泵站地下水位升降对土层液化的影响分析

王英豪，朱 恒

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 土层液化的危害及液化机理

1.1 土层液化的危害

当地震的强度到达一定量时，饱和无粘性土和少粘性土的性质将会发生明显变化，导致土体具有液体的特征，这种现象称为砂土液化灾害现象。砂土液化的危害主要表现为：

1.1.1 土体承载力的丧失

连续的高强度振动使孔隙水应力持续增大，使有效应力持续下降，当有效应力减小至0时，砂粒发生流动，土体丧失承载力，引起地基整体失效。

1.1.2 塌陷

液化的宏观表现为喷砂冒水，液化砂土在上部土层的压力下，在覆盖层较薄处，压力差可使砂土喷出地表，使得地下形成空洞，地表塌陷。而喷出的砂土掩盖了农田、渠道、水井等。

1.1.3 地面开裂下沉

当液化的砂土从地下沿地裂缝喷到地面时，加剧了地裂缝的加速发展，液化土层在重新沉积之后会加剧上部结构的破坏。

砂土液化灾害对我国的城镇建设影响较大，是进行地震安全性评价、抗震设防、震害预测的重要环节，所以应予以足够的重视。

1.2 土层液化的机理

饱和无粘性土和少粘性土在振动作用下，颗粒移动、变密，通过颗粒间接触面传递的有效应力转移至由饱和土体中孔隙水承担的孔隙水应力，由太沙基（Terzaghi）有效应力原理：

式中 σ为总应力；σ′为有效应力；u为孔隙水应力。

当总应力保持不变时，孔隙水应力和有效应力可以相互转化，即随着孔隙水应力的增加，有效应力不断减小，当有效应力减小至0时，颗粒在水中处于悬浮状态，此时砂土发生液化。

饱和砂土或粉土液化除了地震的振动特性外，还取决于土的自身状态：①饱和，即要有水，且无良好的排水条件。即使再松散的土，如果没有水的参与，也不可能发生液化。②足够松散，即砂土或粉土的密实度不好。即使水位很高，若砂土或粉土的密实度很高，也不会发生液化现象。

2 液化处理措施

2.1 提高饱和无粘性土和少粘性土的密实度

常用的有振冲、夯实、爆炸、挤密桩等措施，提高砂土密实度。在水利水电工程的渠道工程中，常采用夯实、翻压等措施提高砂土密实度，效果较为理想。在岩土工程中，挤密桩的使用则更为普遍。

2.2 改善砂土排水条件，降低孔隙水压力

在工程条件满足的条件下，改善砂土的排水条件，可有效降低饱和砂土中的孔隙水压力。孔隙水压力的降低在总应力保持不变的条件下，可明显增大土颗粒之间的有效应力，从而使液化的可能性降低，以致消除。

3 地下水位升降对土层液化的影响

3.1 工程概况

某泵站工程地层结构为粘砂多层结构，取典型地层进行液化判别。其地层分布由上至下分别为：第①层第四系全新统人工填土（Qml）素填土，层厚0.8m；第②层第四系全新统第一陆相层壤土，层厚4.4m；第③层第四系全新统第一陆相层粉砂，层厚1.8m；第④层第四系全新统第一陆相层壤土，层厚1.5m；第⑤层第四系全新统第一海相层粉砂，层厚11.6m；第⑥层第四系全新统第一海相层壤土，揭露厚度2.7m。

本孔标贯深度及标贯击数分别为：5.1～5.4m，N=7；5.9 ～6.2m，N=8；9.1 ～9.4m，N=8；9.9 ～10.2m，N=9；10.9 ～11.2m，N=9；11.9～11.2m，N=10；13.9～14.2m，N=11；14.9～15.2m，N=12；15.9～16.2m，N=13；16.9～17.2m，N=13；17.9～18.2m，N=14；18.9～19.2m，N=15。地下水位埋深3m。

3.2 液化分析

为判断砂土的液化潜势，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范规范》进行判定，依据公式为：

式中 Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值，本工程取N0=10；ds为饱和土标准贯入点深度（m）；dw为地下水位深度（m）；ρc为粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；β为调整系数（本工程取0.95）。判别结果见表1。

表1 饱和砂土液化

如果地下水位抬升或降低，按0.3m幅度变化，重新判别液化指数，见表2。

表2 水位升降后饱和砂土液化指数

为形象描述水位的升降对液化指数的影响，绘制水位埋深与液化指数的关系曲线如图1。

图1 水位埋深与液化指数的关系曲线

由图1可知，在液化的前提下，水位的升降对液化指数的影响呈现一定的规律性，其对数趋势线关系为ILE=-6.6534ln（dw）+28.18。由图可知随着水位的升高，液化指数逐渐变大，但这种变大的幅度是有限的，水位上升最高点位地表，此时的水位埋深值为0，液化指数不再增加；随着水位降低，液化指数在不断减小，当水位埋深大于20m的判定深度时，液化指数的变化将不具实际工程意义。由于参与统计的判别数据较少，ILE～dw的关系曲线不是很确定，特别是地下水位升降在液化临界点处的变化规律。

4 结语

砂土液化的危害主要表现为土体承载力的丧失、塌陷、地面开裂下沉。液化的机理决定了处理的一般措施有：提高饱和无粘性土和少粘性土的密实度、改善砂土排水条件及降低孔隙水压力。

在工程运行期间，由于各种外在和内在的因素，地下水位可能会有所上升，而其升降会对具饱和砂土液化潜势的土层的液化指数有所影响，液化指数的大小，液化等级的高低，直接决定着经济投入和工程安全设计，因此有必要弄清地下水位升降对液化程度的影响。由于统计数据较少，ILE～dw的关系曲线确定，特别是地下水位升降在液化临界点处的变化规律不得而知，希望有新的方法可以解决。

［1］卢延浩.土力学［M］.南京：河海大学出版社，2002.

［2］陆兆溱.工程地质学［M］.北京：中国水利水电出版社，2001.

［3］顾晓鲁，刘慧珊，等.地基与基础［M］.中国建筑工业出版社，2003.

［4］KIDYBINSKI A.Bursting liability indices of coal［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1981，18（4）；295-304.

［5］常士骠，张苏民.工程地质手册［K］.中国建筑工业出版社，2007.

［6］夏邦栋.普通地质学［M］.北京：地质出版社，1995.