浅析饱和粉土地震液化的危害及防治措施

摘要：随着人类工程活动的不断加剧，饱和粉土地震液化及其所引发的地裂缝、地面沉降等地质灾害对人类的危害也越来越大，本文结合饱和粉土地震液化机理及形成条件，分析了饱和粉土地震液化所引起的地质灾害及其破坏力，并提出了防治措施。

关键词：地震液化 形成条件 危害 防治措施

1、饱和粉土地震液化机理

饱和粉土在地震作用或强烈的人类活动（振动）影响下，由于不能及时排水而形成超孔隙水压力，粉土之间的有效正应力就随之而降低，当超孔隙水压力达到与粉土之间的有效正应力相等时，粉土之间的有效正应力为零，在短时间内丧失抗剪强度和承载能力，此时砂土颗粒就会完全悬浮于水中，土体变成流体，这种地质现象称为饱和粉土地震液化[1]。

图1为渗流液化流网示意图，图中实线表示等压线，虚线表示流线，箭头表示冒水现象。如图所示，在没有不透水盖层的情况下出现遍地冒水，上部粉层松胀、强度丧失，但不喷砂冒水。由于地震时松散地层容易裂开，裂缝处的阻力比较小，上升水流速度比较大、水头损失较小，因此容易在裂缝处出现喷砂冒水现象。

图1 砂土渗流液化时流网示意图

饱和粉土的地震液化，是从地震运动引起土体结构失稳开始，通过孔隙压力的增长导致土体中有效应力的降低，并且随着时间的延续，产生了孔隙压力的消散，从而可能在某种程度上促使有效应力的恢复。

2、饱和粉土地震液化的形成条件

2.1地震条件

（1）液化最大震中距

分析我国1955年以前近900a间历次地震喷砂冒水资料得出震级（M）与液化最大震中距（Dmax）有如（2—9）式关系： Dmax=0.82×100.862（M-5） （2—9）

由上式可以判定，如M=5则液化范围限于震中附近1km之内。

（2）液化最低地震烈度

我国地震文献中没有地震震级小于5级的喷砂冒水记录。震级5级震中烈度为Ⅵ度，故液化最低烈度为Ⅵ度。

2.2地质条件

经调查，发现近年来的液化现象多发生在全新世及近代海相、河湖相沉积平原，河口三角洲，尤其是河漫滩、古河道、洼地、滨海地带、人工填土地带等。

2.3埋藏条件

（1）最大液化深度。一般认为液化判别应在地下15m深度范围内进行。最大液化深度可达20m，但对一般浅基础而言，即使15m以下液化，对建筑物影响也极轻微。

（2）最大地下水位深度。喷砂冒水现象多发区，地下水位埋深一般小于3m， 3～4m时，喷砂冒水现象少见，大于5m，目前还未喷砂冒水实例。《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ11—85）修订稿为安全起见将液化最大地下水位埋深定为8m。

2.4水体条件

粉土只有处于饱和状态时才可能发生液化，然而松散的粉土，小于地下水位时才能达到饱和状态。因此，地下水的作用及其水位的高低是判别液化现象的重要条件。处于Ⅶ度地震区，地下水位大于6m，地震时容易发生液化现象。

2.5土体条件

粉土液化的一些特性指标界限值为：①平均粒径大于0.01 mm，小于1.0mm;②粒径小于0.005 mm的颗粒含量不大于10％（不加分散剂）或不大于15％（加六偏磷酸钠分散剂）；③不均匀系数（Cu）不大于10；④相对密度（Dr）不大于75％。

2.6标贯判别法

根据我国八次大地震的震害调查和勘探分析，将粉层在地下埋深为3m、地下水位在地表下2m作为基本情况，求出不同烈度下液化与不液化分界的临界贯入击数N0。设计烈度为Ⅶ度时N0=6，Ⅷ度时N0=10，Ⅸ度时N0=16。若粉土埋深、地下水位埋深与上述不同，则采用以下判别式计算临界标准贯入击数N。N= N0［1+0.125（H-3）-0.05（h-2）］ （2—10） 式中H为粉土埋深， h为地下水埋深，单位为米。

如实际贯入击数大于临界贯入击数，则不液化，反之则液化。此方法简单易行，适用于饱水粉土埋深在15m范围内。但是操作方法应该标准化，以用泥浆回转钻进、自动脱钩吊锤为宜。对于重要工程每层土不应少于5个钻孔，试验次数不宜少于15次，整理资料时应去掉显然不合理的数据，分层求其平均值以消除偶然误差。

3、饱和粉土地震液化的危害

饱和粉土地震液化引起的破坏主要有以下四种：(1)沃土盐碱化、砂质化，同时造成河床、渠道、井筒等淤塞。(2)建筑地基失效：随有效正应力的降低，地基土层的承裁能力也迅速下降，甚至完全丧失。(3)滑塌：饱和粉土层震动液化和流动，可引起大规模滑坡。(4)地面沉降；饱和粉土因振动而变密实，地面随之下沉。

4、防治措施

详细查明其液化情况后，根据判别结果按现行规范采取合理措施进行以下处理。

（1）换土。此法适用于地表以下3－6m有易液化土层，可将其挖除后回填粗砂（需压实）或其它合适材料。将基础底面以下液化土层挖除一定厚度后用非液化材料回填夯实。

（2）改善饱和砂（粉）土的密实程度。改良液化土层性能的常用方法有砂石桩挤密法及深层搅拌法，前者是通过强力置入砂石等散体材料使液化土层排出水分、得到挤密而消除液化，并进而提高地基承载能力，后者是在原位将水泥粉体或浆液与液化土层强制拌合从而达到消除液化并提高地基承载能力的目的。

（3）增加盖重。增加盖重可以有效防治饱和粉土的地震液化，拟建工程中的低层-多层房屋类建筑物可采用此法，具体做法可在基础底面增设一定厚度的碎石垫层。

（4）采用桩基础。通过桩基础将建筑物上部结构的荷载传递到深部强度较高的非液化土层之上，同时使饱和粉土得到一定程度的挤密而消除液化。如采用桩基宜用较深的支撑桩基或管柱基础，浅摩檫桩的震害是严重的（图2）。

图2 液化地基上各种形式基础结构建筑物的震害情况示意图

参考文献：

[1]中华人民共和国建设部主编，《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001），中国建筑工业出版社出版，2002年2月第一版

[2]中华人民共和国建设部主编，《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002），中国建筑工业出版社出版，2002年3月第一版