地震液化的危害及對策

摘要：本文通過汶川大地震，唐山大地震等國內外強烈大地震出現的場地土液化現象和對建筑工程造成的危害事例和數據。并提出了消除或盡量減少液化對建筑工程產生危害的措施和對策。

關鍵詞：場地土液化；液化的危害；地基處理措施

我國在2008年5月12日四川省汶川地區發生了8.0級大地震，汶川地震的強度、烈度都超過了1976年的唐山大地震，地震重災區的范圍已經超過10萬平方公里，此次地震是新中國成立以來破壞性最強、波及范圍最大的一次地震，給人民生命財產造成巨大損失。中國地震局2008年7月組織了汶川大地震科學考察，專項研究關于此次地震的地基土液化問題。此次研究發現，汶川地震中在烈度Ⅵ到Ⅺ度地區內均有出現，其中烈度Ⅵ度區內就發現了8處液化現象。這就說明本次地震涵蓋的面積長約500km，寬約200km。東面距離震中約210km的遂寧市安居區；南面距離震中約200km的雅安市漢源縣，北面距離震中約280km的甘肅隴南市，幾乎所有主震區范圍都涉及到液化問題，可見分布之廣，影響之大，實屬罕見，必須引起工程人員的高度關注。

1.地基土液化的危害

在20世紀60年代以前，人們還沒意識到強震后場地土液化對建筑物危害的嚴重性，將大量的工程建設在液化場地土上。飽和松散砂土和粉土廣泛分布于海濱、湖岸、沖積平原以及河漫灘、低階地等地區，強震時這些場地容易產生大面積的液化，造成區域性危害，位于這些液化場地土上的房屋、橋梁、道路、港口、農田、水壩等工程設施將不可避免受到破壞。1964年日本發生新潟地震，震后場地液化對各類工程設施造成巨大破壞，其中有2130多座建筑物由于地基失效而倒塌，6200多座建筑物嚴重破壞，31000多座建筑物輕微破壞。同年美國發生阿拉斯加地震時，波特奇市因砂土液化地面下沉很多，當海水漲潮即受浸淹，迫使該市不得不遷址。液化問題由此得到了重視和研究，迄今仍然是巖土地震工程研究的重點，也是工程建設需要考慮的重點。

地基土液化是一種地基失效形式，即地基土體由固體轉變為液體的狀態，土體液化主要發生在飽和松散粉、細砂土或粉土中。較為輕微的液化會使地基土強度降低，嚴重時則完全失效，表現為噴水冒砂、地面下沉塌陷、地裂縫、側向擴展和流滑等；建造于液化地基土上的建筑物則可能出現地下結構物上浮、房屋開裂、整體傾斜、房屋傾倒等各種形式的破壞。

1.1噴水冒砂

什么是噴水冒砂現象？是怎樣形成的呢？飽和的粉土、砂土是砂顆粒和水組成的復合體，在未地震前，由砂顆粒骨架承擔外力，水只承受靜水壓力。此時，地基土是穩定的，但經過地震的震動反復作用后，砂顆粒產生移動，排列狀態被改變，但體積還是保持不變，震動作用由原來砂顆粒骨架承受轉移到由水來承受。這樣，造成孔隙水壓力急劇增大，最后，由于孔隙水壓力大于等于土體所承受的總應力，土體結構完全被破壞，砂顆粒懸浮于水中，飽和土體就這樣產生液化現象，并在某一個地裂薄弱部位噴射出來。因此，噴水冒砂現象是判定是否發生地基土液化最直接的證據。

在汶川地震中，位于綿陽、成都、德陽和雅安4個不同地區均出現噴水冒砂現象，噴水高度超過10m，如在綿陽地區安縣土門鎮，成都地區都江堰永壽村，噴水高度達到屋頂的天線架，在德陽地區綿竹祥柳村，噴水高度超過兩根電線桿；水柱高度均在10m以上。這種噴水高度在10～15m的現象，在以往地震中比較罕見。按照液化基本原理判斷，應該是深層土液化所致。另外，汶川地震液化噴水時間一般僅持續幾分鐘，但也有個別比較長的。如在樂山市新聯村，出現持續3個月之久的噴水冒砂現象。在什邡市思源村、廣漢市雙石橋村，地震后一個多月，仍有噴水冒砂現象。汶川地震中噴水冒砂的形式有以往常見的形似火山的噴出沙堆，也有串珠式的噴砂孔。與以往地震相比，此次地震液化噴砂量一般均少于5立方米，但在有池和井的地方出現較大噴砂量。如在什邡市思源村一個50m×20m×2m的游泳池，地震前池中干涸，震中液化使池底拱起，池內填充砂水混合物，震后游泳池只有1m深。在綿竹市興隆鎮，有60余口井在震后被埋，井中有大量砂土填充物。

