建筑场地地震液化及液化地基的处理

陈 霞

(山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西 阳泉 045000)



建筑场地地震液化及液化地基的处理

陈 霞

(山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西 阳泉 045000)

简述了建筑场地地震液化产生的条件及判定方法，介绍了目前常用的抗震液化措施，并结合太原市清徐县某住宅小区的工程地质条件，提出了振冲碎石桩处理液化地基的方案，经实践证明该方案达到了消除液化并提高地基承载力的目标。

地震液化，地基处理，振冲碎石桩，承载力

1 概述

浅层分布的松散饱和砂土和粉土受到地震震源处传来的地震波作用，使得饱和砂土和粉土中孔隙水压力骤然上升，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，这就使得原来的砂粒或土颗粒通过其接触点所传递的压力减小。当有效压力完全消失时，砂土层或粉土层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样的状态，这就是通常所称的砂土或粉土液化现象。

地震液化最常见的表现是地表出现“喷水冒砂”现象，从而形成场区地表的不均匀沉降，造成建筑物沉降或不均匀沉陷、倾斜、倾倒、倒塌，以及埋置的罐体、管道、空腔埋置结构的上浮破坏等震害。或者由于液化土层上方坡度较大等地形原因，以及液化土层厚度差异较大分布等，而引起灾难性的场地破坏——流滑发生。

2 地震液化产生的条件及判定

2.1 地震液化产生的条件

地震液化的内因条件指：砂土或少粘性土(粉土、轻壤土)，土的粒径与级配不均匀，土的密实程度低，土的上覆压力和侧压力较小，是产生地震液化的内因条件。反之粘性土、密实的砂土，埋深(或地应力)较大则不易或不产生地震液化。

地震液化的外因条件指：饱和的砂土或粉土、地震的地震波作用。干燥状态受地震的地震波作用会变得更加紧密～趋密，如果地震烈度小于6度，也认为不发生地震液化。

所以容易产生地震液化的场区多为河漫滩、河流阶地、沟谷、冲积平原、海滨等含水的砂土层，且形成地质年代较新、密实度较低的砂土地层。

2.2 地震液化场地判定

岩土工程勘察要求进行地震液化的判别，当存在饱和砂土和粉土(不含黄土)的地基，除6度设防外，应进行液化判别。并在《建筑抗震设计规范》中注明可初步判别不液化或可不考虑液化影响的标准。

当初步判别认为需要进一步进行液化判别时，采用标准贯入试验判别法判别地面以下15 m深度范围内的液化；采用桩基或埋深大于5.0 m的深基础时，尚应判别15 m～20 m范围内的液化。当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判别为液化土。

对存在液化土层的地基，应探明各液化土层深度和厚度，并计算每个钻孔的液化指数，按照《建筑抗震设计规范》相关要求综合划分地基的液化等级。液化等级依据地面喷水冒砂情况及对建筑的危害程度分为轻微、中等、严重三个等级。

3 抗震液化措施

场地土饱水和地震的发生往往是人力无法改变的。但液化土有两个显著特征：一个是“少粘性”的粉土或“无粘性”的砂土，另一个是密实度差，多处于“松散”状态。因此，治理液化措施也就有了明确的方向。

