是其一。砂土液化給建筑工程產生了很大的破壞作用，必須加以重視，并減輕砂土液化的危害。如1964年日本新瀉(Niigata)發生的7.6級地震，由于靠近河岸大面積砂土地基發生液化，大量建筑物遭到破壞，坍毀房屋2130棟，嚴重損壞6200棟，輕度損壞31200棟；1966年我國邢臺發生的6. 7級地震，沿著滏陽河及支流兩岸，在南北長約60km，東西寬約10～20km的地區內，發生砂土液化，引起的噴砂冒水造成了大量的堤防坍滑，河道、建筑物破壞[1]；1976年我國唐山發生的7.8級強地震，震后數分鐘地表開始大面積砂土液化，噴水、冒砂達數小時，引起地表開裂與下沉，并最終使建筑物成片裂塌。我國是一個多地震的國家，在以往的多次強烈地震中，由于砂土液化造成的各種損害相當嚴重。

1 砂土液化的機理

飽和砂土是砂和水的復合體系。飽和砂土在地震荷載作用下會發生液化，其原因在于：一是地基的密實度不足，在動荷載作用下孔隙水壓力上升，土體的有效應力降低，顆粒處于懸浮狀態，使地基承載力不足，變形增大;二是在地震荷載作用下產生的孔隙水壓力不能及時消散，造成地基的噴砂冒水或砂土由原來的固體狀態轉變為液體的流動狀態。

砂土是一種散體物質，它主要依靠顆粒之間的摩擦力承受外力和維持本身的穩定;而這種摩擦力主要取決于顆粒之間的法向應力：

水是一種液體，它能承受極大的法向應力，但不能承受剪應力，且體積難于壓縮。

在地震力作用下，疏松的飽和砂土在剪應力的反復作用下，砂粒間相互位置產生調整，使砂土趨于密實，以期最終達到最穩定的緊密排列狀態。砂土要變密實就勢必排水。在急劇的周期性荷載作用下，所伴隨的孔隙度減小都要求排擠出一些水，且透水性變差。在砂土透水性不良而排水不通暢的情況下，則前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度減小又產生了，由于孔隙水來不及排出(相當于不排水條件)，而水又是不可壓縮的，于是就產生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力。此時砂土的抗剪強度為：

顯而易見，隨振動持續時間的增長，剩余孔隙水壓力不斷增大，砂土的抗剪強度不斷降低，甚至完全喪失，呈現為稀砂(泥)漿狀態。飽和砂土振動液化后，隨著孔隙水的逐漸排出，孔壓逐漸消散，土粒逐漸沉降堆積，重新排列成較為密實的狀態。（如圖1所示）

圖1 液化過程示意

從初始液化狀態至完全液化狀態往往發展很快，二者界線不易判別。為了保證安全，可把初始液化視作液化。

圖2 水平土層中土單元的應力狀態

2 砂土液化的主要影響因素

在地震力的作用下，砂土是否會發生液化以及液化的危害程度，主要與砂土本身的物理性質、埋藏條件及地震等因素有關。

（1）對砂土液化有影響的土的物理力學性質主要包括砂土顆粒的大小、密實度、不均勻系數等，一般來說，砂土顆粒越大，發生液化的可能性就越低，顆粒越小，發生液化的可能性就越高，顆粒較大，孔隙水容易排出，所以粗砂以上的砂土發生液化的概率很低；密實度是影響穩定性的根本因素，密實度越高，發生液化的可能性就越小，反之則越大，砂土密實度大小的直接表現為標準貫入擊數的多少，同一種砂土，密實度越高，標準貫入擊數則越大，發生液化的可能性越小，危害也越小；不均勻系數越大，密實度一般就越高，發生液化的概率就越小。

（2）砂土的埋藏條件對液化也有很大影響，一般來說，砂土層越厚，發生液化的可能性就越大，危害也越大；砂土上方覆蓋非液化土層越厚，砂土所受到自重壓力就越大，孔隙水壓力上升到足以克服自重壓力的程度就越困難，因而抑制了液化甚至是防止了液化的發生。

（3）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，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。