在海城地震中時，震中以西的盤錦地區出現大量噴水冒砂，一般開始于主震過后數分鐘，持續時間5～6小時甚至數日。噴出3～5m高的砂水混合物，形成許多直徑3～4m至7～8m，深數十厘米至數米的橢圓形和圓形坑陷，使當地的交通和水利設施、農田、房屋、地下管道等造成嚴重損害。

在臺灣9.21集集大地震時，彰化縣伸港鄉的大肚溪口南側河道高灘地區，地震后廣泛的土壤液化，并形成噴水冒砂現象，噴砂口形狀好像火山口，從底下涌出的泥砂成輻射狀向四周溢流。

1.2地面塌陷

噴水冒砂后，由于地下砂土流失，較容易形成坑陷，這也是地基土液化最普遍的現象。

在汶川地震中，地基土液化導致塌陷的現象在很多村莊都有出現，如在Ⅵ度區的眉山地區洪雅縣菜地坎村，主震后第三天多處噴水冒砂現象出現在水稻田中，水柱高度30cm，持續一段時間后突然下陷，形成多個直徑約2m，深度約2m的大坑。再如綿竹市祥和村，主震時噴水冒砂現象出現在方圓300畝范圍內的農田中，并出現8處直徑約3～4m、深度約1～2m的塌陷坑，坑邊有砂、礫石噴出，主震一兩個月之后仍然有新的塌陷坑形成。

臺灣9.21集集大地震時，彰化縣社頭鄉仁雅村員集路二段一工廠因為土壤液化，庭院地板龜裂，廠房基礎沉陷，廠房內地板受到較大的液化壓力而破裂隆起并有涌水現象

1.3側向擴展、地裂縫

在臺灣9.21集集大地震時，彰化縣社頭鄉臨鴻門巷附近因土壤液化造成向西側擴展的漂移現象，地板與房屋都因拉張而產生裂隙。此例說明，即使場地表面平整，液化土也可能側向擴展。

在汶川地震中，液化場地70%～80%都產生有長短不一的地裂縫，長度從100～200m到數公里都有。與以往的地震比較，液化形成的圓形和串珠式的噴砂孔在汶川地震中并不多見，反而伴有地裂縫的情況則更為普遍。正因為如此，汶川地震中，在液化場地上的工程結構基本上都出現如結構開裂、下沉、傾斜等破壞。

2.液化地基的處理措施

2.1液化產生的震害

在地震中，液化宏觀現象比較普遍的有地面塌陷、地表裂縫、噴水冒砂等。從而對居民住宅、工廠、學校、橋梁、公路等建筑工程造成了嚴重的破壞。據不完全統計，地震時在液化場地內，直接倒塌的是結構性比較差的建筑物，即使設有構造柱、圈梁的建筑物，開裂、下沉、整體傾斜的現象也比較多。如在汶川大地震中，江油火車站整個車站地基都出現了噴水冒砂、地面塌陷、結構開裂等現象，結構嚴重損壞，目前已經拆除。另外，在唐山地震震害調查中發現，產生液化的場地，往往比同一震中距范圍內未發生液化場地的宏觀烈度要低些。理論上，地震剪切波在液化土層中受阻（流體不能傳遞剪力），使傳至地面上的地震波相應的衰減，從建筑物震動破壞的角度看，這對建筑耐震有利。但更廣泛的液化震害表明，地基土液化失效對建筑的破壞更嚴重，因此不能因為液化土存在所謂的“減震”作用而認為液化對建筑抗震有利，從而不重視液化對建筑工程產生的震害。為了消除或盡量減少液化對建筑工程產生的震害，可考慮液化地基的處理和采用樁基礎等以下有效措施。

2.2地基處理

液化場地應優先進行地基處理，使建筑及周邊一定范圍內的土體密實。具體可根據場地和建筑物特征，選擇下面幾種方法之一。

2.2.1強夯法

強夯法又名動力壓實法或動力固結法。這種方法是反復利用夯錘（錘重不小于8噸）自由下落（落距不小于6米）時的沖擊能來夯實淺層地基，使土中產生很大的應力，迫使土體孔隙壓縮，排除孔隙中的空氣和水，使土顆粒重新排列，迅速固結，從而提高地基強度，降低壓縮性，形成較為均勻的承載硬層，有效地降低場地土液化現象。

