蔡 飛

（群馬大學(xué)環(huán)境創(chuàng)生部門,桐生 日本 376-8515 ）

砂土液化是地震災(zāi)害的主要形式之一，可引起地基強(qiáng)度喪失。如何判別場(chǎng)地液化，以及如何采取有效的抗液化處置措施是需要不斷探索的課題。日本是世界上地震與砂土液化災(zāi)害最為多發(fā)的少數(shù)國(guó)家之一，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。本文整理了砂土液化的歷史文獻(xiàn)記錄，介紹了砂土液化產(chǎn)生的機(jī)制以及日本砂土液化判別方法和抗液化處置措施，以供中國(guó)國(guó)內(nèi)相關(guān)工程人員參考。

1 砂土液化的相關(guān)歷史記錄

一般認(rèn)為中國(guó)歷史上有關(guān)地震比較明確的最早記載應(yīng)該是在夏朝?！吨駮o(jì)年》提到“三十五年帝命夏后征有苗”“三苗將亡天雨血夏有冰地坼及泉”。《墨子19 章非攻下》寫到“昔者三苗大亂，天命殛之，日妖宵出，雨血三朝，龍生于廟，犬哭乎市，夏冰，地坼及泉，五谷變化，民乃大振”。其中提到的“地坼及泉”指地震引起的地表開裂與噴水冒砂，噴水冒砂是典型的砂土液化現(xiàn)象。帝舜大約生活在公元前2 100 年，距今已有4 000 多年歷史，這是中國(guó)有文字可考的最早地震記錄，也是中國(guó)乃至世界有文字可考的最早砂土液化記錄。

一些地質(zhì)現(xiàn)象也是由砂土液化引起的。例如，北京西山門頭溝發(fā)現(xiàn)的液化溢出丘被認(rèn)為是因距今15.5 億～14.5 億年的一次特大地震而形成的[1]。美國(guó)猶他州柯達(dá)克羅姆盆地州立公園數(shù)十座或紅或粉或白的砂石柱（有些高達(dá)50 m），其成因與侏羅紀(jì)發(fā)生的液化有關(guān)[2?3]。

砂土液化形成的砂脈可用于推測(cè)地震震級(jí)及其發(fā)生時(shí)間。幾百年前的地震砂土液化可能在砂土層以上的土層內(nèi)形成砂脈并保留下來，在考古及施工現(xiàn)場(chǎng)開挖2～3 m 厚的表層土后發(fā)現(xiàn)了不少這樣的砂脈。圖1 所示為日本大阪府守口門真市西三莊八云東遺址的液狀痕跡，1596 年慶長(zhǎng)伏見地震時(shí)液化層發(fā)生的變形清晰可見[4]。最近，在陜西西安張旺渠宋金遺址也發(fā)現(xiàn)了地震砂土液化產(chǎn)生的砂脈[5]。這些砂脈可用于推測(cè)地震震級(jí)及其影響范圍，也可為場(chǎng)地液化判別提供參考。美國(guó)東部等地區(qū)進(jìn)行核電站等重要建筑物的場(chǎng)地評(píng)估時(shí)需開挖深達(dá)10 m 左右的探槽，調(diào)查有無砂脈等砂土液化痕跡，并根據(jù)砂脈規(guī)模及其產(chǎn)生年代推測(cè)地震震級(jí)及其發(fā)生周期。

圖1 大阪府守口門真市西三莊八云東遺址的液狀痕跡[4]Fig.1 Sand dykes caused by liquefaction at the Nishisanso Yagumo-higashi site,Moriguchi-kadoma City,Osaka Prefecture[4]

砂土液化產(chǎn)生的噴砂及噴砂口與火山噴發(fā)及火山口相似，在古代就引起了較大的關(guān)注。1783年意大利南部墨西拿海峽附近發(fā)生的卡拉布里亞地震引發(fā)了大規(guī)?；屡c砂土液化。為給后代留下詳細(xì)的記錄也為加深對(duì)地震的認(rèn)識(shí)，教育家、政治家Domenico[6]出版了一本關(guān)于這次地震的專著，其中有圖2 所示版畫，畫中兩人正在探測(cè)直徑達(dá)4 m 的大型噴砂口的深度。

圖2 1783 年意大利卡拉布里亞地震引起的砂土液化的巨大噴砂口[6]Fig.2 Huge sand blow craters generated by liquefaction during the 1783 Calabrian earthquakes in southern Italy[6]

