砂土的液化及防范措施

【内容提要】明确砂土液化影响因素，判定液化等级，消除液化的措施及要求。

【主题词】砂土液化

1、前言

饱和砂土（含粉土，泛指无粘性土和少粘性土）在动力荷载（循环震动）作用下表现出类似液体性状而完全失去承载力的现象。

砂土颗粒间无内聚力的松散砂体，主要靠粒间摩擦力维持本身的稳定性和承受外力。当受到振动时，粒间剪力使砂粒间产生滑移，改变排列状态。如果砂土原处于非紧密排列状态，就会有变为紧密排列状态的趋势，如果砂的孔隙是饱水的，要变密实效需要从孔隙中徘出一部分水，如砂粒很细则整个砂体渗透性不良，瞬时振动变形需要从孔隙中排除的水来不及排出于砂体之外，结果必然使砂体中空隙水压力上升，砂粒之间的有效正应力就随之而降低，当空隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时，砂粒就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化。

地震、波浪、车辆行驶、机器震动等都可能引起饱和砂土的液化。其中以地震引起的大面积甚至深层的砂土液化危害最大。

2、砂土液化的形成机制

砂土受振动时，每个颗粒都受到其值等于振动加速度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。由于颗粒间没有内聚力或内聚力很小，在惯性力周期性反复作用下，各颗粒就都处于运动状态，它们之间必然产生相互错动并调整其相互位置，以便降低其总势能最终达到最稳定状态。如果砂土位于地下水位以上的包气带中，由于空气可压缩又易于排出，通过气体的迅速排出立即可以完成这种调整与变密过程，此时只有砂土体积缩小而出现的“覆陷”现象，不会液化。如果砂土位于地下水位以下的饱水带，情况就完全不同，此时要变密就必须排水。地层的振动频率大约为1一2周期／秒，在这种急速变化的周期性荷载作用下，伴随每一次振动周期产生的孔隙度瞬时减小都要求排挤出一些水，如砂的渗透性不良，排水不通畅，则前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再减小又产生了。应排除的水不能排出，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。前一个周期的剩余孔隙水压尚未消散，下一周期产生的新的剩余孔隙水压力又迭加上来，故随振动持续时间的增长，剩余孔隙水压会不断累积而增大。

已知饱水砂体的抗剪强度τ由下式确定：

τ＝（σn-pw)tgφ=σ0 tgφ（式中：pw为孔隙水压；σ0为有效正压力）。

在地震前 外力全部由砂骨架承担，此时孔隙水压力称中性压力，只承担本身压力即静水压力。令此时的空隙水压力为pw0，振动过程中的剩余空隙水压力为pw，则振动前砂的抗剪强度为：

τ＝（σ-pw0）tgφ

振动时： τ＝[σ-（pw0+pw）]tgφ

随pw累积性增大，最终pw0+pw＝σ，此时砂土的抗剪强度降为零，完全不能承受外荷载而达到液化状态。

3、砂土液化影响因素

由饱和砂土和粉土组成的地基，在地震时并不是全会发生液化现象。因此必须了解影响砂土液化的主要因素，才能做出正确的判断。

1）砂土性质

对地层液化的产生具有决定性作用的，是土在地震时易于形成较高的剩余空隙水压力。高的剩余空隙水压力形成的必要条件，一是地震时砂土必须有明显的体积缩小从而产生空隙水的排水．二是向砂土外的排水滞后于砂体的振动变密，即砂体的渗透性能不良，不利于剩余空隙水压力的迅速消散，于是随荷载循环的增加空隙水压力因不断累积而升高。通常以砂土的相对密度和砂土的粒径和级配来表征砂土的液化条件。

①砂土的相对密度:从动三轴试验得知,松砂极易完全液化,而密砂则经过多次循环的动荷载后也很难达到完全液化。

②砂土的粒度和级配：砂土的相对密度低并不是砂土地震液化的充分条件，有些颗粒比较粗的砂，相对密度虽然很低但却很少液化。具备一定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。

2）初始固结压力（埋藏条件）

当空隙水压大于砂粒间有效应力时才产生液化。如果饱水砂层埋藏较深，以至上覆土层的盖重足以抑制地下水面附近产生液化，液化也就不会向深处发展。饱水砂层埋藏条件包括地下水埋深及砂层上的非液化粘性土层厚度这两类条件。地下水埋深愈浅，非液化盖层愈薄，则愈易液化。

3) 地震强度及持续时间

引起砂土液化的动力是地震加速度，显然地震愈强、加速度愈大，则愈容易引起砂土液化。

4、砂土液化的宏观现象：

1）喷砂冒水：这是砂土液化最明显的宏观标志，它和受压的液体一样，液化砂土在上部土层的压力下，会从覆盖薄弱的地方冒出地面，喷砂冒水严重的地方，大片农田和庄稼被淹埋，渠道、水井被淤。

