地震导致可液化砂土地基对建筑物的严重危害和预防措施

【摘　要】中国位于地震多发带，地震活动活跃。对于地震发生时地基失效引起重大人员伤亡的情况多有发生。其原因之一在于砂土的液化，导致地基下沉所致。本文根据土体液化的机理，对其产生过程进行分析、提出有效的排查及解决方案，以供读者参考。

【关键词】地震；液化砂土；地基；土体；建筑；剪应力；预防措施

0.绪论

我国是一个地震多发国家，6度以上地震区几乎遍布全国各省、区。尤其是近几年地震活动比较频繁，几年前的汶川大地震等，大量的房屋遭到破坏和坍塌，给人民生命财产带来了巨大的损失，给家庭社会造成了巨大的危害。

地震发生时，由于地面强烈运动震中产生的强烈横向及纵向震动，导致各类建筑物严重破坏。其中地基失效，即当建筑物地基内含有饱和松软的无粘性土及稍具粘性土，在强烈的地震震动作用下，土颗粒处于悬浮于孔隙水中的状态，呈现类似于稀砂浆的物体。使地基土体完全或部分丧失抗剪强度，在建筑物自重作用下产生较大的沉降。使地基液化出现喷水冒砂，从而使地上建筑物产生坍塌，下沉等破坏性损失。所以，对地震时土体的可能发生的液化危害进行妥善的改善和预防，会确保建筑物遭遇强震时，免遭完全破坏，为人民的生命和财产安全提供了稳定的保障。

1.土体的地震液化机理

在地震破坏的建筑物记载中，饱和松散砂土发生液化的情况是最多的。其次是塑性指数为IP=3-10的粉土、粉细砂。除此之外还与土的颗粒组成成分、土质的密实度及地震烈度密切相关。如平均颗粒D50在0.05-0.1mm之间的砂土为例。当土体的不均匀系数在1.8以下时都具有可液化性。而相对密度Dr大于20%的粉细砂不易液化。如粉砂结构性差的土体，其粘土颗粒含量小于10%，孔隙比大于0.85，且大于0.05mm颗粒占全重40%以上时，在七度地震烈度就可能产生液化现象。

饱和砂土之所以发生液化，主要是由于砂土抗剪强度的降低所导致的。根据有效应力原理，无粘性土的抗剪强度不仅取决于土体内部摩擦角的大小，而且与土体内的有效正应力成正比。土体（砂骨架）中产生的正应力，它等于外力在砂水体系中引起的总应力减去外力在水中产生的应力。因此土体的抗剪强度f可以确定为：f=tan?渍=(?滓-u)tan?渍

：土体内的有效正应力

?滓：作用于剪切面上的总正压应力

u：孔隙水压力

?渍：土体的内摩擦角

地震时饱和砂土地基在不能迅速排水的情况下，由于地震时地面的强烈运动影响。孔隙水压力急剧增加。当孔隙水压力上升到与总的正压力相等时。（?滓=u）有效应力为零。砂土颗粒处于悬浮于孔隙水中的状态，土体的抗剪强度趋近于零（f=0）；短时间内失去承载能力，即产生砂土液化。

砂土的液化是否发生，也取决于一系列因素的综合影响，主要有几个方面对其产生影响：

地震的现场分析资料表明，液化与砂土的密实度有关，松散的砂土比密实砂更容易液化，对于密实度Dr为50%的沙层普遍液化，而Dr大于70%的沙层就不会液化。砂土的液化也与土层的深度有关，砂土动力三轴试验表明，侧限压力越大，就越不容易液化，地震的液化土层深度均浅于15m，更多的是浅于10m。

根据实际记录的数据分析可知。上覆粘土层厚度，即在饱和砂或粉土层的上面覆盖比较厚的粘土时(3m以上)，即使砂土层液化，也不会发生喷水冒砂现像，也会避免地基的不均匀沉降，减轻地基液化对上部结构的危害。

土的液化还与地下水位有关，地下水位浅的地区比水位深的地区更易于发生砂土的液化现象。饱和粉土的液化，大多数发生于地下水位深度在0.8m-1.5m地区。很少发生在水深在2m-5m深度的地区。

