计算建筑震陷量在液化场地中的应用

2019-03-06任景敏

山西建筑 2019年6期

任景敏

(太原市聚川都市建筑工程设计有限公司，山西太原 030024)

0 引言

存在地基液化的场地在地震作用下将会发生喷水冒砂、流滑、上浮等现象，严重液化时将导致结构不均匀沉降、上浮或水平位移。因此不宜将未经处理的液化土层作为基础持力层。在液化场地，常规的地基处理方法有换土法、振动加密法、采用深基础或桩基等。但对于低层建筑采用上述方法处理地基时往往经济代价很大，有时建设场地亦不具备进行地基处理的条件。此时可根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(以下简称《抗规》)第4.3.6条之规定计入上部结构重力荷载对液化危害的影响，根据液化震陷量的估计适当调整抗液化措施。

1 液化的产生及危害

松散与少粘性的饱和土在震动下有变密和向外排水的趋势，若土的渗透性不好或者因外部封闭不能排水，则土中水压力就要上升。当孔压上升至土的有效应力时，土粒间没有力的传递，土粒在水中失重，悬浮在水中形成悬浮液，这种现象称之为液化。

在地震烈度为6度～9度的震动强度下，液化多见于不太密实且处于饱和状态的砂土与粉土。场地严重液化时在地震作用下将会发生喷水冒砂、地基失效、流滑、上浮等形式，最终将导致结构不均匀沉降、上浮或水平位移,其量值可达数十厘米至数米，最终使得结构损坏、丧失使用功能或者全毁。地基液化的严重性不容忽视。

2 消除地基液化的方法及措施

2.1 处理液化的方法及措施

1)采用桩基：桩端需穿透液化土层，落在稳定土层上一定长度。

2)采用深基础：将基础底面埋入液化深度以下的稳定土层中，埋入深度不得小于0.5 m。

3)采用加密法：如振冲、振动挤密、挤密碎石桩、强夯等。

4)换土法：用非液化土替换全部液化土层，或增加非液化土层的覆盖厚度。

消除地基液化除采取上述方法外，还应结合实际情况改善周边排水条件、适当调整基础面积、增强基础和上部结构刚度、在管道穿墙处预留足够尺寸或采用柔性接头等。

上述内容均为《抗规》中提到的常规抗液化方法和措施。规范中仅对不同抗震设防类别的建筑采取的抗液化措施做了分类，但对于相同建筑抗震设防类别的不同建筑未再做细化的规定。如在同一场地(液化程度、地基承载力相同)建设层数为2层和6层的住宅，在基础形式相同的情况下，两栋建筑用于地基处理的代价在实际中应区分对待。

2.2 适当调整抗液化措施的必要性

对于低层建筑来讲一般建设单位投资较少，但建筑处在液化场地尤其是严重液化场地时，用于消除或减小液化影响的费用甚至会超过上部结构的建设费用。有些情况下即便建设单位愿意增加费用但现场也不具备处理液化的施工条件。这种情况就可计入上部结构重力荷载对液化危害的影响，根据液化震陷量的估计适当调整抗液化措施。

3 计算震陷量在实际工程中的应用

3.1 工程概况

位于河北省邢台县白岸乡某建筑主要功能为商业，地上2层，无地下室;结构形式为框架结构。建筑平面最外轴线尺寸为：长26.4 m，宽19.8 m，每层层高4.5 m。1层平面图如图1所示。

河北省邢台县抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，根据地质报告提供情况，该建筑所在场地类别为Ⅲ类，场地土存在严重液化。本建筑基础埋深1.8 m，地质条件自上而下依次为：①杂填土，平均层厚2.8 m，松散欠固结，地基承载力特征值50 kPa。②粉土，平均层厚2.1 m，稍密～中密状态，地基承载力特征值100 kPa。③粉土，平均层厚6.3 m，稍密～中密状态，地基承载力特征值100 kPa。④粉质黏土，平均层厚1.9 m，可塑，地基承载力特征值130 kPa。⑤粉土，稍密～中密状态，本层最大揭露深度11.9 m。根据地质报告提供的液化判定计算表看出，液化土层主要为粉土层(见表1)，深度按照15 m考虑。地下水位位于基础以下1 m。

