馮沛濤

(山西省運(yùn)城市水利勘察院，山西運(yùn)城044000)

現(xiàn)代強(qiáng)地震引起的沙土液化是很普遍的現(xiàn)象。如:1966年邢臺(tái)地震;1975年?duì)I口一海城地震;1976年唐山地震均引起大范圍的地下沙土液化。尤其是1976年7月28日河北省唐山地區(qū)發(fā)生的兩次災(zāi)難性強(qiáng)地震，震后數(shù)分鐘大面積地區(qū)沙土液化，開(kāi)始噴水冒沙達(dá)數(shù)小時(shí)，引起地表開(kāi)裂與下沉，最終使建筑物成片倒塌。

砂土液化判別可分為兩類，一類是模擬液化機(jī)制建立起來(lái)的砂土液化預(yù)測(cè)方法，如:非線性有效應(yīng)力法、概率法、等效線性法及彈塑性法等;另一類是基于砂土地震液化實(shí)測(cè)資料的經(jīng)驗(yàn)法，如:規(guī)范法、靜力觸探法、剪切波速法及動(dòng)力反應(yīng)分析法等［1－4］。工程中常用后一種方法。

目前對(duì)液化地基處理措施一般有:

(1)加密法:利用外力作用對(duì)地基土進(jìn)行震動(dòng)或擠密，使地基土密度增大，消除液化，改善土的物理力學(xué)指標(biāo)，提高地基土的承載能力，減少地基土的變形。

(2)樁基:樁端伸入液化深度以下穩(wěn)定土層中，液化對(duì)持力層不影響。

(3)圍封:用板樁把地基土液化范圍包圍起來(lái)，在發(fā)生震動(dòng)時(shí)，包圍起來(lái)的土層不會(huì)發(fā)生液化。

(4)換填法:用非液化土替換全部液化土層。

本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了該建筑物地基砂土液化的機(jī)理，利用規(guī)范法對(duì)液化地基土進(jìn)行液化評(píng)判，確定液化等級(jí)，根據(jù)建筑物特點(diǎn)，通過(guò)比較、分析，給出消除液化土地基采用方法。

1 砂土地基液化機(jī)理

1.1 砂土地基液化機(jī)理［5］

松散的砂土受到震動(dòng)時(shí)有變得更加緊密的趨勢(shì)。但飽和砂土的孔隙全部為水充填，因此這種趨于緊密的作用將導(dǎo)致孔隙水壓力驟然上升，而在地震過(guò)程中的短暫時(shí)間內(nèi)，驟然上升的孔隙水壓力來(lái)不及消散，這就使原來(lái)由砂粒通過(guò)其接觸點(diǎn)所傳遞的壓力(有效壓力)減小，當(dāng)有效壓力完全消失時(shí)，砂層會(huì)完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，變得象液體一樣的狀態(tài)，這就是通常所說(shuō)的砂土液化現(xiàn)象。

如果發(fā)現(xiàn)地面噴水冒砂，同時(shí)上部建筑物發(fā)生巨大的沉陷或明顯的傾斜，某些埋藏于土中的構(gòu)筑物上浮，地面有明顯變形;海邊、河邊等稍微傾斜的部位發(fā)生大規(guī)模的滑移;或在上述地段雖無(wú)流動(dòng)性質(zhì)的滑坡，但有明顯的側(cè)向移動(dòng)跡象，并在岸坡后產(chǎn)生沿岸大裂縫或大量縱橫交錯(cuò)的裂縫。發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象說(shuō)明這些地點(diǎn)的砂土已經(jīng)發(fā)生了液化。

1.2 液化土層的判斷［1，5］

初判條件:飽和的砂土及粉土地震烈度6度時(shí)，一般情況下可不進(jìn)行液化判別和地基處理，但對(duì)液化沉陷敏感的乙類建筑物可按7度的要求進(jìn)行判別和處理;地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世或其以前時(shí)，地震烈度7度、8度時(shí)可判為不液化土;粉土的粘粒含量百分率在地震烈度7度、8度、9度分別不小于10、13、16 時(shí)，可判為不液化土。

初判具有液化勢(shì)的地基土可采用下列原位測(cè)試的方法進(jìn)一步進(jìn)行液化判別。

(1)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］(GB50011－2010)規(guī)定按下式進(jìn)行:N63.5＜Ncr，式中N63.5為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊實(shí)測(cè)值(未經(jīng)桿長(zhǎng)修正)，Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的擊數(shù)可較好地反映砂土層的密度，再結(jié)合砂土層和地下水位的埋藏深度作某些必要的修正后，查表即可判定砂土液化的可能性。

(2)靜力觸探試驗(yàn)法。實(shí)測(cè)值小于臨界值時(shí)可判為液化土。(臨界值采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)中國(guó)建筑工業(yè)出版社有關(guān)公式求得。)

(3)剪切波速試驗(yàn)法。實(shí)測(cè)值大于臨界值時(shí)可判為不液化土。(臨界值采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)中國(guó)建筑工業(yè)出版社有關(guān)公式求得。)

另外還可通過(guò)相對(duì)密實(shí)度等辦法對(duì)砂土及粉土的的液化勢(shì)進(jìn)行判別。

對(duì)于存在液化土層的地基，根據(jù)液化指數(shù)ILE按表1劃分液化等級(jí)。

表1 地基液化等級(jí)

