計算建筑震陷量在液化場地中的應用

任 景 敏

(太原市聚川都市建筑工程設計有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

存在地基液化的場地在地震作用下將會發生噴水冒砂、流滑、上浮等現象，嚴重液化時將導致結構不均勻沉降、上浮或水平位移。因此不宜將未經處理的液化土層作為基礎持力層。在液化場地，常規的地基處理方法有換土法、振動加密法、采用深基礎或樁基等。但對于低層建筑采用上述方法處理地基時往往經濟代價很大，有時建設場地亦不具備進行地基處理的條件。此時可根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范(以下簡稱《抗規》)第4.3.6條之規定計入上部結構重力荷載對液化危害的影響，根據液化震陷量的估計適當調整抗液化措施。

1 液化的產生及危害

松散與少粘性的飽和土在震動下有變密和向外排水的趨勢，若土的滲透性不好或者因外部封閉不能排水，則土中水壓力就要上升。當孔壓上升至土的有效應力時，土粒間沒有力的傳遞，土粒在水中失重，懸浮在水中形成懸浮液，這種現象稱之為液化。

在地震烈度為6度～9度的震動強度下，液化多見于不太密實且處于飽和狀態的砂土與粉土。場地嚴重液化時在地震作用下將會發生噴水冒砂、地基失效、流滑、上浮等形式，最終將導致結構不均勻沉降、上浮或水平位移,其量值可達數十厘米至數米，最終使得結構損壞、喪失使用功能或者全毀。地基液化的嚴重性不容忽視。

2 消除地基液化的方法及措施

2.1 處理液化的方法及措施

1)采用樁基：樁端需穿透液化土層，落在穩定土層上一定長度。

2)采用深基礎：將基礎底面埋入液化深度以下的穩定土層中，埋入深度不得小于0.5 m。

3)采用加密法：如振沖、振動擠密、擠密碎石樁、強夯等。

4)換土法：用非液化土替換全部液化土層，或增加非液化土層的覆蓋厚度。

消除地基液化除采取上述方法外，還應結合實際情況改善周邊排水條件、適當調整基礎面積、增強基礎和上部結構剛度、在管道穿墻處預留足夠尺寸或采用柔性接頭等。

上述內容均為《抗規》中提到的常規抗液化方法和措施。規范中僅對不同抗震設防類別的建筑采取的抗液化措施做了分類，但對于相同建筑抗震設防類別的不同建筑未再做細化的規定。如在同一場地(液化程度、地基承載力相同)建設層數為2層和6層的住宅，在基礎形式相同的情況下，兩棟建筑用于地基處理的代價在實際中應區分對待。

2.2 適當調整抗液化措施的必要性

對于低層建筑來講一般建設單位投資較少，但建筑處在液化場地尤其是嚴重液化場地時，用于消除或減小液化影響的費用甚至會超過上部結構的建設費用。有些情況下即便建設單位愿意增加費用但現場也不具備處理液化的施工條件。這種情況就可計入上部結構重力荷載對液化危害的影響，根據液化震陷量的估計適當調整抗液化措施。

3 計算震陷量在實際工程中的應用

3.1 工程概況

位于河北省邢臺縣白岸鄉某建筑主要功能為商業，地上2層，無地下室;結構形式為框架結構。建筑平面最外軸線尺寸為：長26.4 m，寬19.8 m，每層層高4.5 m。1層平面圖如圖1所示。

河北省邢臺縣抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，根據地質報告提供情況，該建筑所在場地類別為Ⅲ類，場地土存在嚴重液化。本建筑基礎埋深1.8 m，地質條件自上而下依次為：①雜填土，平均層厚2.8 m，松散欠固結，地基承載力特征值50 kPa。②粉土，平均層厚2.1 m，稍密～中密狀態，地基承載力特征值100 kPa。③粉土，平均層厚6.3 m，稍密～中密狀態，地基承載力特征值100 kPa。④粉質黏土，平均層厚1.9 m，可塑，地基承載力特征值130 kPa。⑤粉土，稍密～中密狀態，本層最大揭露深度11.9 m。根據地質報告提供的液化判定計算表看出，液化土層主要為粉土層(見表1)，深度按照15 m考慮。地下水位位于基礎以下1 m。

