饱和砂土液化评价及防治措施

何 阳， 庞 铁， 徐定芳， 陈帅奇， 刘一鸣

（湖南省地质调查院，湖南 长沙410116）

常德市是湘西北中心城市、综合交通枢纽、商贸物流中心、新型工业基地、旅游服务基地和文教基地，区内规划了一系列功能区和交通线（高速Ⅶ公路、过江隧道、城际轻轨、高速铁路等） 等。 常德市规划区抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度为0.15g［1］。 在本项目调查过程中发现，沅江两岸全新统（Qh）地层中分布有大面积的饱和砂土，在地震的作用下，易形成大范围的砂土液化［2］，会引起地基承载力降低甚至丧失，导致大面积地面变形、冒水喷砂等严重后果［3］，因此，对本区域进行地震作用下的砂土液化评价，并提出防治建议对区内工程规划、设计、建设具有重要的指导意义。

1 地质条件

1.1 地形地貌

研究区地形地势总体上沿沅江两岸向外依次为低平的冲积-冲湖积平原、红土岗地、丘陵，区内海拔低于100 m，一般处于30～40 m。

1.2 地层岩性

研究区地层以第四系为主，地层由上至下为全新统（Qh）、晚更新统（Qp3）、中更新统（Qp3）、早更新统（Qp3）、古近系（E）、白垩系（K）。 其中全新统（Qh）地层一般厚度为0 ～20 m， 0 ～12 m 左右为粉质粘土，12 ～20 m 为粉土、粉砂；下部为晚更新统（Qp3）及中更新统（Qp3）砾、卵石层。

1.3 水文地质条件

研究区地下水类型主要为松散岩类孔隙水，含水层主要为洞庭湖组、汨罗组砾卵石层，上部为弱透水的砂质黏土、网纹状黏土覆盖，厚1.60 ～12.60 m，单井涌水量一般大于1 000 m3／ d，水量丰富，地下水位埋探0.44～7.83 m，年变幅一般为2～4 m，具承压性。

1.4 地震情况

研究区位于汉江地震带的常德－临澧潜在震源区内，太阳山断裂带的南段纵贯全区，为主要孕震、导震构造。 区内新构造活动较强烈，太阳山断裂处于升降的转折部位。 区内历史上发生4 级以上地震7 次，最大震级6.8 级。 历史上共发生21 次地震，其中11 次震级小于3.5 级，1631 年本区发生过历史上最大的一次地震，震中位于研究区太阳山断裂带附近。

2 饱和砂土液化的基本机理及危害

松散的饱和粉土、砂土受到震动时有颗粒移动和变密的趋势，由于饱和粉土、砂土的孔隙全为水充填，且粉土、砂土的渗透性不良，导致孔隙水压力急剧上升，而在地震过程的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由粉砂土颗粒通过其接触点所传递的有效压力减小，当有效压力完全消失时，饱和粉砂土会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样的状态，这就是所说的饱和粉土、砂土的液化现象［2］。

砂土的抗剪强度ts一般用下式表示：

式（1）中σ和σ′分别为有效法向应力和总法向应力；φ′为有效应力内摩擦角；μ为孔隙压力。 如果条件改变，使σ′或σ－μ等于或趋近于零，也会使ts降低，以致砂土颗粒丧失粒间接触压力和摩擦力而造成液化。 本区历史上的地震曾多次诱发砂土液化，给人民的生命和财产造成了巨大损失，主要造成地面喷水冒砂、地基不均匀沉陷、地裂滑坡、建筑物沉降和严重倾斜，甚至造成建筑物破坏、道路路基滑移、路面纵裂、桥梁落架、农田破坏、农作物减产等危害。 因此修建重要建筑物应采取抗液化措施，从抗震角度出发，城市发展远景规划区重要的建筑物要尽可能避开这些液化地段。

3 饱和砂土液化判别方法及评价

3.1 初步判定法

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）2016 版的有关规定，饱和的粉土或砂土当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或可不考虑液化影响：（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3） 或其以前时，抗震设防烈度为7 度、8 度时可判别为不液化；（2）粉土的黏粒（粒径小于0.005 mm）含量百分率在抗震设防烈度为7 度、8 度和9 度时分别不小于10、13 和16，可判为不液化土。