2 砂土液化機(jī)制

砂土液化是指在振動(dòng)作用下，飽和的松散粉、細(xì)砂由于孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力減小，砂土從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的現(xiàn)象。在振動(dòng)作用下，飽和的松散粉、細(xì)砂顆粒有移動(dòng)和振密的趨勢(shì)，而在不排水條件下，土體承受的應(yīng)力則從砂土骨架轉(zhuǎn)向孔隙水，導(dǎo)致孔隙水壓力升高。在地震等高頻振動(dòng)下，由于粉、細(xì)砂不能及時(shí)消散振動(dòng)產(chǎn)生的孔隙水壓力，導(dǎo)致孔隙水壓力急劇增大。當(dāng)超凈孔隙水壓力增大至有效上覆壓力時(shí)，土體的有效應(yīng)力降為零，土顆粒處于懸浮于水中的狀態(tài)，砂土從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，即砂土發(fā)生液化。

3 砂土液化導(dǎo)致的各種破壞

砂土液化可導(dǎo)致多種形式的破壞。破壞主要由以下一個(gè)或多個(gè)原因引起：噴砂堆積物，孔隙水壓力上升導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度降低，液化狀態(tài)下的液體壓力增大，孔隙水壓力消散引起的沉降，場(chǎng)地側(cè)移等。

3.1 噴砂堆積物

砂土液化后常發(fā)生噴水冒砂，堆積在道路上的砂土導(dǎo)致路面使用性能降低，嚴(yán)重時(shí)可造成交通癱瘓。圖3 所示為志愿者在清除2011 年東日本大地震時(shí)因液化而堆積在浦安市道路上的砂土。砂土堆積于農(nóng)田（特別是水田）可導(dǎo)致可耕種性降低。如圖4 所示，薊野遺址從11 世紀(jì)到15 世紀(jì)有人類生活的痕跡，在15 世紀(jì)末期的人類生活地層中發(fā)現(xiàn)有噴砂堆積的痕跡，而之后人類生活的痕跡就從該遺址消失了[4]，這說明大面積的噴砂堆積迫使村民不得不遷移他鄉(xiāng)生活。

圖3 東日本大地震后志愿者在清除因液化而堆積在道路上的砂土（jiji.com）Fig.3 Volunteers are removing the sand accumulated on roads due to liquefaction after the Great East Japan earthquake (jiji.com)

圖4 四萬十市薊野遺址液化痕跡說明圖[4]Fig.4 Schematic view of liquefaction trace at the Azono site in Shimanto City[4]

3.2 抗剪強(qiáng)度降低

砂土液化后其抗剪強(qiáng)度幾乎為零，地基承載力大幅下降，淺基礎(chǔ)大重量的建筑物發(fā)生沉降及傾斜。1964 年新潟地震時(shí)，新潟市內(nèi)1530 棟鋼筋混凝土建筑中189 棟建筑盡管建筑結(jié)構(gòu)完全沒有受損，但因液化導(dǎo)致地基承載力急劇下降而發(fā)生下沉和傾斜[7]，圖5 所示為受災(zāi)最嚴(yán)重的川岸町公寓樓。

圖5 1964 年 新潟地震時(shí)傾倒的川岸町公寓Fig.5 Apartments collapsed at Kawagishi-cho,Niigata City during the 1964 Niigata earthquake

地基液化也會(huì)導(dǎo)致填土路基和河堤產(chǎn)生很大的沉降甚至破壞。圖6 所示為2007 年中越?jīng)_地震時(shí)砂土液化導(dǎo)致的路堤破壞，圖中煙囪也因地震而折斷。圖7 所示為2007 年中越?jīng)_地震時(shí)砂土液化導(dǎo)致的河堤沉降，該處為河道人工裁彎取直時(shí)填埋舊河道而修建的河堤，盡管河堤質(zhì)量較好，但因地基液化河堤發(fā)生高達(dá)約1.5 m 的整體沉降。如果河堤發(fā)生大的沉降導(dǎo)致堤頂高程低于河水位，則會(huì)發(fā)生溢流，淹沒堤后城鎮(zhèn)與農(nóng)田，造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害。

圖6 2007 年中越?jīng)_地震時(shí)液化導(dǎo)致的路堤破壞Fig.6 Embankment damaged by liquefaction during the 2007 Niigata Chuetsu-Oki earthquake

