软土震陷研究现状综述

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

软土震陷研究现状综述

管荣强

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

地基的抗震能力及加固技术一直以来是人们非常关心的问题。软土地基在地震荷载作用下会产生可恢复变形和不可恢复变形，从而造成建筑工程的破坏，带来经济损失。因此，准确的预测软土地基在地震荷载作用下的变形及对软土地基进行有效的加固就显得非常重要。本文综述了软土的定义、软土震陷机理、软土震陷分析方法、软土地基加固技术，并对今后的研究提出了笔者的看法，对工程人员提出了设想。

软土震陷；定义；机理；分析方法；加固技术

0 引言

近几十年来，国内外地震灾害频繁发生，给人民的生命财产带来了巨大的损失。软土震陷是地震直接灾害的主要形式之一。软土一般指包括淤泥、淤泥质土、泥炭质土等在内的水下天然沉积的饱和粘性土。这种土一般在沿海沿河的地域常见，例如天津、上海就属于典型这类土。在强烈的地震力作用下，软土震陷破坏的主要特征是，孔隙压力增大，孔隙水排出，土体产生周期性可恢复变形和不可恢复残余变形[1]。对于建筑物和构筑物来说，土体的变形会引起均匀沉陷或者不均匀沉陷，不均匀的沉陷会引起结构的内力的重新分布，严重时可能会导致结构的坍塌。1906年旧金山地震和1923年日本关东地震，由于软土震陷导致了地下管线的破坏，进而引发火灾导致地震的次生灾害。另外1975年辽宁海城7.3级地震、1976年唐山7.8级地震、1985年墨西哥7.8级地震均产生了由于软土震陷而引起上部结构破坏的现象，2008年汶川8.0级地震都江堰电信大楼台阶最大沉降量达到8cm。随着经济的发展，沿海发达地区，例如，京津唐地区、长江三角洲、珠江三角洲等已经成为我国社会财富聚集地，人口相对来说集中，而这些地域是软土的分布地带。还有随着城市的发展，地下管线越来越多，也对一个城市越来越重要。地下输油、输气、输水、输电对震后发生次生灾害还有震后人们自救和重建都至关重要，这些都对如软土震陷防灾减灾提出了更高的要求。

1 软土的定义

土的组成成分是由固体颗粒、水、气，又分别称为固相、液相、气相，土中的这三相各自的性质和比例关系有影响着土的应力应变关系。软土是土的一种一般具有孔隙比高、含水率高、压缩性高、承载能力低的特性。那么怎么定义软土，各种规范给出了量化指标。

（1）国家标准：《岩土工程勘察规范》( GB 50021 -2001) 第6.3.1条规定：“天然孔隙比大于或等于 1.0，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。”

（2）国家标准：《岩土工程基本术语标准GB/T50279-98中第3.2.29条为：软粘土天然含水率大呈软塑到流塑状态，具有压缩性高、强度低等特点的粘土。

（3）行业标准：《建筑地基基础设计规范》( GB 50007 -2002) 第4.1.12 条规定：“淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，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。当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 的粘性土或粉土为淤泥质土。”

（4）行业标准：《建筑抗震设计规范》( GB 50011 -2010) 中也指出：“软弱粘性土层是指7度、8度和9度时，地基承载力特征值分别小于80、100 和120kPa的土层。”

（5）行业标准：《软土地区工程地质勘察规范》( JGJ 83 -1991) 第2.0.1条规定“软土判别应符合下列要求： 一、外观以灰色为主的细粒土；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。”并按工程性质结合地质地理环境划分出我国软土的3 个主要分布区。

（6）行业标准：《公路工程地质勘察规范》JTJ064-98中2.0.16中叙述为：滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0，压缩系数不大于0.5MPa-1，不排水抗剪强度小于30KPa的细粒土。

（7）行业标准：《道路工程术语标准》124-88中第6.2.8条软土定义为：主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土。

由上可见软土的判别一般是从土的外观，土体的一些物理指标来判断，例如液限、含水率、孔隙比等。软土在成因上看，土体在静水或者流速较缓的水流下沉积形成的，其中一般含有大量的粘土物质，有的还含有较多的有机物；软土在力学角度看，具有高压缩性、承载能力低，土体易变性。

