饱和砂土地震液化机理分析及地基处理的应用

□李万宁 □赵 洪

（1河南省豫北水利勘测设计院；2山西大同大学煤炭工程学院）

1 砂土地震液化的机理

饱和砂土在地震力的作用下会发生地震液化，严重时甚至会出现“涌水冒砂”的现象，造成建筑物的剧烈沉降，导致地基失稳。但是对于液化机理的研究，现在有两种不同的看法。

第一种看法认为，饱和砂土是否会发生液化是由砂土的法向有效应力状态决定的，对于砂土和水的饱和复合体系，如果地震荷载能够使饱和砂土的法向有效应力为零时，就会发生地震液化现象。在这种情况下，是否会发生液化，主要与两个条件有关:第一是与地基土的密实程度有很大的关系，若地基的砂土很松散，密实度不足，孔隙水压力就会随着地震荷载的作用而上升，导致土体有效应力下降，使无粘性土颗粒处于悬浮状态，进而使地基土承载力降低，甚至是完全消失的情况，导致地基土变形增大;第二是与砂土中的孔隙水压力消散有关，当砂土的排水条件通畅，孔隙水压力可以及时消散，就不会产生地震液化的现象，只有排水条件不好，地震产生的孔隙水压力不能及时消散，才会导致地震液化的发生。

在地震力的作用下，饱和的松散砂土颗粒间的位置必然也要调整，以使松散的砂土紧密填充，变得密实，实现稳定状态。如果饱和砂土本身的渗透性能很差或者地震的时间间隔短，导致前一周期的排水尚未完成，后一个周期的排水又开始了，从而使前期的孔隙水来不及排出，由于水的不可压缩性，所以就会产生剩余孔隙水压力，随着震动持续时间的增长，剩余孔隙水压力会逐渐增大，砂土的抗剪强度不断降低，呈现流动状态。

第二种看法认为，饱和砂土是否会发生液化是与砂土颗粒间的位移有关，与饱和砂土的法向应力状态无关，只要出现孔隙水压力的上升和结构的破坏引起应力降低，出现具有液态化性质的流动破坏，就认为土体已经发生液化。

2 砂土液化的主要影响因素

根据人们的长期研究发现，砂土液化的主要因素有砂土的密度特征、埋藏条件、地震情况、地下水位的高低、颗粒特征、土层的排水情况等。

2.1 砂土的密度特征

一般说来，砂土的密实度对地震液化有着非常大的影响，砂土的密实度越大，地震时体积被压缩的可能性就越低，反之，砂土的密实度越低，液化的可能性就越大。砂土密实度在现场主要体现在标准贯入击数的多少，对于同一种砂土而言，标准贯入击数值越大，发生液化的可能性越小，危害也越小。

2.2 砂土的埋藏条件

砂土的埋藏条件对地震液化也有一定的影响，根据现场调查和试验研究表明，砂土上方覆盖非液化土层的厚度与地震液化有一定关系，非液化土层越厚，砂土所受到上方的自重压力就越大，孔隙水压力上升克服自重压力就越困难，可以降低液化发生的可能性，甚至是防止液化的发生。砂土层越厚，发生液化的可能性越大，危害也越大。

2.3 地震对砂土液化的影响

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对砂土液化的影响。试验表明，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。

2.4 地下水是地震液化的前提条件

地下水位的高低，对砂土液化有着非常重要的影响，越高的地下水位，砂土液化的可能性就越大；越低的地下水位，发生液化的可能性也会降低。

2.5 砂土的颗粒特征对砂土液化的影响

砂土的平均粒径D50、不均匀系数Cu以及粘粒含量Mc对砂土的地震液化都有很重要的影响。经过研究和现场实际情况表明，砂土颗粒的平均粒径D50越大，孔隙水排出比较容易，剩余孔隙水压力较小，不容易发生液化，反之，当砂土平均粒径较小，容易发生液化，所以砂土液化大多发生在粉、细砂环境中。不均匀系数Cu越大，表示颗粒越不均匀，发生液化的可能性就越低，粘粒含量越大，发生液化的可能性就越低，当粘粒含量达到一定程度时，不会发生砂土液化。