圖7 2007 年中越?jīng)_地震時(shí)液化導(dǎo)致的河堤沉降Fig.7 River bank subsidence caused by liquefaction during the 2007 Niigata Chuetsu-Oki earthquake

斜坡內(nèi)部發(fā)生液化甚至只是超靜孔壓上升，也會(huì)導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，斜坡穩(wěn)定系數(shù)減小，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生流滑，其滑動(dòng)距離遠(yuǎn)超一般的滑坡。由于斜坡內(nèi)部超靜孔壓的重新分布需要一定的時(shí)間，所以這類滑坡有時(shí)會(huì)在地震停止后發(fā)生。圖8 所示Lower San Fernando 大壩滑坡根據(jù)目擊者證言就是發(fā)生在地震后60 s[8]。2018 年印度尼西亞帕盧（Palu）發(fā)生的超剪切地震[9]導(dǎo)致Petobo 等4 個(gè)地區(qū)因砂土液化而發(fā)生大規(guī)模流滑，造成大量人員傷亡和房屋破壞，其中Petobo 地區(qū)的破壞最為嚴(yán)重，流滑影響面積高達(dá)1.64 km2，近2 000 人死亡，3 300余間房屋遭到破壞[10]。

圖8 1971 年San Fernando 地震時(shí)砂土液化引發(fā)的Lower San Fernando 大壩滑坡Fig.8 The Lower San Fernando Dam landslide caused by liquefaction during the 1971 San Fernando earthquake

3.3 液化狀態(tài)下的液體壓力增大

砂土液化后其力學(xué)特性與液體相似，且液體密度為原土體密度，約為1.9～2.0 g/cm3（也即為水的密度的兩倍）。因此，液化土體中的物體所受浮力約為地震液化前的兩倍，此外液化砂土幾乎沒有抗剪強(qiáng)度。這兩大原因?qū)е碌叵碌妮敋夤艿馈⑸舷滤艿琅c人孔、罐體、水箱、停車場(chǎng)等可能發(fā)生上浮。圖9 所示為1964 年新潟地震時(shí)因砂土液化而上浮的剛完工的空地下水箱。液化也經(jīng)常導(dǎo)致人孔上浮，與人孔相連的管道開裂，液化砂土涌進(jìn)管道，這些因素都會(huì)增加震后管道修復(fù)的困難[11]。

圖9 1964 年新潟地震時(shí)因砂土液化而上浮的地下水箱Fig.9 An empty concrete tank floated up from just below ground level due to liquefaction during the 1964 Niigata earthquake

砂土液化后其力學(xué)特性近似于液體，從而使作用在港口岸墻上的水平向凈土壓力（即墻后與墻前水平向土壓力差）增大到地震前的3 倍左右，導(dǎo)致岸墻產(chǎn)生大的水平位移與傾斜。1995 年阪神大地震時(shí)神戶港的兩個(gè)人工島都發(fā)生了大面積砂土液化，導(dǎo)致人工島四周的碼頭岸墻水平與垂直方向發(fā)生很大的變形[12]。圖10 所示為兩個(gè)人工島之一的六甲（Rokko）人工島因砂土液化導(dǎo)致的碼頭岸墻變形破壞的狀況。由圖10 可知，岸墻水平方向變形最大達(dá)5.2 m，垂直方向變形最大達(dá)2.2 m；巨大的變形導(dǎo)致沉箱岸壁向外側(cè)嚴(yán)重傾斜，起重機(jī)及其他港口設(shè)備遭到嚴(yán)重?fù)p壞。沉箱基礎(chǔ)的液化也是沉箱傾斜的一個(gè)重要原因。盡管岸壁沉箱發(fā)生了很大的位移及傾斜，圖中所示沉箱箱體結(jié)構(gòu)完好，可在震后重建時(shí)再利用。

圖10 阪神大地震時(shí)砂土液化導(dǎo)致的人工島碼頭岸墻變形（上）水平位移分布，（中）沉箱岸墻破壞照片，（下）沉箱岸墻斷面的變形Fig.10 Quay wall failure of two reclaimed islands caused by liquefaction during the Great Hanshin Earthquake(top) Horizontal displacement distribution,(middle)photo of damaged quay wall,(bottom) deformation of the caisson-type quay wall