3.2 地基處理及基礎設計的方案比選

方案一:樁基礎方案。

本工程共計16根框架柱，如果采用柱下單樁的基礎形式則需要16根樁。但由于最底層的粉土仍存在液化，故若采用樁基礎，則需要繼續加深勘察鉆孔深度進行補充勘察。經過初步估算，若采用樁徑700 mm的鋼筋混凝土灌注樁，樁長至少需20 m以上，且需要提前進行試樁(試樁數量為3根)，施工結束后進行驗樁。此方案不僅使得施工周期延長，而且使得整個工程造價增加了20%，建設方不同意采用此方案。

表1 液化判定計算表

方案二:振動碎石樁法。

結合本工程液化判定計算表，本工程采用碎石樁處理地基時初估樁長至少應在9 m左右(按照《抗規》第4.3.6條和第4.3.8條的要求計算所得)。樁徑400 mm，樁間距1.0 m，正三角布樁，樁頂至基礎墊層間設300 mm級配砂石墊層。根據《抗規》第4.3.7條5款的要求，本工程采用碎石樁處理地基時碎石樁的布置范圍為基礎邊外擴4.5 m。

碎石樁能夠較有效地處理地基液化，但施工過程中往往伴隨很大的震動，且在施工中受樁體充盈系數等因素的影響，施工場地經常發生較大的隆起或塌陷。但本建筑物軸外墻以北4 m處為糖廠舊生產車間，該車間始建于1979年，框架結構，地上4層，由于年久失修現已停止使用，應業主要求，該車間不得拆除，經改造后供參觀使用。如果本工程采用碎石樁處理地基，那么受糖廠舊車間的影響，碎石樁外擴處理的范圍將不能滿足規范的最小要求，同時碎石樁施工時伴隨的震動將極大地影響糖廠舊車間的安全。鑒于以上原因，采用碎石樁處理地基在本工程中不能使用。

方案三:換土法及深基礎。

根據地質報告提供數據顯示，本工程基礎以下幾乎全為液化土，采用換土法或深基礎設計均不可行。

方案四:計算震陷量。

根據《抗規》第4.3.6條規定，可根據計入上部結構重力荷載對液化危害的影響，根據液化震陷量的估計適當調整抗液化措施。借鑒本條條文說明：對4層以下的民用建筑，當SE<5 cm時，可不采取液化措施；當SE=5 cm～15 cm時,可優先考慮采取結構和基礎的構造措施；當SE>15 cm時需要進行地基處理，基本消除液化震陷。依據粉土平均震陷量計算公式:

其中，B為基礎寬度，對住房等密集型基礎取建筑平面寬度，本工程B=13.2 m；S0為經驗系數，對第一組7度，8度，9度分別取0.05，0.15及0.3，本工程取0.05；d1為由地面算起的液化深度，本工程d1=15 m；d2為由地面算起的上覆非液化土層的深度，本工程d2=0；p為基底地震作用效應標準組合的壓力,本工程采用柱下條基，p=80 kPa；k為與粉土承載力有關的經驗系數，本工程k=0.22；ξ為修正系數，本工程ξ=1.0。經計算，本工程SE=7.2 cm，本工程可優先考慮采取結構和基礎的構造措施。因此本工程基礎的初選方案——采用柱下條形基礎是可行的。

另由于本工程基礎下部雜填土較厚，因此要求施工時將基礎墊層以下雜填土全部挖除，整體換填至少1 m厚級配砂石。換填范圍為基礎邊外擴2 m。

經與當地圖審機構和結構專家溝通，同意此方案，同時提出以下建議：

1)繼續擴大條基翼緣寬度同時增加基礎梁的高度，用以繼續減小基礎底面的壓力并且增加基礎剛度；

2)所有門窗洞口設置鋼筋混凝土抱框，精細施工，盡量減小不均勻震陷的影響。經調整基礎寬度后最終基礎底面地震作用效應標準組合壓力為65 kPa,液化震陷量平均值SE=6.4 cm。

3.3 對比總結

地基處理與基礎設計方案對比分析見表2。

表2 地基處理與基礎設計方案對比分析表

4 結語

1)液化帶來的危害不容忽視，在實際工程中應嚴格按照規范的要求對液化場地進行處理或對建筑基礎和上部結構采取加強措施。但在確定技術方案前應在保證安全的前提下從經濟性、可操作性等方面認真比較各種方案的可行性。

2)在液化場地，一味沿用常規傳統的地基處理方法不僅增加施工工序、加大建設成本，而且在特殊的場地環境下具有不可操作性。對于4層以下的民用建筑，由于基底壓力不大，在必要時可通過計算液化震陷量適當調整抗液化措施。這種做法在符合規范要求的同時還可帶來一定經濟性。