谈地基土液化的成因及防治措施

成晓萍

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

1 土层液化机理、表象、原因

作用机理:地基土层的液化，一般发生于饱和的砂土或粉土。当这种土在受到振动时，内部的孔隙水压力在极短的时间内快速上升，同时土中的有效应力也随之减小，导致地基土的抗剪强度迅速降低。当这种振动到达一定程度的时候，土壤中的有效应力会完全消失，土中颗粒形成悬浮状态，土壤的抗剪强度为零，土变成了如“液体”般的可流动的水土混合物。我们把这种现象称为液化。

土层液化的表现形式:从地表表面开裂、喷砂、冒水，造成山体滑坡和地基失效，导致楼房倒塌、倾斜、开裂。

引起土的液化的原因有很多种，其中地震作用尤为显著。追溯历史，发生在美国旧金山的1906年大地震，日本关东的1923年的大地震，日本新泽泻的1964年的大地震，以及我国邢台，唐山的1966年和1976年的地震等等，不难看出:多数由地震引发的危害是来自于砂性土层或饱和的含粘粉土的液化。这些灾难性破坏，引起了广大的国内外工程设计研究人员的关注，使人们开始了对于饱和砂土，粉土液化问题进行更深一步的研究与探讨。

2 液化判别的方法

在对饱和砂土、含粘粉土液化的研究工作中，除了对地震现场进行仔细的勘查研究外，工作人员还在实验室做了大量的研究工作。迄今为止，我国现行规范对于砂土及粉土的液化判别公式有好多种，判别的指标分别有:标准贯入击数试验法、静力触探值试验法和剪切波速的测试试验等等。

2.1 砂土液化的判别方法

砂土之所以发生液化，是因为它结构松散、渗透性低，以及受到高强度和持续的长时间的振动。科研人员在进行了大量的工程勘察和科研试验研究后发现，在地震烈度低于7度的地区，可以不考虑土壤液化问题。而对于已初判为有可能发生液化的砂土层须再作进一步的判别。方法主要有:1)根据岩土规范的静力触探法，采用的是锥尖阻力基准值及其判别式。2)抗震规范的标准贯入法，采用的是标准贯入基数基准值及其判别式。

由于两种方法在判别过程中所考虑的因素不同，导致了判别结果的不同。

研究结果表明，对于不同的抗震烈度，两种规范所对应的各自的基准值不同，但也有一定的关系，即标准贯入基数N是锥尖阻力q(MPa)的2倍。即在一定程度上，若标贯基数N比较合理，则锥尖阻力q(MPa)是非常保守的。在进行了大量的工程实践后，对两种规范进行了回归，提出了以标准贯入液化判别式为基础的静力触探液化判别及判别式，对于一般的工业民用建筑，在进行砂土液化判别时是可行的，免去了再标贯的进一步判别的过程，进一步提高了工作效率。

2.2 粘性粉土液化可能性判别方法

随着研究的深入，工程研究人员发现，土壤容易发生液化的粉土类，取决于其内所含的粘粒含量及其粒径的大小(粒径为小于0.005 mm的粘粒颗粒)。研究表明，在7度，8度和9度时这类粘粒在分别不小于10，13和16的情况下时可判别为不液化。

粉土的液化可分为两种判别方法:1)以地震破坏的经验和调查数据为基础的实证判别法:标准贯入实验法、剪切波速法及静力触探法，标贯法相对应用的多些。2)室内液化实验研究:因为在实验室内试验的许多因素比较易于控制，所以在研究液化的因素及液化机理等问题时是比较方便的。

3 影响地基土的液化的主要因素

1)地质因素对液化的影响:可能导致粉土液化的地貌单元，通常位于冲积平原、冲积海积平原和海积平原。其中在古河道，河滩，湖泊，沼泽，洼地等微地貌单元，一般在地震时最容易发生液化。对于地质年代一般为第四纪全新世(Q4)，特别是Q4的新近沉积的饱和粉土容易液化。

2)土层的分布状况对液化的影响:可液化土上覆盖的粘土若较厚，有较低的水位，则导致液化的可能性较小。

3)土壤的特性对其液化的影响:粘粒含量(即粒径小于0.005 mm)的颗粒所占重量的百分比是影响粉土液化的最重要颗粒特性指标。随着粉土的粘粒含量的百分比的增加，粉土的液化趋势将会发生改变，当这个百分比Pc＜16%时，粉土抗液化性能为抛物线状，抗液化性能最低点时该百分比Pc=9%;而当该百分比Pc＞16%时，粉土的抗液化能力则提高得很快。