3.2 地基处理及基础设计的方案比选

方案一:桩基础方案。

本工程共计16根框架柱，如果采用柱下单桩的基础形式则需要16根桩。但由于最底层的粉土仍存在液化，故若采用桩基础，则需要继续加深勘察钻孔深度进行补充勘察。经过初步估算，若采用桩径700 mm的钢筋混凝土灌注桩，桩长至少需20 m以上，且需要提前进行试桩(试桩数量为3根)，施工结束后进行验桩。此方案不仅使得施工周期延长，而且使得整个工程造价增加了20%，建设方不同意采用此方案。

表1 液化判定计算表

方案二:振动碎石桩法。

结合本工程液化判定计算表，本工程采用碎石桩处理地基时初估桩长至少应在9 m左右(按照《抗规》第4.3.6条和第4.3.8条的要求计算所得)。桩径400 mm，桩间距1.0 m，正三角布桩，桩顶至基础垫层间设300 mm级配砂石垫层。根据《抗规》第4.3.7条5款的要求，本工程采用碎石桩处理地基时碎石桩的布置范围为基础边外扩4.5 m。

碎石桩能够较有效地处理地基液化，但施工过程中往往伴随很大的震动，且在施工中受桩体充盈系数等因素的影响，施工场地经常发生较大的隆起或塌陷。但本建筑物轴外墙以北4 m处为糖厂旧生产车间，该车间始建于1979年，框架结构，地上4层，由于年久失修现已停止使用，应业主要求，该车间不得拆除，经改造后供参观使用。如果本工程采用碎石桩处理地基，那么受糖厂旧车间的影响，碎石桩外扩处理的范围将不能满足规范的最小要求，同时碎石桩施工时伴随的震动将极大地影响糖厂旧车间的安全。鉴于以上原因，采用碎石桩处理地基在本工程中不能使用。

方案三:换土法及深基础。

根据地质报告提供数据显示，本工程基础以下几乎全为液化土，采用换土法或深基础设计均不可行。

方案四:计算震陷量。

根据《抗规》第4.3.6条规定，可根据计入上部结构重力荷载对液化危害的影响，根据液化震陷量的估计适当调整抗液化措施。借鉴本条条文说明：对4层以下的民用建筑，当SE<5 cm时，可不采取液化措施；当SE=5 cm～15 cm时,可优先考虑采取结构和基础的构造措施；当SE>15 cm时需要进行地基处理，基本消除液化震陷。依据粉土平均震陷量计算公式:

其中，B为基础宽度，对住房等密集型基础取建筑平面宽度，本工程B=13.2 m；S0为经验系数，对第一组7度，8度，9度分别取0.05，0.15及0.3，本工程取0.05；d1为由地面算起的液化深度，本工程d1=15 m；d2为由地面算起的上覆非液化土层的深度，本工程d2=0；p为基底地震作用效应标准组合的压力,本工程采用柱下条基，p=80 kPa；k为与粉土承载力有关的经验系数，本工程k=0.22；ξ为修正系数，本工程ξ=1.0。经计算，本工程SE=7.2 cm，本工程可优先考虑采取结构和基础的构造措施。因此本工程基础的初选方案——采用柱下条形基础是可行的。

另由于本工程基础下部杂填土较厚，因此要求施工时将基础垫层以下杂填土全部挖除，整体换填至少1 m厚级配砂石。换填范围为基础边外扩2 m。

经与当地图审机构和结构专家沟通，同意此方案，同时提出以下建议：

1)继续扩大条基翼缘宽度同时增加基础梁的高度，用以继续减小基础底面的压力并且增加基础刚度；

2)所有门窗洞口设置钢筋混凝土抱框，精细施工，尽量减小不均匀震陷的影响。经调整基础宽度后最终基础底面地震作用效应标准组合压力为65 kPa,液化震陷量平均值SE=6.4 cm。