2 工程實(shí)例［6］

2.1 工程水文、地質(zhì)概況

山西省紡織研究所高層商住樓位于太原市長(zhǎng)風(fēng)街與平陽(yáng)路交匯處山西省紡織研究所院內(nèi)，擬建建筑地上28層，地下2層，基礎(chǔ)埋深約為7.5 m，預(yù)估基底壓力550 kPa，整平標(biāo)高按假設(shè)高程100.50 m考慮，框架結(jié)構(gòu)。勘察時(shí)間為2007年10—11月。

本次勘察深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地地基土主要為:第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q42ml)，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)，中更新統(tǒng)沖洪積層(Q2al+pl)。巖性以人工填土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、細(xì)中砂為主。

本次勘探深度范圍內(nèi)，揭露場(chǎng)地地下水類型為潛水，勘察期間實(shí)測(cè)混合穩(wěn)定水位埋深介于2.35 m～2.63 m 之間，穩(wěn)定水位標(biāo)高介于 97.84 m ～98.07 m(ZK5#)之間?？辈炱陂g為平水期，地下水位變化幅度約1 m。

據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2010)附錄A，太原市抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

2.2 地基土液化判別［1］

根據(jù)本次勘察揭露地層情況，場(chǎng)地水位以下，20 m范圍內(nèi)存在飽和粉土，據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2010)規(guī)范第4.3.3條對(duì)地基土進(jìn)行液化初判，該場(chǎng)地地基土存在液化可能，利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)一步判別，判別方法如下:

計(jì)算出液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr。

式中:N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，本區(qū)取值為10;ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度;dw為地下水位深度;ρc為粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r按3考慮。

當(dāng)實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N＜Ncr時(shí)，判為液化土，否則為不液化土，對(duì)液化土計(jì)算其液化指數(shù)，公式如下:

式中:ILE為液化指數(shù);η為建筑重要性系數(shù)，一般建筑取1.0，重要建筑取1.1;Ni為i點(diǎn)的實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù);Ncri為i點(diǎn)的臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù);n為在判別深度范圍內(nèi)每個(gè)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的總數(shù);di為i點(diǎn)所代表的土層厚度;Wi為i點(diǎn)土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)。

根據(jù)上述公式進(jìn)行液化判別，判別結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 液化判別結(jié)果表

根據(jù)表2結(jié)果，擬建場(chǎng)地在抗震設(shè)防烈度為8度時(shí)屬液化場(chǎng)地，綜合考慮液化等級(jí)為輕微。主要液化土層為第②層粉土、第④層粉土及其中的粉細(xì)砂。

2.3 影響砂土液化的因素［3］

在本工程中，影響液化的因素主要有:

(1)土顆粒大小及級(jí)配:顆粒愈細(xì)愈容易液化，平均粒徑在0.1 mm左右的抗液化性最差;不均勻系數(shù)愈小，土顆粒愈均勻，抗液化性愈差;地基土勘察實(shí)測(cè)值:主要液化土層粒徑平均值80%小于0.1 mm，不均勻系數(shù)小于5。

(2)土體密度:密度愈高液化可能性愈小，反之液化可能性愈大;主要液化土層的密度在1.7 g/m3，小于正常情況下的密度。

(3)滲透性:滲透性低的砂土愈容易液化。主要液化土層排水條件較差，土體中水不易排出，故該土層屬液化土層。

(4)地下水位:水位以下土層才能發(fā)生液化，主要液化土層均在地下水位以下。

2.4 抗液化措施［2］

2.4.1 液化地基處理原則及方法

液化土處理的原則是:

(1)當(dāng)液化土范圍不廣或較淺時(shí)，可采取挖除換填或避開(kāi)液化層;

(2)當(dāng)液化土范圍較廣或較深時(shí)，宜采取工程加固措施。

本工程液化土層范圍廣、埋深大，因此需要采取工程加固措施。選擇加固措施時(shí)，要根據(jù)地基的液化等級(jí)，建筑類別，結(jié)合具體情況，按表3選擇適當(dāng)?shù)目挂夯胧?duì)于甲級(jí)建筑，由于其重要性大，最好不要在有液化土的場(chǎng)地來(lái)建。

表3 抗液化措施的選擇原則

2.4.2 本工程采取方法

本工程是高層住宅，建筑物較重要，因此采取工程措施，徹底消除液化現(xiàn)象。結(jié)合前述原則及方法，采取鉆孔灌注樁對(duì)地基土進(jìn)行處理，穿透液化土層，以第⑤層粉細(xì)砂層作為樁端持力層。

該工程建成距今已6年，運(yùn)行情況良好，沉降穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程事例，分析了砂土振動(dòng)液化的機(jī)理和影響液化的主要因素，并提出解決工程液化的一些措施。

雖然本文對(duì)工程的液化特性及工程措施做了一些探討，但由于地震液化機(jī)理及其影響因素的復(fù)雜性，也由于地震發(fā)生的頻繁性及其不可預(yù)測(cè)性，因此對(duì)液化特性的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍然需要工程界不斷研究探討。

［1］中華人民共和國(guó)住建部.GB50011－2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國(guó)建筑出版社，2010.

［2］中華人民共和國(guó)住建部.JGJ79－2012.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［M］.北京:中國(guó)建筑出版社，2012.

［3］［美］BRAJA M Das.吳世明顧堯章譯.土動(dòng)力學(xué)原理［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，1984.

［4］周習(xí)軍，余永志，彭良余.花涼亭水庫(kù)壩基及壩殼砂土液化判別［J］.人民長(zhǎng)江，2008，39(11):119-122.

［5］工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［6］山西省第八地質(zhì)工程勘察院.山西省紡織研究所高層商住樓巖土工程勘察報(bào)告［R］.運(yùn)城:山西省第八地質(zhì)工程勘察院，2007.