液化地基基础设计浅析

摘要 介绍了地震作用下地基液化的危害，目前国内常见的液化地基的处理方法。结合《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)、《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)、《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)，详细阐述了泉州市某高层办公楼严重液化地基基础的设计思路。以安全、经济、合理为原则，通过对地基液化等级的判断，选择恰当的地基抗液化措施、合适的基础形式及上部结构处理方法。总结出液化地基基础设计的一般思路，以期对类似地基基础设计提供一些借鉴与参考。

关键词 地基液化、地震作用、液化等级、地基、基础

中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：

1前 言

不少专家学者认为目前全球已经进入了地震多发期，并且随着社会经济的快速发展，大体量的高层及超高层建筑层出不穷，建筑结构的重要性不断提高。这就给存在液化土层的地基基础设计带来了巨大的挑战。怎样才能做出既安全，又经济合理的设计方案，这是每一位地基基础设计者值得思考的问题。

在地震作用下，饱和状态下的砂土或粉土中的孔隙水压力上升，土中的有效应力减小，土的抗剪强度降低,达到一定程度时，土颗粒处于悬浮状态，土中有效应力完全消失，土的抗剪强度为零,土变成了可流动的水土混合物，此即为地基土体液化。

唐山地震、汶川地震和日本阪神地震震害表明，因地基土体液化造成建筑破坏严重。表现为建筑物产生巨大沉降和严重倾斜，甚至失稳、倒塌，从而造成了较大的生命和财产损失。因此，如何避开液化危险地段修建房屋，如何处理存在液化土层的不利地段地基，如何采取减轻液化影响的基础和上部结构处理的措施，是液化地基基础在设计时需重点解决的问题。对于第一个问题，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)（以下简称《抗震规范》），在故河道以及临近河岸、海岸和边坡等有液化侧向扩展或流滑可能的地段内不宜修建永久性建筑，否则应进行抗滑动验算、采取防土体滑动措施或结构抗裂措施。对于第二个问题，目前国内常见的液化地基处理方法有换土法或加密法（如振冲、振动加密、挤密砂桩、挤密碎石桩、强夯等），《抗震规范》第4.3.5~4.3.8条有明确的规定，在此不再论述。对于第三个问题，本文将结合实际工程对此进行探讨。

2 工程概况

泉州市某高层办公楼地上十一层，建筑高度为38.45m，设一层地下室，地下室层高3.6m，基础形式采用桩筏基础，筏板顶面标高为-3.9m，基础（桩基）设计等级为乙级，基础顶面作为上部结构的嵌固端。本工程的主要计算参数如下：结构设计使用年限50年；建筑抗震设防类别为标准设防类(丙类)；工程抗震设防烈度为7度；设计基本地震加速度为0.15g；建筑场地类别为Ⅲ类；设计地震分组为第三组；场地特征周期为0.65秒；基本风压为0.70KN/O；地面粗糙度类别为B类；风载体型系数为1.3；基本雪压为0.00KN/O。结构体系为框架-剪力墙结构，剪力墙抗震等级为二级，框架抗震等级为三级。

3地质报告的简单介绍及分析

根据岩土工程勘察报告，本场地内自上而下依次为第1层种植土、第2层粉细砂、第3层淤泥、第 3-1层为细砂、第4层淤泥质粘土、第5层中粗砂、第6层卵石、第7层残积砂质粘性土、第8层强风化花岗岩。在地震作用下第 2层粉细砂及第3-1层细砂

会产生严重液化，第3层淤泥、第4层淤泥质粘土有可能产生震陷。地下水距离天然地坪1m左右。本场地及周边无故河道以及临近河岸、海岸和边坡等有液化侧向扩展或流滑可能的情况，属于抗震不利地段，可以建造乙类及丙类建筑（甲类建筑需经专门研究），在进行地基基础及上部结构设计时需考虑地基土液化及震陷的影响。

4液化地基处理

根据《抗震规范》第4.3.6条要求，不宜将未经处理的液化土层作为天然地基持力层。本工程抗震设防类别为丙类，2层粉细砂及3-1层细砂的液化等级为严重液化，按规范表4.3.6应采取全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理的抗液化措施。本场地液化土层较厚，如全部消除液化，成本较高，经多方面比较，最终选择了上述后者处理方案。本项目设有一层地下室，基础采用桩筏基础（后面做详细论述），筏板底面位于3层淤泥土上，2层粉细砂液化土最终全部清理掉。又根据《抗震规范》第4.4.3条要求，存在液化土层的低承台桩基抗震验算，应符合桩承台底面上、下分别有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土层或非软弱土层。故本工程机械挖土完成后应采用人工将筏板以下1.2m深度范围内的淤泥土挖除，并采用密实干土换填夯实至垫层底标高。换填范围为筏板1m,换填后压实系数为0.96。换填夯实应注意保护已施工完成的桩。