2 软土震陷的机理及其分析方法

笔者查阅国内外学者们关于软土震陷的相关资料，将软土震陷产生的原因归结为以下几点。

（1）土体的再固结变形

于洪治[2]等人在黄河三角洲粉土、鞍山原状粘土、福建标准砂、辽宁台山粉质粘土的静态与动态的三轴试验中分析认为软土震陷不仅有震动软化应变，也有震动惯性应变。并且他们还认为“饱和砂土的震陷具有类似砂土液化的突变性，相应突变软化的孔压比值随砂的围压增大及固结比减小而增加。”和“饱和软土的震陷为逐步发展积累的；软化的程度与快慢除随震动荷载、初始应力状态外。还随土而异，土的塑性指数愈大软化现象亦愈明显；静孔压软化试验测绘的土软化曲线皆近似符合双曲线型。且变形模量随孔压上升而衰减，具有良好的规律性。”

土体的固结在变形是指软土的地震荷载的作用下，土体还产生超孔隙水压力，但是这种压力极其不容易消散，在地震荷载消失后，在其他的荷载作用下，这种压力慢慢的消散，从而引起土体的固结。

（2）结构效应

软土是具有一定的结构性的，这种结构性一旦遭受到破坏，软土的物理力学性质就会发生破坏，而且这种破坏在短期内还无法得到恢复。

张虎臣[3]在研究淤泥地基地震时认为，在发生地震时，软土淤泥的结构会产生破坏，从而造成软土的抗剪强度降低、承载能力下降。张虎臣在其研究中发现，对于淤泥的地基在7。或者大于7。地震时，淤泥的强度减少一半以上，承载能力快速下降，淤泥可能发生触变而失稳。

（3）软化效应和惯性效应

土的软化效应是指土体在地震荷载的作用下，土的静模量降低。饱和软粘土在地震荷载的作用下，由于其渗透性比较差，土内孔压不断增大，造成有效应力不断的减小，土的抗剪强度降低，使得土的静模量降低。另外砂土液化也可认为是土体软化的一种。G.R.Thiers等人[4]根据动三轴试验研究发现，土体在动荷载的作用下，作用后的土体静模量会小于作用前的，而且随着动荷载幅值的增大，土体的静模量降低的愈明显。

惯性效应[5]是指在地震惯性力的作用下，土体的沿着一个滑动面有限次的滑动，滑动产生的塑性变形和土体极限平衡区域的扩大的塑性变形，最终会产生沉陷。

软土震陷的分析方法主要有两大类，一：包括整体变形和滑体变形在内的确定性残余应变；二：包括整体位移随机反应分析和滑体位移随机反应分析在内的非确定性残余应变。第一类相对来说已经成熟。第二类国内外学者各自提出了自己的分析方法，但主要是两种：一：软化模量法；二：等效结点法。

3 软土地基加固技术

软土地基由于承载能力低下，不能满足工程的抗震要求，这就需要对软土地基进行加固。加固后的软土地基要满足地基的稳定条件和地基沉降要求，以确保工程在使用中的安全和地震荷载作用下的安全。本文讨论的软土地基加固方法有如下几大类。

(1)软土地基的置换法

置换法是指将软土挖除，再用好土或者砂土填充。置换法一般适用于在表面一定深度范围内的软土，因为软土如果太深或者太厚，就很难挖除，而且不经济，通常情况下超过3m的软土就不用此方法。置换法回填的土最好为砂土，中砂就更适合。软土中的淤泥不好挖除时，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，在淤泥中间用射水泵冲出一条沟，在沟的低端去挖个集泥坑，该坑放泥浆泵，淤泥层另一端用射水泵射出高速水流，一层一层的切割淤泥，淤泥和射水泵射出的水混合为泥浆，流向集泥坑被泥浆泵抽走。

(2)强夯法

强夯法是指一个夯锤从一定的高度下落，在夯锤落地的瞬间会产生巨大的冲击能，这种冲击能能够看成一个点振源，该振源会产生表面波、压密波、剪切波三种波，这三种波会在一个半无限体中传播，其中只有压密波和剪切波会压密软土。强夯法在加固软土地基时具有经济、施工简单、作用显著的特点，但是强夯法使用是有一定的条件，地基需要具有一个硬壳层；如果使用在无法排水的软土层上，需要设置排水通道，例如袋装砂井。

