軟土震陷研究現狀綜述

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

軟土震陷研究現狀綜述

管榮強

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

地基的抗震能力及加固技術一直以來是人們非常關心的問題。軟土地基在地震荷載作用下會產生可恢復變形和不可恢復變形，從而造成建筑工程的破壞，帶來經濟損失。因此，準確的預測軟土地基在地震荷載作用下的變形及對軟土地基進行有效的加固就顯得非常重要。本文綜述了軟土的定義、軟土震陷機理、軟土震陷分析方法、軟土地基加固技術，并對今后的研究提出了筆者的看法，對工程人員提出了設想。

軟土震陷；定義；機理；分析方法；加固技術

0 引言

近幾十年來，國內外地震災害頻繁發生，給人民的生命財產帶來了巨大的損失。軟土震陷是地震直接災害的主要形式之一。軟土一般指包括淤泥、淤泥質土、泥炭質土等在內的水下天然沉積的飽和粘性土。這種土一般在沿海沿河的地域常見，例如天津、上海就屬于典型這類土。在強烈的地震力作用下，軟土震陷破壞的主要特征是，孔隙壓力增大，孔隙水排出，土體產生周期性可恢復變形和不可恢復殘余變形[1]。對于建筑物和構筑物來說，土體的變形會引起均勻沉陷或者不均勻沉陷，不均勻的沉陷會引起結構的內力的重新分布，嚴重時可能會導致結構的坍塌。1906年舊金山地震和1923年日本關東地震，由于軟土震陷導致了地下管線的破壞，進而引發火災導致地震的次生災害。另外1975年遼寧海城7.3級地震、1976年唐山7.8級地震、1985年墨西哥7.8級地震均產生了由于軟土震陷而引起上部結構破壞的現象，2008年汶川8.0級地震都江堰電信大樓臺階最大沉降量達到8cm。隨著經濟的發展，沿海發達地區，例如，京津唐地區、長江三角洲、珠江三角洲等已經成為我國社會財富聚集地，人口相對來說集中，而這些地域是軟土的分布地帶。還有隨著城市的發展，地下管線越來越多，也對一個城市越來越重要。地下輸油、輸氣、輸水、輸電對震后發生次生災害還有震后人們自救和重建都至關重要，這些都對如軟土震陷防災減災提出了更高的要求。

1 軟土的定義

土的組成成分是由固體顆粒、水、氣，又分別稱為固相、液相、氣相，土中的這三相各自的性質和比例關系有影響著土的應力應變關系。軟土是土的一種一般具有孔隙比高、含水率高、壓縮性高、承載能力低的特性。那么怎么定義軟土，各種規范給出了量化指標。

（1）國家標準：《巖土工程勘察規范》( GB 50021 -2001) 第6.3.1條規定：“天然孔隙比大于或等于 1.0，且天然含水量大于液限的細粒土應判定為軟土，包括淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土等。”

（2）國家標準：《巖土工程基本術語標準GB/T50279-98中第3.2.29條為：軟粘土天然含水率大呈軟塑到流塑狀態，具有壓縮性高、強度低等特點的粘土。

（3）行業標準：《建筑地基基礎設計規范》( GB 50007 -2002) 第4.1.12 條規定：“淤泥為在靜水或緩慢的流水環境中沉積，并經生物化學作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于 1.5 的粘性土。當天然含水量大于液限而天然孔隙比小于1.5 但大于或等于1.0 的粘性土或粉土為淤泥質土。”

（4）行業標準：《建筑抗震設計規范》( GB 50011 -2010) 中也指出：“軟弱粘性土層是指7度、8度和9度時，地基承載力特征值分別小于80、100 和120kPa的土層。”

（5）行業標準：《軟土地區工程地質勘察規范》( JGJ 83 -1991) 第2.0.1條規定“軟土判別應符合下列要求： 一、外觀以灰色為主的細粒土；二、天然含水量大于或等于液限；三、天然孔隙比大于或等于1。”并按工程性質結合地質地理環境劃分出我國軟土的3 個主要分布區。

（6）行業標準：《公路工程地質勘察規范》JTJ064-98中2.0.16中敘述為：濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0，壓縮系數不大于0.5MPa-1，不排水抗剪強度小于30KPa的細粒土。

（7）行業標準：《道路工程術語標準》124-88中第6.2.8條軟土定義為：主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質所組成的土。

由上可見軟土的判別一般是從土的外觀，土體的一些物理指標來判斷，例如液限、含水率、孔隙比等。軟土在成因上看，土體在靜水或者流速較緩的水流下沉積形成的，其中一般含有大量的粘土物質，有的還含有較多的有機物；軟土在力學角度看，具有高壓縮性、承載能力低，土體易變性。

