砂土地震液化的形成机制及防治措施

马旺 欧阳九发 康林 乔丰 郑有伟

摘 要： 在查阅大量资料的基础上，对砂土地震液化的机制、形成条件进行分析，并总结地震砂土液化对人类工程活动所造成的危害，以及常用的防治措施。

关键词： 砂土地震液化机制;危害;防治

导致砂土液化的主要原因是地震振动和机械振动，由地震振动引起的砂土液化往往是区域性的危害较大的，1976年唐山地震，宁河县福庄在此次地震中整体下降2米，塌陷区边缘出现环形裂缝;日本新潟地震均导致大规模的砂土液化，造成码头被毁，楼房倾斜，大量交通线路被毁;而机械振动引起的砂土液化危害较小，鉴于砂土液化给人类工程建设中带来的危害，人们对其进行深入的研究。

1 砂土地震液化机制

由地震振动引起的砂土液化相对来说比较复杂，一般认为其液化过程分为两个阶段。振动液化阶段内，饱水的砂体受周期性的惯性力的作用下，就会有逐渐变密的趋势，每一次振动都会使空隙减小，排出一部分的水，如果水不能及时排出砂土外，随着振动周期次数的增加空隙水压力就会不断上升，当其上升到等于围压时，砂粒间的有效正应力就会逐渐减小，砂的变形速度就会加快，直到砂体完全液化，振动液化后某点的总空隙水压力等于静水压力与剩余空隙水压力之和，形成了水头差，在水流运动的过程中砂粒就会被推向水中，形成渗流液化。

2 砂土地震液化形成条件

2.1 砂土的自身条件

（1）相对密度：当砂的相对密度较大时，就会需要更大的地震加速度值或更多的振动次数才能使其完全液化，而松砂液化的条件较为简单，所以，疏松的砂是液化的必要条件。

（2）粒度和级配：随砂土平均粒度的减小，砂土充裕空隙比（天然孔隙比与最小空隙比的差值）就会增大，所以在地震时排出的孔隙水增多，并且随着平均粒度的减小，砂土的透水性就会降低。在一定的粒度范围内，级配良好会减少砂体内的孔隙，所以配级愈差，粒度愈均匀，越有利于液化。

（3）埋藏条件：由砂土液化机制知，砂粒间的有效正应力降为零时，砂体才能被液化，当液化砂层上伏盖层重量较大时，空隙水压力则不足以抵抗由此产生的应力，会抑制砂层液化，所以，易液化的砂层一般埋藏较浅。

（4）成因及时代：近代河口三角洲是造成砂土液化的主要砂体，日本新潟市地震液化最严重的地区是河口堆积的平原，唐山大地震中形成的砂土液化地区是古代海岸线退后形成的河口三角洲。

2.2 地震条件

地震的强度和时间：强度可以用地震加速度来体现，也是砂土液化形成的动力，地震加速度越大，饱水砂层就更容易液化，持续时间越长，就可以液化相对密度较大的砂层。

3 防治措施

研究砂土地震液化的主要目的就是防治砂土液化，以减少由它带来的危害，防地震液化的措施主要有两类：

3.1 对建筑物进行抗液化设计

（1）上部建筑物抗液化处理。尽量避免在有液化可能的土层上修建建筑物，如果无法避免，并且对地基进行的抗液化处理不满意时，可以加强上部建筑物抗液化设计，可以减轻上部建筑物的重量，增强上部建筑的整體性和均匀性。

（2）基础选择及抗液化处理。如在有可能液化地基上的低矮建筑物可以选择片筏基础，以提高承载力，所以基础应根据现实情况合理选择。桩基是防止建筑物下沉的常用措施，通过桩基穿过液化土层来消除因液化带来的危害，为了充分发挥桩基的作用，就必须依据实际情况对桩基进行保护。据文献分析，当液化地基有侧向扩离的趋势，对桩基震害有显著影响，由于受到液化土层侧向扩离的作用，在液化与非液化土层交界处的桩身受到很大的剪力，容易发生破坏，在这种情况下使用桩基时，可以增加桩身配筋，提高桩身的强度，加强桩头与承台的连接，来保护桩身的安全。

3.2 人工改良地基

3.2.1 饱水砂层改良措施

（1）振冲法：一种软弱地基深加固的方法，可以有效提高砂层抗液化能力，使砂土的相对密度增加到0.80，并且回填的碎石桩可以消散空隙水压，有效地提高了砂土地基的承载能力，通过振冲器前端射水口的高压喷水，液化附近土层，在沉入设计深度后，提升振冲器，并加入碎石，边提边振捣，最后在地基内形成密实的碎石桩。

（2）强夯：在松砂地表用夯锤或振动碾压机加固砂层，可以提高砂层的相对密度，增强地基抗液化能力。强夯是用重锤从高处自由落体，强大的冲击波使土体局部液化下沉而变密，该方法施工比较简单，比较经济，但是噪音大。我国塘沽使用质量为10吨，底面为2m×2m的夯锤，夯10～14次后，承载力提高了32%～57%。

（3）爆炸振密法：利用爆炸产生的能量使饱和砂土颗粒重组，将空隙水排出，从而增加砂体的相对密度，一般用于处理底面较大的建筑物的地基，这种方法也有许多不足之处，比如，施工工期长，作业繁重，施工要求高，在其他方法不能施行时，可采用此种方法。

3.2.2 增加上伏盖层重量

在可液化的土层上方填筑填土层，压实以提高其抗液化能力，填土层厚度根据本地区地震烈度计算，填土层产生的重力大于可能产生液化的临界压力，在日本新潟地震中，有的建筑物建在原地面上填有3m厚的土层上，损毁较附近建筑物轻。

3.2.3 换土法

一般用于表层处理，地表以下3—6米有可能液化的土层时，将其挖除并填回粗砂压实，在某些土坝地基和公路可液化地区采用过。

3.2.4 排水法

在可能液化的砂层中设置渗井，砂体在振动过程中空隙水可以从渗井排出，空隙水压也可以及时消散，砂层就难以液化。

3.2.5 围封法

在有可能液化的地基上修建的建筑物，可将基础范围内的可液化砂层截断封闭，可采用混凝土截水墙，沉箱等，用以隔断外侧液化砂层对地基的影响，建筑物下被隔断的砂层，由于建筑物自身重力使其不会被液化，可以有效防止砂层液化。

基金项目： 内蒙古自然科学基金项目（编号：2018LH04001）

作者简介： 马旺（1997—），男，内蒙包头人，本科在读，研究方向：地质工程。

*通讯作者： 郑有伟（1988—），男，讲师，研究方向：工程地质教学与研究。