某高层商住楼地基土液化判定及其处理措施

冯沛涛

(山西省运城市水利勘察院，山西运城044000)

现代强地震引起的沙土液化是很普遍的现象。如:1966年邢台地震;1975年营口一海城地震;1976年唐山地震均引起大范围的地下沙土液化。尤其是1976年7月28日河北省唐山地区发生的两次灾难性强地震，震后数分钟大面积地区沙土液化，开始喷水冒沙达数小时，引起地表开裂与下沉，最终使建筑物成片倒塌。

砂土液化判别可分为两类，一类是模拟液化机制建立起来的砂土液化预测方法，如:非线性有效应力法、概率法、等效线性法及弹塑性法等;另一类是基于砂土地震液化实测资料的经验法，如:规范法、静力触探法、剪切波速法及动力反应分析法等［1－4］。工程中常用后一种方法。

目前对液化地基处理措施一般有:

(1)加密法:利用外力作用对地基土进行震动或挤密，使地基土密度增大，消除液化，改善土的物理力学指标，提高地基土的承载能力，减少地基土的变形。

(2)桩基:桩端伸入液化深度以下稳定土层中，液化对持力层不影响。

(3)围封:用板桩把地基土液化范围包围起来，在发生震动时，包围起来的土层不会发生液化。

(4)换填法:用非液化土替换全部液化土层。

本文结合工程实例，分析了该建筑物地基砂土液化的机理，利用规范法对液化地基土进行液化评判，确定液化等级，根据建筑物特点，通过比较、分析，给出消除液化土地基采用方法。

1 砂土地基液化机理

1.1 砂土地基液化机理［5］

松散的砂土受到震动时有变得更加紧密的趋势。但饱和砂土的孔隙全部为水充填，因此这种趋于紧密的作用将导致孔隙水压力骤然上升，而在地震过程中的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力(有效压力)减小，当有效压力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变得象液体一样的状态，这就是通常所说的砂土液化现象。

如果发现地面喷水冒砂，同时上部建筑物发生巨大的沉陷或明显的倾斜，某些埋藏于土中的构筑物上浮，地面有明显变形;海边、河边等稍微倾斜的部位发生大规模的滑移;或在上述地段虽无流动性质的滑坡，但有明显的侧向移动迹象，并在岸坡后产生沿岸大裂缝或大量纵横交错的裂缝。发现上述现象说明这些地点的砂土已经发生了液化。

1.2 液化土层的判断［1，5］

初判条件:饱和的砂土及粉土地震烈度6度时，一般情况下可不进行液化判别和地基处理，但对液化沉陷敏感的乙类建筑物可按7度的要求进行判别和处理;地质年代为第四纪晚更新世或其以前时，地震烈度7度、8度时可判为不液化土;粉土的粘粒含量百分率在地震烈度7度、8度、9度分别不小于10、13、16 时，可判为不液化土。

初判具有液化势的地基土可采用下列原位测试的方法进一步进行液化判别。

(1)标准贯入试验法。根据《建筑抗震设计规范》［1］(GB50011－2010)规定按下式进行:N63.5＜Ncr，式中N63.5为饱和土标准贯入锤击实测值(未经杆长修正)，Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值。原位标准贯入试验的击数可较好地反映砂土层的密度，再结合砂土层和地下水位的埋藏深度作某些必要的修正后，查表即可判定砂土液化的可能性。

(2)静力触探试验法。实测值小于临界值时可判为液化土。(临界值采用《工程地质手册》(第四版)中国建筑工业出版社有关公式求得。)

(3)剪切波速试验法。实测值大于临界值时可判为不液化土。(临界值采用《工程地质手册》(第四版)中国建筑工业出版社有关公式求得。)

另外还可通过相对密实度等办法对砂土及粉土的的液化势进行判别。

对于存在液化土层的地基，根据液化指数ILE按表1划分液化等级。

表1 地基液化等级

2 工程实例［6］

2.1 工程水文、地质概况

山西省纺织研究所高层商住楼位于太原市长风街与平阳路交汇处山西省纺织研究所院内，拟建建筑地上28层，地下2层，基础埋深约为7.5 m，预估基底压力550 kPa，整平标高按假设高程100.50 m考虑，框架结构。勘察时间为2007年10—11月。

本次勘察深度范围内，场地地基土主要为:第四系全新统人工堆积层(Q42ml)，第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，上更新统冲洪积层(Q3al+pl)，中更新统冲洪积层(Q2al+pl)。岩性以人工填土、粉土、粉质粘土、粉细砂、细中砂为主。