2 軟土震陷的機理及其分析方法

筆者查閱國內外學者們關于軟土震陷的相關資料，將軟土震陷產生的原因歸結為以下幾點。

（1）土體的再固結變形

于洪治[2]等人在黃河三角洲粉土、鞍山原狀粘土、福建標準砂、遼寧臺山粉質粘土的靜態與動態的三軸試驗中分析認為軟土震陷不僅有震動軟化應變，也有震動慣性應變。并且他們還認為“飽和砂土的震陷具有類似砂土液化的突變性，相應突變軟化的孔壓比值隨砂的圍壓增大及固結比減小而增加。”和“飽和軟土的震陷為逐步發展積累的；軟化的程度與快慢除隨震動荷載、初始應力狀態外。還隨土而異，土的塑性指數愈大軟化現象亦愈明顯；靜孔壓軟化試驗測繪的土軟化曲線皆近似符合雙曲線型。且變形模量隨孔壓上升而衰減，具有良好的規律性。”

土體的固結在變形是指軟土的地震荷載的作用下，土體還產生超孔隙水壓力，但是這種壓力極其不容易消散，在地震荷載消失后，在其他的荷載作用下，這種壓力慢慢的消散，從而引起土體的固結。

（2）結構效應

軟土是具有一定的結構性的，這種結構性一旦遭受到破壞，軟土的物理力學性質就會發生破壞，而且這種破壞在短期內還無法得到恢復。

張虎臣[3]在研究淤泥地基地震時認為，在發生地震時，軟土淤泥的結構會產生破壞，從而造成軟土的抗剪強度降低、承載能力下降。張虎臣在其研究中發現，對于淤泥的地基在7。或者大于7。地震時，淤泥的強度減少一半以上，承載能力快速下降，淤泥可能發生觸變而失穩。

（3）軟化效應和慣性效應

土的軟化效應是指土體在地震荷載的作用下，土的靜模量降低。飽和軟粘土在地震荷載的作用下，由于其滲透性比較差，土內孔壓不斷增大，造成有效應力不斷的減小，土的抗剪強度降低，使得土的靜模量降低。另外砂土液化也可認為是土體軟化的一種。G.R.Thiers等人[4]根據動三軸試驗研究發現，土體在動荷載的作用下，作用后的土體靜模量會小于作用前的，而且隨著動荷載幅值的增大，土體的靜模量降低的愈明顯。

慣性效應[5]是指在地震慣性力的作用下，土體的沿著一個滑動面有限次的滑動，滑動產生的塑性變形和土體極限平衡區域的擴大的塑性變形，最終會產生沉陷。

軟土震陷的分析方法主要有兩大類，一：包括整體變形和滑體變形在內的確定性殘余應變；二：包括整體位移隨機反應分析和滑體位移隨機反應分析在內的非確定性殘余應變。第一類相對來說已經成熟。第二類國內外學者各自提出了自己的分析方法，但主要是兩種：一：軟化模量法；二：等效結點法。

3 軟土地基加固技術

軟土地基由于承載能力低下，不能滿足工程的抗震要求，這就需要對軟土地基進行加固。加固后的軟土地基要滿足地基的穩定條件和地基沉降要求，以確保工程在使用中的安全和地震荷載作用下的安全。本文討論的軟土地基加固方法有如下幾大類。

(1)軟土地基的置換法

置換法是指將軟土挖除，再用好土或者砂土填充。置換法一般適用于在表面一定深度范圍內的軟土，因為軟土如果太深或者太厚，就很難挖除，而且不經濟，通常情況下超過3m的軟土就不用此方法。置換法回填的土最好為砂土，中砂就更適合。軟土中的淤泥不好挖除時，高速水流切割法可以快速挖除淤泥。高速水流切割法就是排除淤泥上面水后，在淤泥中間用射水泵沖出一條溝，在溝的低端去挖個集泥坑，該坑放泥漿泵，淤泥層另一端用射水泵射出高速水流，一層一層的切割淤泥，淤泥和射水泵射出的水混合為泥漿，流向集泥坑被泥漿泵抽走。

(2)強夯法

強夯法是指一個夯錘從一定的高度下落，在夯錘落地的瞬間會產生巨大的沖擊能，這種沖擊能能夠看成一個點振源，該振源會產生表面波、壓密波、剪切波三種波，這三種波會在一個半無限體中傳播，其中只有壓密波和剪切波會壓密軟土。強夯法在加固軟土地基時具有經濟、施工簡單、作用顯著的特點，但是強夯法使用是有一定的條件，地基需要具有一個硬殼層；如果使用在無法排水的軟土層上，需要設置排水通道，例如袋裝砂井。