3 砂土液化處理及工程實例

3.1 砂土液化處理

通常情況應避免未加固處理的可液化土層作天然地基的持力層。根據地基的液化等級、建筑類別、結合具體情況，選擇適當的抗液化措施。

(1)對于抗震設防為乙類的建筑，液化等級為嚴重的，應采取全部消除液化沉陷的措施，措施有：采用樁基、深基礎、深層處理至液化深度下界或挖除全部可液化土層。

(2)對于建筑物抗震設防類別為乙類，地基液化等級為輕微的，應采用部分消除液化沉陷或對基礎和上部結構處理，措施有：挖除部分可液化土層、加固、固封、蓋重或人工加密。加密的目的為增加砂土的密實度;例如：振沖加密;擠密砂樁；

（3）對于建筑物抗震設防類別為乙類的、液化等級為中等的建筑物，建筑抗震設防類別為丙類、液化等級為嚴重的，可以采用全部消除液化措施也可采用部分消除液化措施或對基礎和上部結構處理。

3.2 工程實例

某辦公大樓擬建地下一層，地上12層，筏板基礎，基礎埋深位于地面下4.0m，位于8度地震區，設計地震分組為第一組，根據巖土工程勘察報告知，地下水位在地面下1.4m，在地面以下6.9～9.5m范圍內存在可液化粉砂層，因此必須對其進行處理。

根據相鄰建筑的處理及土層的實際情況，結合本地區的經驗，通過地基處理方案分析比較，本工程采用碎石樁的復合地基來消除砂土液化并提高承載力。根據公式（4）進行初步設計，求出最小面積置換率，代入公式（5）設計單樁承載力，樁長和樁徑。

m—面積置換率;

經振動沉管碎石樁處理后，經標準貫入試驗、靜載試驗，得出粉砂的液化已經消除，復合地基承載力≥340kPa，滿足承載力要求。顯然，碎石樁在施工過程中的振動、擠壓作用，對樁間土起到一定的密實作用，提高了它的承載力和剛度；提高了土體抗剪強度，地基土的液化現象均已消除。

4 結論

根據以上分析及工程實例，可以得到如下結論：

(1)地震力作用下，飽和砂土發生液化的過程，實際上是土體抗剪強度消失的過程。在這個過程中，超靜孔隙水壓力隨應力循環次數的增加而逐漸上升，使土顆粒之間的有效應力減小，最終使土粒處于局部或全部懸浮狀態，抗剪強度局部或全部喪失，砂土即出現不同程度的變形或全部液化。

(2)碎石樁復合地基，在施工過程中的振動、擠壓作用，對樁間土起到一定的密實作用，提高了它的承載力和剛度;提高了土體抗剪強度，增加了土體的抗滑能力，處理后的場區地基解決了飽和砂土液化問題。

(3)與傳統樁基相比，節約了工程造價。

[1]金 萍,師旭超.砂土液化防治綜述[J].銅業工程, 2006. 23(2): 50～53.

[2]賈 銳.強夯法在高震區飽和砂土液化地基處理中的應用. 巖土工程.

[3]張春梅,馮玉芹,王應浩.砂土地震液化危害及地基處理研究.世界地震工程，2007，23（3）.

[4]楊恒華.地基土液化機理分析及液化判別方法評述.廣西水利水電 測量與地質，1998，（4）.

[5]趙 洪,侯克鵬,伊麗娟.強夯法在膠壩工程可液化地基處理中的應用.云南冶金，2007，1.

[6]劉紅軍,楊東海.飽和砂土地震液化危害及液化機理分析.森林工程，2005，4.

Earthquake Liquefaction Mechanism of Saturated Sand and Application of Foundation Treatment

ZHAO Hong1, YI Lijuan2

（1.Shanxi Datong University，Datong 037003；2. Daxing’anling Vocational College，Jiagedaqi，165000）

The saturated sand can be easily lique fi ed by earthquake, which will lead to severe damage to constructions. The article discusses the liquefaction mechanism of saturated sand caused by earthquake, which will provide reliable theoretical basis for the control of sand liquefaction. The engineering cases demonstrate that CFG pile and crushed stone pile can achieve good effect to prevent the liquefaction. Finally, in the paper, some questions about CFG pile and crushed stone pile being studied further are put forward.

Earthquakes; liquefaction mechanism of saturated sand; Foundation treatment; Crushed stone pile

P642.2

A

1007-1903（2013）03-0058-03

趙 洪(1979- )，男，,碩士，研究方向：巖土工程。