5上部结构设计

为减轻地震作用下地基液化造成的影响，上部结构设计时采取了以下两个方面的措施：1）采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，剪力墙均匀布置于建筑的四角及周边 (结构竖向抗侧力构件典型平面布置如图1所示)，增强了结构的整体刚度，质量分布较均匀，刚心与质心基本重合，减少了结构产生不均匀沉降的因素。2）在满足地震作用下剪力墙承担的结构底部倾覆力矩大于50%及层间位移角满足规范要求的前提下，尽量减少剪力墙的布置，楼板厚度取100~120mm，隔墙全部采用轻质砌块，从而减轻整体结构重量，减小地震作用。

图1结构竖向抗侧力构件典型平面布置图

6基础设计

6.1基础选型

本工程可以选用的基础形式有：筏板基础；桩基+独立承台+构造防水板基础；桩筏基础。若采用筏板基础，则需对第3-1层细砂层进行抗液化处理，可采取换土法或加密法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等），处理深度需满足《抗震规范》第4.3.8条要求，成本较高，工期也较长。若采用桩基+独立承台+构造防水板基础，根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)第8.5.23条要求，独立承台间需设置承台拉梁，以提高基础的整体刚度，调节不均匀沉降。此基础形式造价较低，但其整体性与刚度远比不上桩筏基础，根据《抗震规范》第4.3.9条第3款要求，最终基础类型选为桩筏基础。又根据福建省地方规定，场地存在液化土层的桩基不应采用空心桩，故本工程选用预制混凝土实心方桩。

6.2单桩竖向承载力计算

桩型采用500X500的预制混凝土方桩，桩端持力层为6层卵石层，桩长21m，满足《抗震规范》第4.3.7条第1款关于桩端应进入液化深度以下稳定土层一定长度的要求，并应计算确定进入长度。筏板厚450mm，框架柱及剪力墙下为1000mm，桩进筏板100mm，桩顶相对标高为-4.800m，相当于绝对标高6.000m。根据地质报告取最不利的3号孔计算单桩竖向承载力。按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)（以下简称《桩基规范》）第5.3.12条，对于桩身周围有液化土层的低承台桩基，在承台底面上下分别有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土或非软弱土层时，可将液化土层极限侧阻力乘以土层液化影响折减系数计算单桩极限承载力标准值。土层液化影响折减系数可按表5. 3. 12确定。当承台底面上下非液化土层厚度小于以上规定时，土层液化影响折减系数取0。又根据《桩基规范》第5.4.2及5.4.3条，本场地第3层淤泥、第4层淤泥质粘土有可能产生震陷，需考虑桩侧负摩阻力。由于本工程桩为端承型桩，故应同时满足下面两个公式：Nk≤Ra（1），Nk+≤Ra （2）,式中Ra表示只计中性点以下部分侧阻力及端阻力的单桩竖向承载力特征值，表示负摩阻力引起基桩的下拉荷载。 经计算，只计中性点以下部分侧阻力及端阻力，单桩竖向承载力计算见表一，应满足（1）式；考虑负摩阻力时的侧阻力及端阻力，单桩竖向承载力计算见表二，应满足（2）式。桩周第层土桩侧负摩阻力标准值 ，当计算值大于正摩阻力标准值时，取正摩阻力标准值进行设计。式中表示桩周第层土负摩阻力系数，按规范表5.4.4-1取值；表示由土自重引起的桩周第层土平均竖向有效应力。

6.3单桩水平承载力计算

根据《抗震规范》第4.4.3条，当承台埋深较浅时，不宜计入承台周围土的抗力或刚性地坪对水平地震作用的分担作用。根据《桩基规范》第5.7.2条对于受水平荷载较大的设计等级为甲级、乙级的建筑桩基，单桩水平承载力特征值应通过单桩水平静载试验确定。当桩的水平承载力由水平位移控制，且缺少单桩水平静载试验资料时，可按下式（3）估算预制桩单桩水平承载力特征值：

Rha=0.75 （3）

式中EI表示桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝土桩，EI=0.85ECI0 ，EC为混凝土弹性模量，I0为桩身换算截面惯性矩，矩形截面I0= W0 b0/2 ；X0a表示桩顶允许水平位移，本项目X0a=10mm；X表示桩顶水平位移系数，按规范表5.7.2取值；表示桩的水平变形系数， ，b0表示桩身的计算宽度,方形桩：边宽b≤1m时，b0=1.5b+0.5,边宽b>1m时，b0=b+1，本项目b=500mm；m表示桩侧土水平抗力系数的比例系数，可按规范表5.7.5取值，当地基为可液化土层时，应将表中数值乘以相应土层液化影响折减系数。根据《桩基规范》附录C,当基桩侧面为几种土层组成时，应求得主要影响深度hm=2(d+1)米范围内的m值作为计算值。本项目hm=2（0.5+1）=3 m,在hm范围内有h1=1.2m的中密回填素土及h2=1.8m的淤泥土，由表5.7.5，m1=6.0,m2=2.5,由附录C.0.2-1式， m==3.06 MN/m 4