2.6 土层的排水条件

土层的排水条件影响着孔隙水压力消散的时间，对地震液化也有着非常重要的影响。排水通畅，孔隙水压力消散的时间就短，液化的可能性小，反之，如果土层的渗透性能差，排水不通畅，孔隙水压力不能及时消散，地震液化的可能性就会变大。

3 砂土液化地基处理方式

目前砂土液化地基处理方法，从原理上来看，主要有以下几种方式：

一是把判定为可能液化的土层挖除，换填不液化土层。

二是采用刚性桩（如CFG桩）穿过可液化土层，考虑砂土地震液化对桩的影响，从而保证建筑物即使发生砂土液化也不会对建筑物产生影响。

从砂土液化机理出发，砂土液化需要有3个条件同时满足，才可能发生液化，一是饱和砂土，即水的存在，降水可以使原本可能液化的地基，不能发生液化，但是由于长期降水花费太高，且不具有操作性，所以一般不考虑此种方式；二是砂土密实度，这一点通常可以为人们所利用，在建筑物施工前，对松散砂土进行加密，从而使原本可能发生液化的砂土不会发生液化，如比较常用的挤密预制桩，强夯法，沉管碎石桩等；三是动荷载，在动荷载作用下，砂土来不及排水，才可能发生液化，通过研究表明，砂土的液化特性除了与密实度有关外，还和振动应变史有关，因此可以使砂土先经过强烈的预震，增强砂土的抗液化能力，如强夯法，地震法、沉管碎石桩等。

4 工程实例

某办公楼，地下1层,地上12层，拟采用筏板基础，基础埋深位于地面下4m，抗震设防烈度为8度，设计地震基本加速度为0.20 g，根据岩土工程勘察报告知,地下水位于地面下1.80m，在地面以下4.80~7.60m范围内，存在可液化砂层，必须对其进行地基处理。

本工程在设计时，充分考虑了场地的工程地质情况，结合本地区及相邻建筑物的经验，通过对可行的地基处理方案的分析比较，拟选用沉管碎石桩复合地基来进行处理。首先根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）里面的公式（1）求出标准贯入锤击数临界值，然后将标准贯入锤击数临界值设为打桩后标准贯入锤击数；根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）里面的公式（2）将现场的实际标准贯入锤击数代入，求出面积置换率，最后取最大的面积置换率，用公式（3）进行计算，求出单桩竖向承载力，设计桩长和桩径。

式中：Ncr—液化判别标准贯入锤击数临界值；N0—液化判别标准贯入锤击数基准值；ds—饱和土标准贯入点深度（m）；dw—地下水位（m）；ρc—粘粒含量百分率，当<3或为砂土时，应采用3；β—调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05。

式中：N1—打桩后标准贯入锤击数；ρ—面积置换率;Nρ—打桩前标准贯入锤击击数。

式中：fspk—复合地基承载力特征值(kPa);fpk—桩体承载力特征值(kPa);fsk—桩间土承载力特征值(kPa);m—面积置换率。

经过振动沉管碎石桩处理后，通过对场地的砂层进行标准贯入试验，得出砂层液化已经消除，通过对单桩及复合地基做载荷试验，复合地基承载力满足要求。

5 结论

根据以上理论分析及工程实例,可以得到如下结论:

饱和砂土在地震的作用下发生液化的机理目前主要有两种理论，一种认为饱和砂土是否会发生液化是由砂土的法向有效应力状态决定的，另一种认为饱和砂土是否会发生液化是与砂土颗粒间的位移有关。

砂土液化的主要因素有砂土的密度特征、埋藏条件、地震情况、地下水位的高低、颗粒特征、土层的排水情况等。

沉管碎石桩复合地基，由于施工过程中对桩周土有振动、挤压作用,可以使桩间土变密实,提高地基土的承载力和刚度;提高土体抗剪强度,能有效解决饱和砂土液化的问题。

与CFG桩相比,沉管碎石桩节约了工程造价。

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