浅埋天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响：

式（2）中du为上覆盖非液化土层厚度，m，计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除；dw为地下水位深度，m，宜按设计基准期内年平均最高水位采用，也可按近年内最高水位采用；db为基础埋置深度，m，当不超过2 m 时应采用2 m；d0为液化土特征深度，m，可按表1 采用。

表1 液化土特征深度（m）

3.2 标准贯入试验法

饱和砂土或粉土经初步液化判别后，确认需要进一步做液化判别时，应采用标准贯入试验法判别地面以下20 m 深度范围内土的液化情况。 当标准贯入锤击数实测值 （未经杆长修正） 小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。 液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

式（3）中：Ncr为液化判定标准贯人锤击数临界值；N0为液化判定标准贯人锤击数基准值，可按表2 采用；ds为饱和土标准贯入点深度，m；dw为地下水位深度；ρc为黏粒含量百分率，当小于3 或为砂土时，应采用3；β为调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05。

表2 液化判别标准贯入锤击数基准值

对存在液化砂土层、粉土层的地基，应探明各液化土层的深度和厚度，按下式计算每个钻孔的液化指数，并按表3 综合划分地基的液化等级。

式（4）中：IlE为液化指数；n为在判别深度范围内每个钻孔标准贯入试验点的总数；Ni、Ncri分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时应取临界值；当只需要判别15 m 范围以内的液化时，15 m 以下的实测值可按临界值采用；di为i点所代表的土层厚度，m，可采用与标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；wi为i土层单位厚度的层位影响权函数值，m－1。 当该层中点深度不大于5 m 时应采用10，等于20 m时应采用零值，5～20 m 时应按线性内插法取值。

表3 液化等级与液化指数的对应关系

3.3 静力触探试验法

根据静力触探试验法进行饱和粉土、砂土的液化判定的判别方法，当实测计算比贯入阻力ps或实测计算锥尖阻力qe小于液化比贯入阻力临界值pser或液化锥尖阻力临界值qeer时，应判别为液化土，并按下式进行计算：

式中：pser、qeer分别为饱和土静力触探液化比贯入阻力临界值或液化锥尖阻力临界值，MPa；ps0、qe0分别为地下水深度dw＝2 m，上覆非液化土层厚度du＝2 m 时，饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值，MPa，可按表4 取值；αw为地下水位埋深修正系数，地面常年有水且与地下水有水力联系时，取1.13；αu为上覆非液化土层厚度修正系数，对深基础，取1.0；dw为地下水深度，m；du为上覆非液化土厚度，m，计算时应将淤泥和淤泥质土层厚扣除；αp为与静力触探摩阻比有关的土性修正系数，可按表5 取值。

表4 比贯入阻力和锥尖阻力基准值ps0、qe0

表5 土性修正系数αp

3.4 区内饱和砂土液化判别分析

常德市区内地层以第四系为主，区内全新统的粉土及砂土沿沅江两岸建设区及规划区大面积分布，埋深较浅，厚度一般0.50 ～8.00 m，地下水的埋深一般0.5～2.50 m，且主要为粉细砂，颗粒均匀，多呈松散状态，具备易液化砂土的条件。 常德市武陵区、鼎城区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度0.15g。 按 《 建 筑 工 程 抗 设 防 分 类 标 准 》 （ GB 50223—2008）的规定，本地区建筑工程甲类和乙类建筑应提高一度按8 度设防，丙类和丁类建筑可按7 度设防。

3.4.1 初步判定

根据收集工程勘察报告土工试验中粉土的黏粒粒径小于0.005 mm 颗粒含量百分率分析，因场地为7 度区，丙类和丁类建筑场地粉土有1 个可能液化，甲类和乙类建筑场地有17 个可能液化。