施工時，夯擊點一般按梅花形或正方形網格布置，期間距通常為5～15m。夯1～8遍，第一遍夯擊點的間距最大，隨后幾遍有所減小，最后一遍用低能量搭夯，兩遍之間的間歇時間取決于孔隙水壓力的消散速率。在一遍夯擊結束之后，要通過孔隙水壓力觀測，了解孔壓消散的情況，從而確定合適的間距、時間。如果孔壓上升到接近土體自重時，應立即停止夯擊，因為此時土層已不可能更緊密了。強夯法的加固深度可達10m以上。強夯一遍，可使5～12m厚的沖擊層沉降15～50cm。

強夯法施工方便，適用范圍廣而效果好、速度快、費用低，但噪聲擾民，在空曠的場地較為實用。

2.2.2振沖法

振沖法創始于20世紀30年代的德國，迄今已為許多國家所采用。它是利用起重機吊起振沖器，啟動潛水電機和水泵，通過噴嘴噴射高壓水流，邊振邊沖，將振沖器沉入到土中預定深度，經清孔后，向孔內逐段填入碎石。每段填料均在振動作用下被振密擠實，達到要求的密實度后即可提升振沖器，如此重復填料和振密，直至地面，從而在地基中形成一個大直徑的密實碎石樁體。振沖形成的碎石樁體與土體組成復合地基可以消除和減少地層的地震液化。

振沖法適用于處理砂土、粉土、粉質粘土、素填土和雜填土等地基。對于處理不排水抗剪強度不小于20KPa的飽和粘性土和飽和黃土地基，應在施工前通過現場試驗確定其適用性。

2.2.3擠密碎石樁法

擠密碎石樁法又稱砂石樁法，它是在松軟地基土中利用沖擊、振動或水沖等方法成孔后，再將砂或碎石擠入土孔中，形成大直徑的砂石所構成的實密樁體。該法可用于提高松散砂土地基的承載力和防止砂土振動液化，處理深度不應小于4m同時應穿過液化土層。

2.2.4板樁圍封法

在建筑物四周可能液化的砂層內用板樁圍封，并結合密實回填土的封堵作用，可大大減少地基中砂土液化的可能性。

2.2.5換填壓實土與增加非液化覆土重量

當地表或基礎下液化土厚度為3～5m時，可采用換填壓實的辦法，較為經濟實用。當全部換填較為困難時，可以驗算壓實填土厚度能否使飽和砂層頂面有效壓重大于可能產生液化的臨界壓重。如果壓實填土重量足夠，那么也可不用全部換填。

上述處理地基液化的措施均是通過擠密土體、加速排水使地基消除液化的方法。除了上述采用處理地基的方法以外，還可以考慮采用樁基礎以及一些消除地基液化沉陷的措施。

2.3樁基礎：

唐山地震震害調查發現，在液化和軟土場地上，樁基礎建筑沉降小，建筑物傾斜小，因此在《建筑抗震設計規范》中提出：樁基礎屬于“全部消除地基液化沉陷的措施”，并按計算確定樁端伸入液化深度以下穩定土層中的長度（不包括樁尖部分），對于堅硬粘性土、碎石土，礫、粗、中砂和密實粉土尚不宜小于0.8m，對于其他非巖石土尚不宜小于1.5m。這說明：當樁端持力層為非液化土時，即使上覆土層液化，樁基仍可能保持穩定，由此防止建筑物沉陷。但需要強調兩點：（1）樁基礎不能消除土體的液化特性；（2）液化土中的樁基礎仍然可能震害嚴重。

2.4其他消除地基液化的措施：

當采用加密法（如振沖、振動加密、擠密碎石樁、強夯等）加固時，應處理至液化深度下界；振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標準貫入錘擊數不宜小于規定的液化判別標準貫入錘擊數臨界值。處理深度應使處理后的地基液化指數減少，當判別深度為15m時，其值不宜大于4，當判別深度為20m時，其值不宜大于5；對獨立基礎和條形基礎，尚不應小于基礎底面下液化土特征深度和基礎寬度的較大值。當采用深基礎時，基礎底面應埋入液化深度以下的穩定土層中，其深度不應小于0.5m等。

3.結語

本文通過有史以來發生過場地土液化危害的強烈地震事例和數據，向人民揭示場地土液化危害的嚴重性，從而引起工程人員的高度重視。并根據場地土液化的特性，介紹和建議并采取相關的對策，希望能提供給大家作為參考。

參考文獻：

[1]王亞勇等.2009.汶川地震建筑震害啟示錄.北京：中國建筑工程出版社

[2]李喬等.2009.汶川大地震工程震害分析.北京：中國建筑工業出版社

[3]劉輝先等.1968.唐山大地震震害.北京：地震出版社

[4]劉惠珊等.1994.阪神大地震的液化特點.工程抗震

[5]劉惠珊等.1995.地震區的場地與地基基礎.北京：中國建筑工業出版社