本次勘探深度范围内，揭露场地地下水类型为潜水，勘察期间实测混合稳定水位埋深介于2.35 m～2.63 m 之间，稳定水位标高介于 97.84 m ～98.07 m(ZK5#)之间。勘察期间为平水期，地下水位变化幅度约1 m。

据《建筑抗震设计规范》(GB50011－2010)附录A，太原市抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组。

2.2 地基土液化判别［1］

根据本次勘察揭露地层情况，场地水位以下，20 m范围内存在饱和粉土，据《建筑抗震设计规范》(GB50011－2010)规范第4.3.3条对地基土进行液化初判，该场地地基土存在液化可能，利用标准贯入试验进一步判别，判别方法如下:

计算出液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr。

式中:N0为液化判别标准贯入锤击数基准值，本区取值为10;ds为饱和土标准贯入点深度;dw为地下水位深度;ρc为粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时按3考虑。

当实测标准贯入试验锤击数N＜Ncr时，判为液化土，否则为不液化土，对液化土计算其液化指数，公式如下:

式中:ILE为液化指数;η为建筑重要性系数，一般建筑取1.0，重要建筑取1.1;Ni为i点的实测标准贯入锤击数;Ncri为i点的临界标准贯入锤击数;n为在判别深度范围内每个钻孔标准贯入试验点的总数;di为i点所代表的土层厚度;Wi为i点土层厚度的层位影响权函数。

根据上述公式进行液化判别，判别结果见表2。

表2 液化判别结果表

根据表2结果，拟建场地在抗震设防烈度为8度时属液化场地，综合考虑液化等级为轻微。主要液化土层为第②层粉土、第④层粉土及其中的粉细砂。

2.3 影响砂土液化的因素［3］

在本工程中，影响液化的因素主要有:

(1)土颗粒大小及级配:颗粒愈细愈容易液化，平均粒径在0.1 mm左右的抗液化性最差;不均匀系数愈小，土颗粒愈均匀，抗液化性愈差;地基土勘察实测值:主要液化土层粒径平均值80%小于0.1 mm，不均匀系数小于5。

(2)土体密度:密度愈高液化可能性愈小，反之液化可能性愈大;主要液化土层的密度在1.7 g/m3，小于正常情况下的密度。

(3)渗透性:渗透性低的砂土愈容易液化。主要液化土层排水条件较差，土体中水不易排出，故该土层属液化土层。

(4)地下水位:水位以下土层才能发生液化，主要液化土层均在地下水位以下。

2.4 抗液化措施［2］

2.4.1 液化地基处理原则及方法

液化土处理的原则是:

(1)当液化土范围不广或较浅时，可采取挖除换填或避开液化层;

(2)当液化土范围较广或较深时，宜采取工程加固措施。

本工程液化土层范围广、埋深大，因此需要采取工程加固措施。选择加固措施时，要根据地基的液化等级，建筑类别，结合具体情况，按表3选择适当的抗液化措施。对于甲级建筑，由于其重要性大，最好不要在有液化土的场地来建。

表3 抗液化措施的选择原则

2.4.2 本工程采取方法

本工程是高层住宅，建筑物较重要，因此采取工程措施，彻底消除液化现象。结合前述原则及方法，采取钻孔灌注桩对地基土进行处理，穿透液化土层，以第⑤层粉细砂层作为桩端持力层。

该工程建成距今已6年，运行情况良好，沉降稳定。

3 结语

本文结合工程事例，分析了砂土振动液化的机理和影响液化的主要因素，并提出解决工程液化的一些措施。

虽然本文对工程的液化特性及工程措施做了一些探讨，但由于地震液化机理及其影响因素的复杂性，也由于地震发生的频繁性及其不可预测性，因此对液化特性的认识还远远不够，仍然需要工程界不断研究探讨。

［1］中华人民共和国住建部.GB50011－2010.建筑抗震设计规范［M］.北京:中国建筑出版社，2010.

［2］中华人民共和国住建部.JGJ79－2012.建筑地基处理技术规范［M］.北京:中国建筑出版社，2012.

［3］［美］BRAJA M Das.吴世明顾尧章译.土动力学原理［M］.杭州:浙江大学出版社，1984.

［4］周习军，余永志，彭良余.花凉亭水库坝基及坝壳砂土液化判别［J］.人民长江，2008，39(11):119-122.

［5］工程地质手册编委会.工程地质手册(第四版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［6］山西省第八地质工程勘察院.山西省纺织研究所高层商住楼岩土工程勘察报告［R］.运城:山西省第八地质工程勘察院，2007.