3.4 超靜孔壓消散引起的沉降

地震時(shí)砂土地基中超靜孔壓上升至有效上覆壓力時(shí)，有效應(yīng)力降為零，砂土完全液化；地震時(shí)砂土地基中累積的超靜孔壓在地震后逐漸消散，從而引起地基的沉降及不均勻沉降。不均勻沉降導(dǎo)致建筑物傾斜大于6/1000 時(shí)，室內(nèi)人員就會(huì)感到明顯不適[13]。如圖11 所示，2011 年東日本大地震后茨城縣稻敷市利根川附近的住宅因地基砂土液化而產(chǎn)生了約1 m 的沉降，其中部分沉降應(yīng)該是由震后超靜孔壓消散造成的。如果建筑物基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，其周圍場(chǎng)地因液化而沉降，而建筑物因樁基礎(chǔ)沒有發(fā)生沉降或沉降很小，建筑物與周圍地面就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)高差，建筑物的地下管線等發(fā)生變形甚至破裂，這些因素均會(huì)降低建筑物的使用性能。如圖12 所示，2011 年東日本大地震時(shí)因場(chǎng)地液化及沉降導(dǎo)致JR 新浦安站前電梯間凸出于地面，電梯在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能使用。

圖11 茨城縣稻敷市利根川附近的住宅因砂土地基液化而發(fā)生較大沉降Fig.11 Residential buildings along the Tone River in Inashiki City,Ibaraki Prefecture,have significantly settled due to liquefaction of sandy ground

圖12 JR 新浦安站前場(chǎng)地因液化沉降導(dǎo)致電梯間凸出于地面Fig.12 The elevator of the JR Shin-Urayasu Station stood out from the ground that settled due to liquefaction

3.5 場(chǎng)地側(cè)移

傾斜場(chǎng)地在砂土液化后常發(fā)生大的側(cè)移，水平場(chǎng)地也可能產(chǎn)生大的側(cè)移，從而導(dǎo)致樁基和埋管等線狀構(gòu)造物被破壞。如圖13 所示，1964 年新潟地震20 年后重建NHK 新潟大樓時(shí)，整根拔出直徑30 cm的離心混凝土管樁后發(fā)現(xiàn)這些樁在新潟地震時(shí)發(fā)生了整體破壞，其破壞位置與液化層的上下界面深度基本一致，樁向東南方向變形達(dá)1～2 m，這與附近場(chǎng)地的側(cè)移量非常相近[14]。

圖13 新潟地震時(shí)砂土液化導(dǎo)致的NHK 新潟建筑物樁基破壞（上）樁基破壞的建筑物周圍場(chǎng)地因液化產(chǎn)生的水平位移，（中）樁基破壞照片，（下）樁基破壞位置與液化層的關(guān)系Fig.13 Pile foundation failure of NHK Niigata Building caused by liquefaction during the Niigata earthquake,(top) Ground horizontal displacement around the building due to liquefaction,(middle) photo of pile foundation failure,(bottom) pile foundation failure location and liquefied layer

臨空面坡比愈大、地表坡度越陡，砂土液化引起的場(chǎng)地側(cè)移愈大。大的場(chǎng)地側(cè)移導(dǎo)致樁基產(chǎn)生大的水平位移甚至發(fā)生落梁。如圖14 所示，新潟地震時(shí)砂土液化導(dǎo)致昭和大橋梁板墜落[15?16]。據(jù)目擊者稱梁板墜落發(fā)生在地震結(jié)束之后[15]，這說明場(chǎng)地側(cè)移是發(fā)生梁板墜落的主要原因。砂土液化導(dǎo)致的樁基水平方向承載力降低也應(yīng)該對(duì)梁板垮塌的發(fā)生有一定的影響。

圖14 新潟地震時(shí)砂土液化導(dǎo)致昭和大橋梁板墜落Fig.14 Collapse of Showa Bridge due to liquefaction during the Niigata earthquake

4 砂土液化的判別

4.1 砂土液化的初步判別

根據(jù)微地形和場(chǎng)地形成過程可以初步判別砂土液化的可能性[17]。易發(fā)生砂土液化的微地形如圖15 所示，包括：1）新近填土造地；2）舊河道及舊沼澤地；3）河道沿岸（特別是經(jīng)常泛濫堆積地方）；4）海岸沙丘山麓，沙丘與沙丘間低地；5）過去發(fā)生過液化的場(chǎng)地等[18]。

圖15 易液化的微地形Fig.15 Geomorphic conditions and land history susceptible to liquefaction