采用桩基或深基础伸入或置于下伏稳定土层中。

采用加密法进行加固，常用的有振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等。

采用非液化土替换全部液化土层。

采用化学的固结方法，使土层胶结或者变得密实。

采用围堵或覆压的措施，使土层达到不产生液化的效果。

采用减轻液化影响的基础和上部结构措施。

振冲挤密碎石桩是处理液化地基的常用措施。

1)通过振冲碎石桩的施工对松散砂土和粉土地基起到了如下作用：a.挤密作用。用过振动成孔，沉入桩管对周围的土层产生了很大的横向挤压力，与桩管等体积的土挤向桩管周围，使得桩管周围土层孔隙比减小，密实度增加，干密度和内摩擦角增大，提高地基承载力，同时，抗液化性能得到改善。b.振密作用。沉管挤密碎石桩施工时，沉管特别是振动能量以波的形式在地基土中传播，引起桩的四周土体振动，在挤压和振动作用下，土的结构逐渐破坏，孔隙水压力逐渐增大。使土层由较松散的状态变为密实状态。而孔隙水压力进一步增大，达到大于主应力值时，土体开始液化成流体状，遇排水通道(碎石桩)水就沿着碎石桩排水，随着孔隙水压力消散，土粒重新排列、固结，形成新的结构。由于孔隙水排出，土体孔隙比降低、密实度提高。c.抗液化作用。在碎石桩成孔和挤密碎石桩体的过程中，一方面，桩周土在水平和垂直振动力作用下产生径向和竖向位移，使桩周土体密实度增加，另一方面，土体在反复振动作用下，产生液化，液化后土体颗粒在上覆土压力、重力、填料挤压力作用下，重新排列组合，形成更加密实的状态，从而提高了桩间土的抗剪强度和抗液化能力。d.抗震作用。表现为碎石桩体减振作用和桩间土预振作用。由于碎石桩体强度远大于桩间土强度，在荷载作用下，应力集中于桩体，减小了桩间土的剪应力。由于碎石桩施工过程中往复振动作用下，地基土局部产生液化，达到地基土的预振作用。e.排水通道作用。碎石是透水材料，碎石桩成为良好的排水通道，可使超孔隙水压力加速消散，使孔隙水压力的增长和消散同时发生，降低孔隙水压力上升幅度，从而提高地基土的抗液化能力。

2)液化地基处理。液化地基往往也是软土地基，天然地基具有承载力低的特点。因此，地基处理在达到消除液化或降低液化等级的同时，还需要同时达到提高地基承载能力、减小变形的目的。因此，根据建筑抗震设防类别、建筑物对地基承载力和变形的不同要求，采取相应的处理措施。如碎石桩、碎石桩+搅拌桩、碎石桩+CFG桩、碎石桩+管桩等不同的处理措施。

4 工程实例

4.1 工程概况

太原市清徐县某住宅小区，工程场地位于清徐县孔村北面，西邻914县道，清徐县位于晋中盆地西北部，为汾河一级河流阶地地貌单元。规划总建筑面积39.626万m2，拟建场地内的建筑物有8栋高层住宅楼，72栋6层住宅楼，1栋5层办公楼，1栋3层幼儿园及临街商铺(1层～3层)。清徐设防烈度为8度。

1)工程地质概况。根据勘察报告可知：拟建场地土为中软土，建筑场地类别为Ⅲ类，设计特征周期为0.45 s；场地主要地层如表1所示。

表1 场地主要地层参数表

拟建建筑场地液化土层最大深度14.0 m，第②层饱和粉土承载力较低，仅为80 kPa；②-1层粉质粘土层，虽不具液化，由于该层土承载力特征值仅为90 kPa，故须考虑其地基震陷的影响；③层粉砂层承载能力为150 kPa；④层粉土及以下为第四系晚更新统(Q3)土层，无液化且承载力较高。

勘察深度范围内均揭露地下水，地下水类型为潜水，勘察时间为2014年7月～11月，丰水期地下水位埋深为1.2 m～2.9 m，水位标高介于760.96 m～758.75 m；平水期地下水位埋深为1.5 m～3.5 m，水位标高介于760.85 m～759.81 m。丰水期、平水期水位的最大变化幅度为1.06 m。

根据勘察报告显示,该场区分为轻微液化、中等液化、严重液化三个不同的区域，液化区域分布如图1所示。

2)地基处理要求见表2。

4.2 方案设计

根据场区条件，采用挤密碎石桩降低或消除液化，高层住宅采用碎石桩+CFG桩进行地基处理，同时提高建筑基底持力层的地基承载力。设计桩径0.4 m～0.5 m，正三角形布置，桩距1.05 m～1.1 m，桩长12.0 m，碎石桩采用振冲沉管挤密工艺，CFG桩采用长螺旋成孔工艺，并在场区选择四个区域进行试验。

拟建场区按液化土层厚度确定四个试桩区，全部消除地基的液化，则Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区(中等液化及严重液化区域)处理厚度自现地面起算不小于12 m，Ⅳ区(轻微液化区域)处理厚度自现地面起算不小于10 m。

表2 地基处理要求表 kPa

试桩正三角形布桩，每个区域分为2组均以1.0 m和1.15 m两种桩间距布设，桩径为0.4 m和0.5 m，共分8组进行试桩，每组试打68根桩。振动沉管工艺，桩管直径377 mm，桩体材料可用含泥量不大于5%的碎石、砾砂或石屑等硬质材料，最大粒径不宜大于50 mm，砂∶石=3∶7(体积比)。桩顶和基础之间宜铺设厚度为300 mm的砂石垫层，其夯填度不应大于0.9。由于上覆砂石重量不足，成桩后桩顶1.5 m左右的范围内桩身较松散，因此,应注意对褥垫层底部桩顶进行大吨位碾压。