(3)排水加固技术

排水加固技术是指通过排除土体孔隙中的水，使土体压缩、固结从而使土体的强度得到提高。将土体中水排走通常有三个途径。其一：排水预压加固。在拟建工程的地基上，预先施加一个略大于设计荷载的压力，在足够的时间内土体排水固结。施加的压力荷载通常通过堆土或者用水来实现。有时为了加快排水的速度，在土体内设置砂井或者打入塑料板形成排水通道。其二：真空预压排水加固。该途径是利用大气压力来代替堆载预压的荷载。真空预压排水加固技术在地基上铺砂垫层，在地基中打足够数量的砂井或者其他排水通道，在砂垫层铺设抽真空管道，最后在砂垫层上铺不透气的塑料，四周密封。该工序完成后，用射流泵抽取不透气塑料下的水和空气，造成塑料下内外的大气压差，从而实现对地基压力。另外土体内的水和空气被抽走，也会造成土体的固结，提高地基承载力。真空预压排水技术有四个特点。（1）土体的孔隙水压降低但土体的总应力没有升高；（2）不需要大量的堆载材料；（3）能抽出土中一些溶于水的封闭的气泡，加快固结速度。（4）不易发生地基土向外挤而使地基失稳的事故。其三：电渗排水法。水分子是极性分子，在地基土体中形成一个电势差，驱动水分子向特定的方向移动，从而将水排走。

(4)振冲法

振冲法是指在软土地基中成孔，在孔中填入粗粒料，然后将粗粒料振冲，该粗粒料会形成以根巨大的桩体，该桩体一般称为碎石桩和原有地基土形成复合地基，从而提高地基的承载能力。碎石桩有如下特点：（1）碎石桩的刚度比钢筋混凝土的要小低，但是比其周围的地基土的强度高。其能适应较大的变形属于柔性桩。（2）桩的直径比较大。（3）桩的直径是可变的，在沿桩轴向方向，当遇到地基土比较软时，桩的直径会扩大，反之会减小。

(5)深层搅拌法

深层搅拌法是指通过搅拌机搅拌地基土和胶结材料，从而形成桩体，提高地基承载能力。胶结材料主要是指水泥和石灰，但是由于石灰存在产量少，不易运输等缺点，水泥用的更多。深层搅拌法又有桨喷和粉喷之分，一般认为在含水率较高的软土中采用粉喷，反之采用桨喷。经深层搅拌法处理过的地基土会显著的提搞地基的承载能力、稳定性，降低地基的沉降。

4 结语

（1）对于软土的定义虽然各个规范给出了定义，但是每个规范量化软土的指标不都相同，这就需要工程人员自主选着，带来不确定性。另外对于土这种材料有着复杂的情况，对于软土更是如此，还需要工程人员进一步积累工程资料和经验。

（2）虽然目前对于软土震陷的分析有了一定的进展，但是由于软土存在太多的不确定性，仍有许多值得研究的课题。软土震陷的非确定性残余应变虽然有不少学者提出了自己分析方法，但是仍需进一步的明确、简化计算模型，以方便工程应用。

（3）为了降低地震对软土地基的损害，减小经济损失，有着各种的加固地基的方法。但是由于软土地基变化比较复杂，各类的软土物理力学指标千差万别，对于某个具体的工程要求又不一样，如果单纯的套用某一工程的经验或者工法，就没法保证工程的质量。这就需要工程人员因地制宜选择软土加固技术。

[1]郁寿松，石兆吉. 土壤震陷试验研究［J］. 岩土工程学报，1989，11(4)：35 ～44。

[2]于洪治，何广讷，杨斌. 软土震陷特性的试验研究［J］. 大连理工大学学报，1996，36(1)：76 ～82。

[3]张虎臣. 淤泥地基地震触变研究［J］. 岩土工程学报，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，陈培雄，吕小飞，陈小玲.软土地震震陷研究现状综述[J].土木工程抗震与加固改造,2011,33(2);130～135.

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1007-6344（2017）04-0309-02