圖16 所示為 2011 年東日本大地震關(guān)東地區(qū)液化場(chǎng)地分布情況[19]，液化主要發(fā)生在東京灣沿岸填土造地形成的場(chǎng)地[20]與利根川河道兩側(cè)沿岸地區(qū)，內(nèi)陸舊河道及低洼處填土造地形成的場(chǎng)地也有液化發(fā)生。圖17 所示為1964 年新潟地震液化場(chǎng)地分布情況，液化主要發(fā)生在信濃川舊河岸、舊河道、沙丘背后及沙丘間低地等處[21]。最新的一些研究[22?23]也證明了根據(jù)微地形和場(chǎng)地形成過程初步判別場(chǎng)地液化的有效性。

圖17 1964 年新潟地震液化場(chǎng)地分布Fig.17 Liquefied sites during the 1964 Niigata earthquake

4.2 砂土液化的簡(jiǎn)易判別

日本各行業(yè)有各自的液化判別規(guī)范。土木行業(yè)砂土液化判別主要采用道路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[24]規(guī)定的方法，對(duì)同時(shí)滿足以下3 個(gè)條件的沖積土層進(jìn)行液化判別。

1）地下水位在地表面以下10 m 以內(nèi)，且地表深度小于20 m 的飽和土層；

2）細(xì)粒土含量Cf小于35%，或Cf大于35%但塑性指數(shù)IP小于15%的土層；

3）50%粒徑D50小于10 mm，且10%粒徑D10小于1 mm 的土層。

液化判別的流程見圖18。如圖18 所示，當(dāng)抗液化安全系數(shù)FL≤1時(shí)，場(chǎng)地液化，否則不液化?？挂夯踩禂?shù)定義為液化強(qiáng)度比R與循環(huán)剪應(yīng)力比L之比：

圖18 砂土液化判別流程圖Fig.18 Flowchart of liquefaction evaluation

式中液化強(qiáng)度比（也稱動(dòng)剪強(qiáng)度比）R等于循環(huán)三軸強(qiáng)度比RL與地震特性修正系數(shù)cW之積。

地震特性修正系數(shù)取決于地震級(jí)別和地震類型。地震級(jí)別1（中等規(guī)模的地震）和地震級(jí)別2（大規(guī)模地震）中的I 類地震（海溝型地震）的地震特性修正系數(shù)cW=1，而地震級(jí)別2 中的II 類地震（內(nèi)陸型地震）的地震特性修正系數(shù)根據(jù)循環(huán)三軸強(qiáng)度比RL由下式計(jì)算。

循環(huán)三軸強(qiáng)度比RL可根據(jù)實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N、有效上覆壓力σ′v0、細(xì)粒含量Cf（粒徑75 μm 以下的土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，單位%）等按下列公式計(jì)算。

式中：N1為經(jīng)過有效上覆壓力修正的標(biāo)貫擊數(shù)，即修正為有效上覆壓力為100 kPa 的標(biāo)貫擊數(shù)；Na為經(jīng)過細(xì)粒含量修正的標(biāo)貫擊數(shù)；為標(biāo)貫擊數(shù)的細(xì)粒含量修正系數(shù)；D50為平均粒徑（mm）。

干凈砂的Cf<10%，Na=N1。對(duì)干凈砂，如圖19[25]所示，式（4）可較好地?cái)M合凍結(jié)法取樣獲得的原狀砂土試樣的循環(huán)三軸強(qiáng)度比與經(jīng)過有效上覆壓力修正的標(biāo)貫擊數(shù)N1的關(guān)系。

圖19 干凈砂的循環(huán)三軸強(qiáng)度比RL 與上覆有效壓力修正后的標(biāo)貫擊數(shù)N1 的關(guān)系Fig.19 Liquefaction strength ratio of clean sands vs.N1,the SPT blow count corrected by effective overburden pressure

不同地震級(jí)別和地震類型的地震循環(huán)剪應(yīng)力比均按下式計(jì)算。

式中：cz為地震區(qū)域調(diào)整系數(shù)，其值在0.7 與1.2 之間；kghL0為用于液化判別的地面設(shè)計(jì)水平地震系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；cz和kghL0的值可根據(jù)場(chǎng)地類別、地震級(jí)別及地震類型查表確定；rd為地震循環(huán)剪應(yīng)力比深度方向折減系數(shù)；σv為總上覆壓力；為有效上覆壓力；z為地表深度。

