饱和砂土地震液化机理分析及地基处理的应用

赵 洪，伊丽娟

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；2.大兴安岭职业学院， 黑龙江加格达奇 165000）

饱和砂土地震液化机理分析及地基处理的应用

赵 洪1，伊丽娟2

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；2.大兴安岭职业学院， 黑龙江加格达奇 165000）

饱和砂土在地震荷载作用下极易发生液化,对工程建筑造成危害。本文探讨了地震力作用下饱和砂土的液化机理。通过实例说明CFG桩和碎石桩共用具有明显的抗液化效果，并提出CFG桩和碎石桩抗液化，需进一步研究的问题。

地震；砂土液化机理；地基处理；碎石桩

0 引言

地震是最常见的地质灾害，它除了本身的破坏性以外，还可以引发许多次生灾害，砂土液化就是其一。砂土液化给建筑工程产生了很大的破坏作用，必须加以重视，并减轻砂土液化的危害。如1964年日本新泻(Niigata)发生的7.6级地震，由于靠近河岸大面积砂土地基发生液化，大量建筑物遭到破坏，坍毁房屋2130栋，严重损坏6200栋，轻度损坏31200栋；1966年我国邢台发生的6. 7级地震，沿着滏阳河及支流两岸，在南北长约60km，东西宽约10～20km的地区内，发生砂土液化，引起的喷砂冒水造成了大量的堤防坍滑，河道、建筑物破坏[1]；1976年我国唐山发生的7.8级强地震，震后数分钟地表开始大面积砂土液化，喷水、冒砂达数小时，引起地表开裂与下沉，并最终使建筑物成片裂塌。我国是一个多地震的国家，在以往的多次强烈地震中，由于砂土液化造成的各种损害相当严重。

1 砂土液化的机理

饱和砂土是砂和水的复合体系。饱和砂土在地震荷载作用下会发生液化，其原因在于：一是地基的密实度不足，在动荷载作用下孔隙水压力上升，土体的有效应力降低，颗粒处于悬浮状态，使地基承载力不足，变形增大;二是在地震荷载作用下产生的孔隙水压力不能及时消散，造成地基的喷砂冒水或砂土由原来的固体状态转变为液体的流动状态。

砂土是一种散体物质，它主要依靠颗粒之间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定;而这种摩擦力主要取决于颗粒之间的法向应力：

水是一种液体，它能承受极大的法向应力，但不能承受剪应力，且体积难于压缩。

在地震力作用下，疏松的饱和砂土在剪应力的反复作用下，砂粒间相互位置产生调整，使砂土趋于密实，以期最终达到最稳定的紧密排列状态。砂土要变密实就势必排水。在急剧的周期性荷载作用下，所伴随的孔隙度减小都要求排挤出一些水，且透水性变差。在砂土透水性不良而排水不通畅的情况下，则前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度减小又产生了，由于孔隙水来不及排出(相当于不排水条件)，而水又是不可压缩的，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。此时砂土的抗剪强度为：

显而易见，随振动持续时间的增长，剩余孔隙水压力不断增大，砂土的抗剪强度不断降低，甚至完全丧失，呈现为稀砂(泥)浆状态。饱和砂土振动液化后，随着孔隙水的逐渐排出，孔压逐渐消散，土粒逐渐沉降堆积，重新排列成较为密实的状态。（如图1所示）

图1 液化过程示意

从初始液化状态至完全液化状态往往发展很快，二者界线不易判别。为了保证安全，可把初始液化视作液化。

图2 水平土层中土单元的应力状态

2 砂土液化的主要影响因素

在地震力的作用下，砂土是否会发生液化以及液化的危害程度，主要与砂土本身的物理性质、埋藏条件及地震等因素有关。

（1）对砂土液化有影响的土的物理力学性质主要包括砂土颗粒的大小、密实度、不均匀系数等，一般来说，砂土颗粒越大，发生液化的可能性就越低，颗粒越小，发生液化的可能性就越高，颗粒较大，孔隙水容易排出，所以粗砂以上的砂土发生液化的概率很低；密实度是影响稳定性的根本因素，密实度越高，发生液化的可能性就越小，反之则越大，砂土密实度大小的直接表现为标准贯入击数的多少，同一种砂土，密实度越高，标准贯入击数则越大，发生液化的可能性越小，危害也越小；不均匀系数越大，密实度一般就越高，发生液化的概率就越小。