4)粉土的相对密度对液化的影响:粉土的相对密度的大小，对于粉土是否能液化，有着很大的关系。研究表明，相对密度增加，液化的可能性将会减小。研究人员还在大量细致地研究了唐山的地震资料后得出:引起地基土的液化的地震分析有两种表达方法:即:a.随着地震烈度的增加，可液化粉土的粘粒含量也将随之增加。b.地面的水平最大加速度amax，因为用唐山地震资料检验规范中液化判别式时发现，标准贯入击数N不是常量，而是与a为加速度有关的一个变量。

总之，影响粉土的液化基本因素由以下几部分组成:

1)地震烈度;2)地下水位深度;3)粉土中粘粒的含量;4)土层的埋藏条件;5)地质年代;6)粉土的相对密度或干重度;7)固结压力;8)动应力及其动应力循环次数。上述内容中后两项在研究粉土的液化时考虑的较少。

4 液化地基的抗震措施及处理方法

由于地基液化的危害主要来自于震陷，最严重的危害来自于不均匀震陷。消除地基土液化震陷和减轻其液化影响的措施是通过历年来对震害的调查与分析判断的基础上总结得来的。在工程设计中，应根据其重要性、地基土的液化等级等具体情况，选择较为合理经济的抗液化措施。具体方法划分为3种:全部消除液化、部分消除液化以及不采取措施等方法。

1)全部消除地基土的液化措施。此类措施中，所采用的基础形式是关键之一。

a.当采用桩基，若持力层范围内有较厚的液化土层时，桩基的桩底端须伸入液化深度以下相对稳定的土层中，其长度应根据规范计算及相应构造要求确定，对于不同种类的土层，伸入长度各不相同，对于碎石土、砂砾、粗砂、粉土及密实粘性土不应小于800 mm，对于其他非岩石土则不应小于1.5 m。

b.当采用深基础时，需将基底伸入液化土层之下，且基底埋入稳定土层中的深度不得小于500 mm。

c.当基底下的可液化土层比较薄时，可采用先局部降水，然后全部挖除液化土层，并分层碾压夯实回填砂石、砾碎石、矿渣等材料。

d.当采用加密法时，如振冲加固或挤密碎石桩加固法，由于场地地基构成了复合地基，工程经验表明，根据桩的面积置换率和桩土应力比可以适当降低复合地基桩间土液化判别的临界标贯值的经验方法，即规范所述:对可液化地基进行加固处理时，应将可液化土层处理至液化深度的下界，且处理后的桩间土层的标准贯入锤击数的实测值不宜大于相应的临界值。

2)部分消除地基土液化的措施:此类措施中，首先处理深度是关键因素。在液化土层较厚的情况下，液化处理深度不一定达到液化下界，即允许处理深度下仍有残留部分的未经处理的液化土层。即处理后的基础液化等级为轻微;其次基础形式也是至关重要的。经验表明，建筑物基底下外侧的地方最容易发生液化，而中部以下是最不容易液化的。因此对大面积箱形基础，筏形基础，其基础底部中间区域的抗液化措施是可以适当放宽要求的。因此，整体性好，刚度大的箱形、筏形基础等，对地基的抗液化是十分有利的。具体做法:

a.在对液化地基进行处理时，处理深度应控制在使处理后的液化指数不大于5的范围内。对于不同类型的基础，指数各不相同。规范中已有阐述。

b.基础、上部结构的处理。

理论与实践经验表明:基础埋置深度、基础的底面尺寸以及基础的偏心大小、位置等等，对液化的影响不可忽视。因此，在设计中应对上述内容进行认真细致的调整与选取。选择整体性和刚度大的基础形式，如十字交叉条形基础、筏板或箱形等等。而对于上部结构，则可采用轻质材料减轻上部结构的荷载，以减少地震力，并合理地布置上部结构，在满足建筑功能的情况下，使其整体性、均匀性、对称性尽可能趋于合理化;同时，根据建筑物的平面，设置合理的沉降缝等，以避免采用对不均匀沉陷敏感的结构形式;对特殊部位，如管道穿越建筑物处，应采取预留尺寸或用柔性接头等方式进行特殊处理。

c.增加上部非液化土层厚度，合理改善周边的排水条件等，例如，在填方地区，由于增加填土厚度，则有可能使液化的情况改善。

d.采用强夯法。合理选择单位面积夯击能，单点夯击点数，单点夯沉量，能有效的提高地基的承载力并有效消除饱和砂土的液化。

3)建筑物为丁类时，当地基为轻微或中等液化时，可以将未经处理的液化土层作为该建筑基础的持力层;当地基为严重液化时，应对基础或其上部的结构进行加强处理，也可采用其他更经济更合理的措施来达到更加理想的效果。

［1］张崇文，赵剑明，毕政根.粉土地基液化分析［J］.天津大学学报，1997(7)：56-57.

［2］郭继武.建筑抗震设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［3］华南理工大学.地基及基础［M］.北京：中国建筑工业出版社，1990.