(3)排水加固技術

排水加固技術是指通過排除土體孔隙中的水，使土體壓縮、固結從而使土體的強度得到提高。將土體中水排走通常有三個途徑。其一：排水預壓加固。在擬建工程的地基上，預先施加一個略大于設計荷載的壓力，在足夠的時間內土體排水固結。施加的壓力荷載通常通過堆土或者用水來實現。有時為了加快排水的速度，在土體內設置砂井或者打入塑料板形成排水通道。其二：真空預壓排水加固。該途徑是利用大氣壓力來代替堆載預壓的荷載。真空預壓排水加固技術在地基上鋪砂墊層，在地基中打足夠數量的砂井或者其他排水通道，在砂墊層鋪設抽真空管道，最后在砂墊層上鋪不透氣的塑料，四周密封。該工序完成后，用射流泵抽取不透氣塑料下的水和空氣，造成塑料下內外的大氣壓差，從而實現對地基壓力。另外土體內的水和空氣被抽走，也會造成土體的固結，提高地基承載力。真空預壓排水技術有四個特點。（1）土體的孔隙水壓降低但土體的總應力沒有升高；（2）不需要大量的堆載材料；（3）能抽出土中一些溶于水的封閉的氣泡，加快固結速度。（4）不易發生地基土向外擠而使地基失穩的事故。其三：電滲排水法。水分子是極性分子，在地基土體中形成一個電勢差，驅動水分子向特定的方向移動，從而將水排走。

(4)振沖法

振沖法是指在軟土地基中成孔，在孔中填入粗粒料，然后將粗粒料振沖，該粗粒料會形成以根巨大的樁體，該樁體一般稱為碎石樁和原有地基土形成復合地基，從而提高地基的承載能力。碎石樁有如下特點：（1）碎石樁的剛度比鋼筋混凝土的要小低，但是比其周圍的地基土的強度高。其能適應較大的變形屬于柔性樁。（2）樁的直徑比較大。（3）樁的直徑是可變的，在沿樁軸向方向，當遇到地基土比較軟時，樁的直徑會擴大，反之會減小。

(5)深層攪拌法

深層攪拌法是指通過攪拌機攪拌地基土和膠結材料，從而形成樁體，提高地基承載能力。膠結材料主要是指水泥和石灰，但是由于石灰存在產量少，不易運輸等缺點，水泥用的更多。深層攪拌法又有槳噴和粉噴之分，一般認為在含水率較高的軟土中采用粉噴，反之采用槳噴。經深層攪拌法處理過的地基土會顯著的提搞地基的承載能力、穩定性，降低地基的沉降。

4 結語

（1）對于軟土的定義雖然各個規范給出了定義，但是每個規范量化軟土的指標不都相同，這就需要工程人員自主選著，帶來不確定性。另外對于土這種材料有著復雜的情況，對于軟土更是如此，還需要工程人員進一步積累工程資料和經驗。

（2）雖然目前對于軟土震陷的分析有了一定的進展，但是由于軟土存在太多的不確定性，仍有許多值得研究的課題。軟土震陷的非確定性殘余應變雖然有不少學者提出了自己分析方法，但是仍需進一步的明確、簡化計算模型，以方便工程應用。

（3）為了降低地震對軟土地基的損害，減小經濟損失，有著各種的加固地基的方法。但是由于軟土地基變化比較復雜，各類的軟土物理力學指標千差萬別，對于某個具體的工程要求又不一樣，如果單純的套用某一工程的經驗或者工法，就沒法保證工程的質量。這就需要工程人員因地制宜選擇軟土加固技術。

[1]郁壽松，石兆吉. 土壤震陷試驗研究［J］. 巖土工程學報，1989，11(4)：35 ～44。

[2]于洪治，何廣訥，楊斌. 軟土震陷特性的試驗研究［J］. 大連理工大學學報，1996，36(1)：76 ～82。

[3]張虎臣. 淤泥地基地震觸變研究［J］. 巖土工程學報，1989，11(3)：78 ～ 85。

[4]Thiers G R，Seed H B. Strength and Stress-StrainCharacteristics of Clays Subjected to Seismic LoadingConditions Vibration Effects of Earthquake on Soil andFoundation［J］. ASTM，April，1969.

[5]李冬，陳培雄，呂小飛，陳小玲.軟土地震震陷研究現狀綜述[J].土木工程抗震與加固改造,2011,33(2);130～135.

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1007-6344（2017）04-0309-02