（2）砂土的埋藏条件对液化也有很大影响，一般来说，砂土层越厚，发生液化的可能性就越大，危害也越大；砂土上方覆盖非液化土层越厚，砂土所受到自重压力就越大，孔隙水压力上升到足以克服自重压力的程度就越困难，因而抑制了液化甚至是防止了液化的发生。

（3）地震对砂土液化的影响：主要是指波形、振幅、频率、持续时间以及作用方向等，地震的振幅越大，持续时间越长，砂土液化的可能性及危害就越大。砂土对液化的抵抗能力在冲击波作用时最大，振动行波作用时次之，正弦波作用时最小。

3 砂土液化处理及工程实例

3.1 砂土液化处理

通常情况应避免未加固处理的可液化土层作天然地基的持力层。根据地基的液化等级、建筑类别、结合具体情况，选择适当的抗液化措施。

(1)对于抗震设防为乙类的建筑，液化等级为严重的，应采取全部消除液化沉陷的措施，措施有：采用桩基、深基础、深层处理至液化深度下界或挖除全部可液化土层。

(2)对于建筑物抗震设防类别为乙类，地基液化等级为轻微的，应采用部分消除液化沉陷或对基础和上部结构处理，措施有：挖除部分可液化土层、加固、固封、盖重或人工加密。加密的目的为增加砂土的密实度;例如：振冲加密;挤密砂桩；

（3）对于建筑物抗震设防类别为乙类的、液化等级为中等的建筑物，建筑抗震设防类别为丙类、液化等级为严重的，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对基础和上部结构处理。

3.2 工程实例

某办公大楼拟建地下一层，地上12层，筏板基础，基础埋深位于地面下4.0m，位于8度地震区，设计地震分组为第一组，根据岩土工程勘察报告知，地下水位在地面下1.4m，在地面以下6.9～9.5m范围内存在可液化粉砂层，因此必须对其进行处理。

根据相邻建筑的处理及土层的实际情况，结合本地区的经验，通过地基处理方案分析比较，本工程采用碎石桩的复合地基来消除砂土液化并提高承载力。根据公式（4）进行初步设计，求出最小面积置换率，代入公式（5）设计单桩承载力，桩长和桩径。

m—面积置换率;

经振动沉管碎石桩处理后，经标准贯入试验、静载试验，得出粉砂的液化已经消除，复合地基承载力≥340kPa，满足承载力要求。显然，碎石桩在施工过程中的振动、挤压作用，对桩间土起到一定的密实作用，提高了它的承载力和刚度；提高了土体抗剪强度，地基土的液化现象均已消除。

4 结论

根据以上分析及工程实例，可以得到如下结论：

(1)地震力作用下，饱和砂土发生液化的过程，实际上是土体抗剪强度消失的过程。在这个过程中，超静孔隙水压力随应力循环次数的增加而逐渐上升，使土颗粒之间的有效应力减小，最终使土粒处于局部或全部悬浮状态，抗剪强度局部或全部丧失，砂土即出现不同程度的变形或全部液化。

(2)碎石桩复合地基，在施工过程中的振动、挤压作用，对桩间土起到一定的密实作用，提高了它的承载力和刚度;提高了土体抗剪强度，增加了土体的抗滑能力，处理后的场区地基解决了饱和砂土液化问题。

(3)与传统桩基相比，节约了工程造价。

[1]金 萍,师旭超.砂土液化防治综述[J].铜业工程, 2006. 23(2): 50～53.

[2]贾 锐.强夯法在高震区饱和砂土液化地基处理中的应用. 岩土工程.

[3]张春梅,冯玉芹,王应浩.砂土地震液化危害及地基处理研究.世界地震工程，2007，23（3）.

[4]杨恒华.地基土液化机理分析及液化判别方法评述.广西水利水电 测量与地质，1998，（4）.

[5]赵 洪,侯克鹏,伊丽娟.强夯法在胶坝工程可液化地基处理中的应用.云南冶金，2007，1.

[6]刘红军,杨东海.饱和砂土地震液化危害及液化机理分析.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

赵 洪(1979- )，男，,硕士，研究方向：岩土工程。