3.4.2 标准贯入试验判定

据收集市区部分工程勘察报告，对其中25 个工程场地的粉土及粉砂层标准贯入试验分析，粉土和粉砂液化等级为轻微液化-严重液化，细砂液化等级为轻微液化-中等液化。

3.4.3 双桥静力触探试验判定

根据44 个双桥静力触探试验孔结果，对粉土、粉细砂进行双桥静力触探试验分析，有29 个钻孔的粉土液化，1 个钻孔的粉细砂液化。

3.5 区内饱和砂土液化分区

对以上几种方法的结论进行综合分析，区内分布有63.30 km2可液化的粉土、粉细砂层，主要分布在沅江两岸、柳叶湖片区东部及南部、占天湖片区、河洑片区及江北城区的北面。 粉土的埋深1.40 ～14.30 m，层厚0.50～7.80 m，粉砂的埋深0.90～13.10 m，层厚1.11～5.32 m，细砂的埋深5.70～14.10 m，层厚1.40～3.10 m，地下水位0.50～2.50 m。

4 可液化地基抗震的措施及处理方法

饱和粉土、饱和砂土在地震时产生液化将引起地基的不均匀沉降，导致建筑物破坏，土层液化引起的建筑物倾斜往往也带来大体积土体滑动而造成严重后果。 因此，为保障建筑物安全，应根据建筑物的重要性及地基的液化等级，综合考虑，选择恰当的抗液化措施［3］，具体如下：

4.1 全部消除地基液化的措施

全部消除地基液化的沉陷措施为可采用桩基、深基础、土层加密法或挖除全部液化土层等。 采用桩基时，采桩底深入液化深度以下稳定土层的长度（不包括桩尖部分）应按计算确定，且对碎石土、砾、粗、中砂、坚硬黏性土和密实的粉土不应小于0.8 m，其他非岩石土不应小于1.5 m；采用深基础时，基础底面应埋入液化土深度之下的稳定土层中，其深度不应小于0.5 m；采用加密法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等） 加固时，应处理至液化深度下界，振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土层的标准贯入锤击数不宜小于液化判别标准贯入锤击数临界值；用非液化土替换全部液化土层，或增加上覆非液化土层的厚度；采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1 ／ 2 且不小于基础宽度的1 ／ 5。

4.2 部分消除地基液化的措施

处理深度应使处理后的地基液化指数减少，其值不宜大于5，大面积筏基、箱基的中心区域，处理后的液化指数可比上述规定降低1，对独立基础和条形基础，尚不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值；采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土层的标准贯入锤击数不宜小于液化判别标准贯入锤击数临界值；采取减小液化震陷的其他方法，如增厚上覆非液化土层的厚度和改善周边的排水条件等。

4.3 减轻液化影响的措施

减轻液化影响的措施：选择合适的基础埋置深度；调整基础底面积，减少基础偏心；加强基础的整体性和刚度，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形基础，加设基础圈梁等；减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用易受不均匀沉降影响的结构形式等；管道穿过建筑处应留足足够尺寸或采用柔性接头等。

5 结论

研究区地层以第四系为主，抗震设防烈度为7度，区内大面积分布全新统的粉土及砂土，其埋深浅，厚度较大，城市建筑物及其地下室基底多位于可液化土层。 通过本次研究，对其液化土的分布范围、埋深及厚度进行系统分析，为城市规划及可液化地基抗震的措施及处理设计提供合理的依据。 建议如下：

（1）城市重要的建筑物及地下工程宜选用非液化场地进行规划建设，在分布有液化土地带进行建设的工程需考虑液化影响，进行抗液化设计，基础的底面尽量放在液化层以下或采用桩基础进行穿越进入稳定地层中，桩基础采用钻（冲）灌注桩为宜。

（2）液化地段建筑物的基础型式应加强基础的整体性和刚度，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形基础，加设基础圈梁等；合理设置沉降缝，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式。

（3）建设地下管线经过液化场地要具有适应抗液化沉陷能力，对埋入地下的输水、气、热力管道，宜采用钢管；对埋地的承插式接口管道，应采用柔性接口；对埋地的矩形管道，应采用钢筋混凝土现浇整体结构，并沿线设置具有抗剪能力的变形缝；当埋地圆形钢筋混凝土管道采用预制平口接头管时，应对该段管道做钢筋混凝土满包；架空管道应采用钢管，并应设置适量的具有活动性、可挠性连接接口。