2)岸堤滑塌：河边和公路，铁路的边沟覆盖层比较薄弱，这里的砂层更易发生液化，由于有临空面存在，往往造成河岸，堤坎、路床产生沉陷，裂缝和滑塌，并使桥梁或其它设施产生严重破坏。

3)地面开裂下沉：液化的砂土往往从地裂缝喷到地面上来，另一方面，砂土液化也往往会加剧地面开裂，并且液化的砂层在重新沉积之加剧上部结构破坏。

5、液化土层的判断

1）当抗震设防烈度为7～9度时，且场地分布有饱和砂土或饱和粉土时，应进行液化判别。

2）根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2010）规定，地震液化的判别，可在地面以下20m深度内进行，对于可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的各类建筑物，判别深度15m。

3）为判别液化所布设的勘探点对于每一单独建筑物应不少于3个，勘探点的深度应大于液化判别深度。

4）砂土液化初判：符合下列条件之一的可判别为不液化或不考虑液化影响：A、地质年代为第四纪晚更新世Q3及其以前时，7、8度可判别为不液化。B、粉土粘粒含量百分率7、8、9度分别不小于10、13、16时，判别为不液化。C、浅埋天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时可考虑不液化：

du>d0+db-2

dw>d0+db-3

du+dw>1.5d0+2db-4.5

(dw ---地下水位深度m； du ---上覆非液化土层厚度m；db----基础埋置深度d0---液化土特征深度)

5）初判为液化时应进一步对于饱和砂土进行液化判别，根据《建筑抗震设计规范》（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（未经干长修正），Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值。）

6）存在液化土层的地基，根据液化指数ILE按下表划分液化等级。

地基液化等级

液化

等级 20米判别

液化指数

ILE

地面喷水冒砂情况 对建筑物危害程度描述

轻微 0< ILE ≤6 地面无喷水冒砂，或仅在洼地河边有零星的喷冒点 液化危害性小，一般不引起明显的震害

中等 6< ILE ≤18 喷水冒砂可能性大，从轻微到严重均有，多数属中等冒砂 液化危害性较大，可造成不均匀沉降

严重 ILE >18 一般喷水冒砂都很严重，地面变形很明显 液化危害性严重，破坏建筑物

6、抗液化措施：

1）当液化土层较平坦均匀时，按下表选用地基抗液化措施；尚可计入上部结构重力荷载对液化危害的影响，根据液化震陷量的估计适当的调整抗液化措施，不宜将未处理的液化土层作为天然地基持力层。

抗液化措施

建筑抗震设防类别 地基的液化等级

轻微 中等 严重

乙类 部分消除液化沉陷或对基础和上部结构处理 全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷或对基础和上部结构处理 全部消除液化沉陷

丙类 基础和上部结构处理亦可不采取措施 对基础和上部结构处理，或更高要求的措施 全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷或对基础和上部结构处理

丁类 可不采取措施 可不采取措施 对基础和上部结构处理，或其他经济的措施

2）全部消除液化沉陷的措施，应符合以下要求：

1、桩基础：桩端伸入液化深度以下稳定土层的长度（不包括桩尖部分），应按计算确定，对于碎石土，砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于0.8m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5m。

2、采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下稳定土层土层中，其深度不应小于0.5米。

3、采用加密法（振冲、振动加密挤密碎石桩、强夯等）加固时，应处理至液化深度下界；振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入击数不宜小于规范所规定的液化判别标准贯入临界值。

4、换填法，用非液化土层替换全部液化土层，或增加上覆非液化土层厚度

5、采用加密法或换填法处理时，基础边缘以外处理宽度，应超过基础底面以下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。

3）部分消除地基液化沉陷措施，应符合以下要求：

1、处理深度应使处理后的地基液化指数减少， ILE不宜大于5；大面积筏基、箱基的中心区域处理后的液化指数可降低1；对独立基础和条形基础，尚不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值。

2、采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入击数不宜小于规范所规定的液化判别标准贯入临界值。

3、基础边缘以外处理宽度，应超过基础底面以下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。

4、采取减少液化震陷的其他方法：如增厚上覆非液化土层厚度改善周边排水条件

4）减轻液化影响的基础和上部结构处理，可综合采用下列各项措施：

1、选择合适的基础埋置深度。

2、调整基础底面积，减少基础偏心。

3、加强基础的整体性和刚度，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条基，架设基础圈梁等。

4、减轻荷载，增强上部结构整体性刚度和均匀对称性，合理埋设沉降缝，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等。

5、管道穿过建筑物处应预留足够尺寸或采用柔性接头。

结论：通过对砂土液化的深入了解，及时正确判别砂土液化程度，提出合理的处理意见，避免砂土的液化对工程的影响造成不必要的经济损失。

参考文献：建筑抗震设计规范GB50011-2010中国建筑工业出版社

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。