施工时应控制填砂石量、提升高度和速度、挤压次数和时间、电机的工作电流等。施工中应选用能顺利出料和有效挤压桩孔内砂石料的桩尖结构。当采用活瓣桩靴时，宜选用尖锥形；一次性桩尖可采用混凝土锥形桩尖。砂石桩桩孔内材料填料量，通过现场试验确定，桩径0.4 m充盈系数不小于1.05，桩径0.5 m充盈系数不小于1.65。

4.3 效果分析

成桩14 d后检测结果，采用振动沉管挤密碎石桩，当桩径0.4 m、桩距1.0 m时，处理后地基承载力特征值为107 kPa；当采用振动沉管挤密碎石桩桩径0.5 m、桩距1.15 m处理后地基承载力特征值为120 kPa。采用以上方式进行地基处理后地基土液化等级可消除至轻微～中等。

因工程延缓，于成桩140 d后，第二次进行了碎石桩复合地基检测，并只检测了试桩挤密碎石桩桩间距1.00 m，桩径为0.4 m的试桩区，检测成果复合地基的承载力特征值达到162 kPa，地基土液化基本消除。液化判定结果汇总表见表3。

表3 液化判定结果汇总表

因此，采用碎石桩复合地基达到消除液化并提高地基承载力目的，本次设计要求先将场地回填砂卵石，而后再施工碎石桩。本设计方案碎石桩满足承载力及沉降变形要求。

4.4 成片施工

一期开工C区12栋楼，设计均采用桩间距为1.10 m，桩径为0.4 m，正三角形布置，根据计算在严重液化区域有效桩长为12.0 m，在中等液化区域有效桩长为11.0 m。建筑物地段地基处理范围为每边基础外扩6.5 m。相邻2栋建筑物之间外扩边界会重合搭接。桩顶铺设300 mm厚砂石褥垫层，复合地基承载力特征值不小于150 kPa。

桩体材料采用含泥量不大于5%的碎石，碎石粒径为20 mm～40 mm，且最大粒径不宜大于50 mm；桩体充盈系数不小于1.4。一期12栋住宅楼，建筑面积一共44 958.5 m2，工程共布置沉管碎石桩13 614根,共计173 080.5 m。

由于现场为低洼地形，整个场平标高要比现场区高1.0 m～2.5 m不等，且现有场地表层为原荒废耕地，为耕植土，回填土前需要进行全面清表，清表土厚度0.50 m～1.0 m，回填土厚度根据现场情况确定。场地大面积填土应在主体结构施工前完成。

振冲碎石桩施工中场地普遍下沉量在0.35 m～0.5 m不等，平均沉降量为0.35 m。

按规定时间进行竣工质量检验，均满足设计规范要求。

5 结语

通过本工程,再次验证沉管碎石桩在处理饱和液化建筑地基的应用是一种比较理想的措施,它具有施工操作简便,造价低,无泥浆污染,无噪声污染等特点。在降低液化等级或消除液化的同时，提高地基承载力，达到地基处理的目的。

振冲碎石桩在大面积施工前应通过试桩验证设计参数的合理性及工艺适宜性，并根据试桩结果进行方案调整。还需要注意振冲碎石桩在施工中及施工后的沉降量，以保证设计桩顶标高及建筑物竣工后首层地面标高的正确设定。

[1] 龚晓南.地基处理手册[M].第3版.北京：中国建筑工业出版社,2008.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

On earthquake-induced liquefaction on architectural sites and liquefaction foundation treatment

Chen Xia

(ShanxiGuochenConstructionandEngineeringSurveyandDesignCo.,Ltd,Yangquan045000,China)

The paper indicates the conditions for the earthquake-induced liquefaction on architectural sites and its judgment methods, introduces the common seismic liquefaction measures, puts forward the scheme of using the vibro-replacement stone column to deal with the liquefaction foundation by combining with the engineering geological conditions for some residential complex in Qingxu county of Taiyuan, and proves the scheme can eliminate the liquefaction and improve the foundation loading capacity.

earthquake-induced liquefaction, foundation treatment, vibro-replacement pile, loading capacity

1009-6825(2016)32-0075-03

2016-09-06

陈 霞(1980- )，女，工程师

TU472

A