液化地基处理方法研究

时间:2022-08-31 05:43:13

液化地基处理方法研究

摘要:在动荷载作用下,饱和状态砂土易发生液化现象。若拟建建筑物地基范围内发生严重液化,必将对建筑物产生巨大危害。本文在对砂土地基液化问题进行研究的同时,从工程设计的角度分析了几种合乎规范要求的处理地基液化问题的方法,并就利用振冲碎石桩消除砂土液化的设计方案实例进行说明,为工程设计人员选择抗液化处理措施提供了参考。

关键词:液化;液化指数;孔隙水压力;液化沉陷;振冲碎石桩

中图分类号:Q592文献标识码: A

1引言

在我国辽阔的领土范围内,存在相当面积的全新世~近代海相及河湖相沉积平原、河口三角洲,特别是洼地、河流的泛滥地带、河漫滩、古河道、滨海地带、人工填土地带等。以上区域近地表土层,具有土体颗粒细、结构疏松、地下水埋藏浅等特点,存在较大面积的饱和状态砂土或粉土,在一定强度的动荷载(以地震为代表)或其外力作用下,易发生土体液化。严重的地基土液化会造成地面下沉、大规模滑坡以及结构地基基础破坏,给国家和人民群众带来了重大的损失。因此,采取何种行之有效的途径处理地基液化问题,理所当然地成为了工程设计人员必须慎重考虑的问题。

2液化的概念、形成机理及类型

2.1液化的概念

饱和状态的砂土或粉土受到一定时间的强烈振动后,土体颗粒局部或全部“悬浮”于土层孔隙水中,使得土体完全失去强度和刚度,从而表现出类似液体的性状,此现象即为土体的“液化”现象[1][2]。

2.2土体液化机理

地基土的承载能力主要来自土的抗剪强度,而砂土或粉土的抗剪强度主要取决于土颗粒之间形成的骨架作用。饱和砂土或粉土的颗粒在受到强烈振动下(如5级以上地震)下发生相对位移,从而使土的颗粒结构趋于密实(剪缩),如土本身的渗透系数较小,则因土体剪缩而析出的孔隙水短期内无法消散,造成孔隙水压力急剧上升,土体有效应力迅速减小,土的抗剪强度降低。当周期性荷载作用下积聚起来的孔隙水压力等于总应力时,有效应力变为零,根据土体有效应力原理,此时土体抗剪强度为零,土变成了可流动的水土混合物,即土体处于没有抵抗外荷载能力的“悬液状态”, 这就是所谓的土体“液化”。

2.3液化类型

对某一场地而言,可以用场地液化指数来定量评估场地的液化危害性。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)根据我国百余个液化震害资料,将场地液化分为轻微液化(场地液化指数不大于6)、中等液化(场地液化指数从大于6到不大于18)、严重液化(场地液化指数不大于18)三个等级,不同的液化等级,地面喷水冒砂情况以及对建筑危害程度各不相同。

3液化地基处理的必要性

国内外工程实践表明,地基土液化往往造成喷砂冒水、滑坡、震陷、上浮[2],使得(或加剧)建筑地基不均匀沉陷,最终造成建筑物倾斜、开裂甚至倒塌。施工过程中,地震、波浪、车辆、机器振动、打桩以及爆破等都可能引起饱和砂土或粉土的液化,其中,地震引起的大面积甚至深层的土体液化的危害性最大。地震引起的土体液化具有面广、危害重等特点,常能造成场地土的整体性失稳。因此,近年来引起国内外工程界的普遍重视,成为工程抗震设计的重要内容之一。

4处理地基液化的方法

通过对土体液化机理进行分析可知,实时解决饱和砂土或粉土在周期性振动荷载作用下产生的孔隙水压力消散问题、液化地基上覆土层稳固性问题、震时渗流问题[3],可以有效防治液化的产生或抑制液化危害。工程实践中,不宜将未经处理的液化土层作为天然地基持力层。