土体的液化还与地震烈度，震级有关，烈度高比烈度低更易发生液化现象。一般多发生7度以上的地区，烈度越高，液化发生越多，越严重。同时，震级越大影响的范围就越广。强烈震动持续的时间越长，越容易引起地基土的液化现象。

综上所述，在建筑物开工建造前，必须对拟建场地的土层做详细的勘察分析，判明该地区在遭遇地震时能否发生砂土液化现象。关系到地基是否稳定和建筑物是否安全。因此，必须加以正确的判别。地震时饱和地基土的液化，是由地震引起的周期剪应力使土体内产生了超静水压力所致。

2.砂土液化的判别

砂土液化的判别对房屋建筑前施工可行性，起到了很大的参考和辅助作用：

一：动力试验为依据的经验法。

二：计算现场剪应力与试验确定的液化强度比较法等。

对于初步判断可能液化的饱和砂土和饱和粉土，采用标准贯入式进一步确定其是否液化。采用现场实测标准贯入锤击数（N63.5）值。小于计算值Ncr时，该土层为可液化土层；大于计算值Ncr时，为不液化土层。计算公式如下：

Ncr=N0[0.9+0.1(ds-hw)]*

式中 Ncr—饱和土液化临界标准贯入锤击数

ds—饱和土标准贯入点深度（m）

hw—地下水位深度（m）

Pc—饱和粉土的粘粒含百分率，当Pc（%）小于3时，取Pc=3

N0—当ds=3m; hw=2m; Pc≤3时，标准贯入锤击数。

在工程的实际建设中，根据场地液化指数ILE的数值大小划分，区别场地的液化危害程度，充分利用天然地基，当ILE＜5时可以做为建筑的天然地基，当液化等级中等以上Ⅱ级、Ⅲ级则采用必要的、有效的地基处理措施，使建筑物不至于产生破坏，从而达到经济安全可靠。

3.砂土液化的防范措施

地震时，砂性土发生液化的充分必要条件是：饱和水；土疏松；不能迅速排水。所以采用人工方法改变可液化土层所具有的上述条件之一，就改变了土层的液化能力，减小沉降量。地基的加固方法如下：

（1）增密法：即减少土体中的孔隙，使颗粒尽量密实，减小压缩性，或使沉降量降低很小，对地基进行强夯，振动水冲，砂桩挤密，堆载预压等。

（2）排水法：按照渗透理论计算，在地基内每隔一定距离设置渗透排水井，有砾石井法。提高排水效果，抑制地震发生时饱和砂层内孔隙水压力上升。避免发生液化现象。

（3）土颗粒胶结法：采用各种胶结剂，把土颗粒胶结，提高颗粒骨架的抗剪强度，并由于胶结料的填充，减小了土层的孔隙比，抑制土体的液化，消除土沉降主要有电硅化法、高压旋喷法、压力灌注、深层搅拌等来完成。

除以上方法，还可以根据建筑物的结构特点选择以下措施：

（1）设置沉降缝，缩短建筑物长度，减小建筑单元体的地基沉降差。

（2）采用筏基础或箱型基础，以提高建筑物竖向刚度，抵抗地基的不均匀沉降。

（3）选择适当的浅埋基础，使天然地基持力层避开可液化的土层，并使基础底部保留一定厚度的非液化层。或根据土层分布情况选用支撑桩摩擦桩及沉井深基础。避免浅层地基土液化对建筑物造成的危害。

综上所述，采取地基处理措施，可全部消除地基土的液化，从根本上消除地基沉降对建筑物构成的危害，减少人民的生命和财产的损失。是一种积极有效、安全可靠的措施。

【参考文献】

［１］凌冶平，易经武主编.基础工程．北京：人民交通出版社，1997．

［２］高大钊，袁聚云主编.地质学与土力学（第3版）.北京：人民交通出版社，2001,3.

［３］胡聿贤著.地震工程学（第二版）:北京：地震出版社，2006,1.