经计算，单桩水平承载力特征值Rha=45.5KN。

6.4桩基抗震承载力验算

根据《抗震规范》第4.4.2及4.4.3条，桩承受全部地震作用，单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值，可均比非抗震设计时提高25%。即单桩竖向抗震承载力特征值RaE=1.25X969=1211KN,在地震作用标准组合下桩最大反力N=1187KN，满足要求；单桩水平抗震承载力特征值RhaE=1.25X45.5=56.9KN, 本项目总桩数为190根，水平地震作用下总基底剪力为：VE=9996 KN,56.9X190=10811>9996KN，满足要求。《抗震规范》第4.4.3条还规定，除对桩承受全部地震作用进行验算外，还应按照以下规定对桩基抗震承载力进行验算，即地震作用按水平地震影响系数最大值的10％采用，桩承载力仍按上述方法取用，但应扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下2m深度范围内非液化土的桩周摩阻力。经验算，桩的竖向及水平向抗震承载力均能满足要求。

6.5桩身混凝土强度验算

根据《桩基规范》第5.8.4条，计算轴心受压混凝土桩正截面受压承载力时，一般取稳定系数＝1.0。对于高承台基桩、桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于10kPa的软弱土层的基桩，应考虑压屈影响，可按公式计算所得桩身正截面受压承载力乘以折减，即。其稳定系数可根据桩身压屈计算长度和桩的设计直径d(或矩形桩短边尺寸b)确定。桩身压屈计算长度可根据桩顶的约束情况、桩身露出地面的自由长度、桩的入土长度h 、桩侧和桩底的土质条件按规范表5.8.4-1确定。当桩侧有厚度为的液化土层时，，，为土层液化影响折减系数。桩的稳定系数可按表5.8.4-2确定。本项目N=1.35X1180=1593

=0.96X0.85X16.7X500X500=3407 KN ，满足要求。

6.6桩群形心验算

根据《抗震规范》第4.3.9条要求，应调整基础底面面积或调整桩的平面布置，减少基础偏心，以减轻地基液化造成的不利影响。本工程桩群形心与准永久组合下荷载重心偏差：X方向偏心值为0.18m，偏心率为0.50%；Y方向偏心值为0.11m，偏心率为0.45%，满足规范要求。

6.7桩身配筋构造加强措施

根据《抗震规范》第4.4.5条要求，液化土和震陷软土中桩的配筋范围，应自桩顶至液化深度以下符合全部消除液化沉陷所要求的深度，其纵向钢筋应与桩顶部相同，箍筋应加粗和加密。本工程桩身纵向钢筋沿整桩通长设置，所选用的桩身箍筋直径沿整桩长均为8mm，间距为100mm（桩端及桩尖间距按《预制钢筋混凝土方桩》图集设置，且不大于100mm）。

7总结液化地基基础设计的一般思路

1）地基存在饱和砂土和饱和粉土时，应按规范要求进行地基液化判别（一般为地质勘察部门完成）。

2）对液化地基进行分析，根据场地周边是否存在故河道以及临近河岸、海岸和边坡等有液化侧向扩展或流滑可能的情况，判断场地属于抗震危险地段还是属于抗震不利地段。若属于抗震不利地段则可以建造乙类及丙类建筑（甲类建筑需经专门研究），不宜在抗震危险地段修建永久性建筑。

3）以安全、经济、合理为原则，根据建筑抗震设防类别及地基液化等级采取不同的地基抗液化措施。具体措施包括：a.全部消除地基液化沉陷的措施；b.部分消除地基液化沉陷的措施；c.减轻液化影响的基础和上部结构处理的措施。

4）根据工程具体情况，选择合适的基础形式和基础埋深，加强基础的整体性和刚度，调整基础底面面积或桩位布置，减少基础偏心，从而减少因地基土体液化产生不均匀沉降的因素。

5）对存在液化土层的地基选择桩基础时，基桩的竖向承载力、水平承载力及桩身正截面受压承载力计算应考虑地基土体液化及震陷的影响，应对桩基进行抗震承载力验算。

6）对存在液化土层的地基选择桩基础时，桩身配筋应根据相关规范要求采取构造加强措施。

7）对存在液化侧向扩展的地段，桩基尚应考虑土体流动时的侧向作用力。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）北京：中国建筑工业出版

[2]刘惠珊,乔太平，可液化土中桩基设计计算方法的探讨.工业建筑，1983（04）

[3]王晓杰，何志鹏，桩基在液化土层中的抗震验算.黑龙江科技信息，2009（25）