砂土液化的防治措施

芦 迪陈德明

(1.黑龙江省庆达水利水电有限责任公司，哈尔滨150080;2.黑龙江大学，哈尔滨150080)

在地震区内河流附近的冲积地区常常发生喷水冒砂现象，这是地震液化的鉴别标志，在1964年9月16日日本新泻大地震中，位于该市 浓川故河道上的公寓大楼处于严重液化区，使其某些地域在地震8 s后开始液化，使一个大楼完全倾倒，造成该工程建筑物彻底报废。在我国邢台1974年地震、1968年渤海地震、1974年通海地震及1976年唐山地震，都在同一地点发生多次液化。也就是说，在连续发生强烈地震作用下，喷水冒砂现象会在同一点(孔)上重复发生［1］。如何防止工程砂土液化呢?下面做以概述。

2 砂土液化的概念与影响因素

砂土液化系指砂土颗粒组成的土体在静力或动力作用(包括渗流作用)下，由固体状态转化为液体状态的现象或过程。此时砂土的剪切刚度趋近于零，即抗剪强度趋近于零。

液化一般发生在饱和砂土中，也可发生在黏粒(粒径＜0.005mm)含量≤15%～20%的饱和少黏性土中和粗粒(粒径＞5mm)含量70%的饱和砂砾土中，它对水利工程危害极大。液化的主要形式有砂沸、流滑或“有限度。的往返流动性变形等。

砂沸常出现在河堤内侧低地，挡水建筑物下游地面、开挖基坑坑底、钻孔孔底、以及地震后的地面。它主要是由于砂土巾孔隙水压力超过上覆有效压力而引起的喷水冒砂现象。流滑常出现在海岸、河岸和土坝的饱和松砂边坡中。它主要是由于饱和松砂在单程或往返剪切作用下，有不可逆的体积剪缩，引起孔隙水压力不断上升和抗剪强度降低，直至出现“无限度”的流动性滑坡。这种破坏可以是渐进性的和大面积的，流滑后的砂面坡度十分平缓。“有限度”的流动性变形，大都出现在地霞时中密和中密以上的饱和砂土中。它是由于在地震往返剪切过程中，小剪应变时的剪缩趋势和大剪应变时的剪胀趋势的交替作用，出现的间歇性液化和“有限度”的流动性变形，也称为往返活动性(cyclic mobility)。可使建造在它上面的建筑物和挡土墙等产生“有限度”的下沉和倾斜。

影响饱和砂土液化的因素有渗流条件、颗粒组成、松密程度、形成地质年代，受力状况等等。在评价其液化可能性时必须加以考虑。对于判别水平地面下饱和砂土地震时是否会发生液化的方法，用得较多的是标准贯入试验。中国的抗震设计规范都以此作为主要手段，并给出了以宏观震害资料为依据的判别公式。这个方法已发展到可以同时考虑饱和砂土上覆有效压力、地震动剪应力(或地震烈度)、地震震级(或地震历时)，以及土中粘粒含量等因素的影响。此外尚有静力触探、往返三轴和往返单剪试验等方法［2］。

3 砂土液化的防治措施

研究地震作用下砂土液化的重要目的是预防砂土液化，减少由它造成的损害。减轻地震液化造成损害的措施可分为两类:

1)砂土改良措施——通过改良砂土的性质，加强土的抗液化能力，积极预防砂土液化的生产和发展。

2)结构改良措施——对没有进行地基处理(或未达到预定效果)的液化地基，通过加强结构的抗液化能力，预防结构破坏。

3.1 砂土改良措施

饱和砂土砂化现象是排水条件不利的情况下松散的砂土骨架由于振动作用造成松驰;粒间应力逐渐转给孔隙水，使孔隙水压力不断升高而带来的后果。因此，要防止砂土产生液化，其根本途径是消除液化产生的条件，最重要的措施是提高砂土的密度，改变砂土的应力——应变条件和尽量消除发展的孔隙水压力，预防砂土液化的主要措施有:振冲法、排渗法、强夯法，爆炸振密法等等。表1列举了砂土改良原理和实际应用方法。

表1 砂土改良的原理和方法

3.2 结构改良措施

土木工程的抗液化处理是各种各样的，各类土木工程具有特有的处理措施。下面将简要介绍各种措施。

3.2.1 土堤

这里所指的土堤包括河堤、公路堤，铁路堤以及填筑地等等。土堤材料的特点并非完全饱和，所以它们不会完全液化。然而建筑在松散可液化松砂土基是非常容易损坏的。增加松砂的抗液化强度可采用表1，表2中列举的方法。一般情况下，利用压实方法增加砂土的密度是比较可靠的常用方法，堆土法、降低水位法以及建造地下墙的方法是不太有效的。

对于已建土堤下伏液化层直接增加砂土的强度是相当困难的，所以，可以采用增加土堤坡脚下砂土强度的方法。除上述方法外，下面三个方法对加固土堤是有效的见图1。

a.辅助堤;b.砾石置换;c.板桩和系杆。

经验表明，在使用板桩和系杆时，即使地震期间周围砂土层结合液化，用系杆把两排桩连起来将会大大堤高土堤的抗滑稳定性。

表2 增强砂土措施方法

3.2.2 房屋基础

为防止砂土液化对房屋基础的破坏，下面介绍的4类措施是比较有效的，图2是这4类措施的基本原理图。

砂土加固 改变建筑物的砂土性质，采用下列方法:加密法，硬化法及消散孔隙水压力法等。这类措施适用于中低层建筑。

结构改良 在加密或消散孔隙水压力的同时，使用深基(图2)。这类措施适用于高层建筑，尤其是当建筑物建造在填筑地，或在可液化松砂层上，且砂层下伏软黏土时。

置换可液化层 挖掉建筑物下所有可液化层，同时建造地下深基础(图2)。这类措施适用于超高层建筑和建造在相当浅的松散砂土层上的建筑。

封闭式基础 建造封闭式基础以防止超孔隙水压力朝建筑物的基底传播。一般可用于加密、消散孔隙水压力、砂土改良、硬化、降低地下水位等方法中任何一种方法来使封闭式基础内的砂土得到加固。

在工程实践中，为了使抗液化措施更有效，常将上述方法中的两种结合起来使用。对原有建筑物的改良是比较困难的，一般采用在建筑物的外缘下面改造地下连续墙，或者使用排渗法，降低地下水也是一种可行的方法。

图1 增强原有土堤的抗液化措施

图2 房屋地基抗液化措施的四种类型

4 结语

防止砂土液化的工程措施包括控制渗流条件、疏干、挖除或人工加密改良土性。加密后的砂土应达到密实状态(相对密度≥70%～90%)。此外，如合理采用围封、压重、排水设备等，亦可起到减轻液化破坏的效果。

［1］刘颖，谢君斐，等.砂土震动液化［M］.北京:地震出版社，1984.

［2］王钟琦，张荣祥，钟亮.建筑场地与地基评价［M］.北京:中国建筑工业出版社，1993.