4.1选择地质条件良好的建设场地,避开可液化区域。

拟建建筑选址时,选择避开液化区域的方法,是解决地基液化问题最根本、最可靠的技术方法。我们知道,需要处理的地基必定存在某种明显缺陷,这些缺陷导致天然地基承载能力无法满足工程要求,必须经过人工处理后才能适用,而任何人为处理地基的方法(包括对可液化地基的处理)都是基于理论分析、计算之后确定的。这就意味着,与不需处理的天然地基相比,可液化地基经人工处理后仍然会经受理论风险、技术风险、施工质量风险等诸多风险,亦即会产生诸多额外成本。因此,在工程选址时避开可液化区域,自然成为应对液化地基问题的首选方案。

4.2积极应对地基液化沉陷问题,采取全部或部分消除液化沉陷措施[4]

可液化土层分布区域是客观存在,不因人的意志而转移,建设场地往往无法避开液化土层分布区域。在工程实践中,根据建筑抗震设计规范和抗震设防类别,可采取全部或部分消除液化沉陷的方法。

4.2.1完全消除液化沉陷的措施。

(1)采用桩基础,计算确定桩端深入液化深度以下稳定土层中的长度。当稳定土层为碎石土,砾、粗、中砂,坚硬黏性土和密实粉土时,桩端深入长度应不小于0.8m;当稳定土层为其他非岩石土时,桩端深入长度不宜小于1.5m。

(2)采用深基础,基础底面应埋入液化深度以下的稳定土层中,其深度不应小于0.5m。

(3)采用加密法(如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等)加固,应处理至液化深度下界;用非液化土层替换全部液化土层,或增加上覆非液化土层的厚度。在基础边缘以外的处理宽度,应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。

4.2.2部分消除地基液化沉陷的措施

(1)处理深度应使处理后的地基液化指数减少,其值不宜大于5;

(2)大面积筏基、箱基的中心区域,处理后的液化指数可比上述规定降低1;

(3)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;

(4)采取减小液化沉陷的其他方法,如增厚上覆非液化土层的厚度和改善周边的排水条件等。

4.3基础和上部结构处理[4]

根据液化级别,在对地基进行抗液化处理的同时,亦可对建筑物基础和上部结构进行综合处理:选择合适的基础埋置深度;调整基础底面积,减少基础偏心;加强基础的整体性和刚度,尽量采用筏基、钢筋混凝土交叉条形基础等基础形式,加设基础圈梁等;减轻荷载,增强上部结构的整体刚度和均匀对称性,合理设置沉降缝,避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等。

5工程实例

某拟建建筑物地下一层,地上一层,建筑类别为乙类,地处8度区。由岩土工程勘察报告得知,建设场地为砂土地基,地下水位0.5~1.0m,液化等级严重。根据《建筑抗震设计规范》规定,并综合考虑地基处理效果、经济性、施工难易程度等综合因素,拟采用振冲碎石桩挤密法消除液化沉陷:碎石桩桩径500mm,桩间距1.2m,桩长7m,等边三角形布桩;地基处理范围为基础外缘扩大5m。

此方法处理地基,首先,在振动挤密工程过程中使原有地基进一步密实;其次,碎石桩起到了排水通道的作用,可使超孔隙水压力迅速消散;再次,振密桩和原有地基相结合成为复合地基,在此复合地基中由于振冲碎石桩的强度和压缩模量远较原有地基为高,因而可使加固后的地基承载力大大提高,沉降也有所减少,综合效益明显。

6 结论

(1)工程建设中,避开液化土层分布区域或空间层次,是解决地基液化问题最根本、最可靠的技术方法。

(2)实时解决饱和砂土或粉土在周期性振动荷载作用下所产生的孔隙水压力消散问题、液化地基上覆土层稳固性问题,可以有效防治液化或抑制液化危害。

(3)选择液化地基处理方案时,应综合考虑处理方法的经济可行性、技术可靠性、施工便易性。

(4)用振冲碎石桩处理饱和砂土地基液化问题,综合效果明显,可以为类似工程项目提供借鉴。

参考文献

[1] 王社良.抗震结构设计.第2版.武汉:武汉理工大学出版社,2003

[2] 李镜培,赵春风.土力学.北京:高等教育出版社,2004

[3] 陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学.北京:清华大学出版社,1994

[4] GB50011-2010 建筑抗震设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2010

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