抗液化安全系數(shù)不僅用于判別液化，也用于確定液化狀態(tài)下砂土的地基反力系數(shù)、地基反力上限值以及土與結(jié)構(gòu)界面最大摩擦力等力學(xué)參數(shù)[24]。即使FL<1.0,FL=0.9與0.5 的液化砂土的力學(xué)參數(shù)應(yīng)該有一定的差別，這種差別在道路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中采用一個(gè)折減系數(shù)來反映。該折減系數(shù)可根據(jù)抗液化安全系數(shù)、地表深度及液化強(qiáng)度比查表確定，其值在0 到1 之間。換言之，即使是液化的砂土，也可能存在一定的地基反力，因此與不考慮液化砂土地基反力的抗震設(shè)計(jì)相比，可在確保工程安全的條件下降低工程造價(jià)。

5 抗液化處置措施

抗液化處置措施可分為兩大類，一是防止液化發(fā)生，二是容許發(fā)生液化而依靠樁基等結(jié)構(gòu)抵抗液化[26]。

5.1 防止液化發(fā)生

防止發(fā)生液化的處置措施可進(jìn)一步分為2 類：1）改善土體性質(zhì)；2）改善應(yīng)力應(yīng)變與孔壓等的條件降低液化發(fā)生的可能性[26]。

改善土體性質(zhì)可以通過以下4 類地基加固方法實(shí)現(xiàn)：1）提高砂土密度；2）添加膠結(jié)材料；3）改善顆粒粒度分布；4）降低砂土飽和度。

砂土密度（相對(duì)密度）愈高，砂土液化強(qiáng)度愈大，當(dāng)相對(duì)密度大于60%時(shí)，液化強(qiáng)度隨相對(duì)密度的提高而急劇增大，因此提高砂土密度是一種有效的抗液化處置措施，其施工方法包括（a）振動(dòng)或靜壓擠密砂樁法、（b）振動(dòng)加密法、（c）強(qiáng)夯法、（d）振沖擠密法、（e）壓入灌漿法、（f）表層地基夯實(shí)法、（g）碾壓加密、（h）爆破加密、（i）擠密群樁（木樁等）、（j）擠密石灰樁、（k）加載預(yù)壓等。

添加膠結(jié)材料是將砂土等松散材料膠結(jié)成為具有一定黏結(jié)強(qiáng)度的材料，提高其液化強(qiáng)度，其施工方法包括（a）深層攪拌、（b）表層混合、（c）注漿、（d）事前混合、（e）高壓噴射攪拌等。

改善顆粒粒度分布主要通過置換土層實(shí)現(xiàn)。

降低砂土地基飽和度可以通過設(shè)置降水井及排水溝降低地下水位，或通過注入空氣使地下水位以下的地基處于不飽和狀態(tài)等方法來實(shí)現(xiàn)。

改善應(yīng)力應(yīng)變與孔壓等的條件可通過抑制及消散振動(dòng)引起的超靜孔壓，抑制振動(dòng)引起的土體剪切變形及阻斷震動(dòng)引起的超靜孔壓來實(shí)現(xiàn)。抑制及消散振動(dòng)引起的超靜孔壓的方法包括：（a）設(shè)置碎石樁及排水板等柱狀排水體；（b）人孔四周設(shè)置柱狀排水體；（c）打設(shè)帶排水功能的鋼板樁及鋼管樁。抑制震動(dòng)引起的土體剪切變形及阻斷振動(dòng)引起的超靜孔壓的方法包括（a）地下連續(xù)墻、（b）網(wǎng)格狀深層攪拌、（c）板樁墻等。

5.2 依靠樁基等結(jié)構(gòu)抵抗液化

容許發(fā)生液化而依靠樁基等結(jié)構(gòu)抵抗液化的代表性方法包括：1）使樁基礎(chǔ)深至堅(jiān)固地層；2）加大樁基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)或筏狀基礎(chǔ)的尺寸；3）防止發(fā)生埋設(shè)物上浮的樁基、鋼板樁及錨桿等；4）設(shè)置地下管道的可變形接管來吸收土體變形，防止液化導(dǎo)致的破壞；5）加筋土。

圖20 所示為日本一些常用的抗液化處置措施的工程造價(jià)[27]。由圖20 可知，振動(dòng)擠密砂樁的工程造價(jià)最低，適用于大面積液化場(chǎng)地加固。為降低擠密砂樁的施工噪聲需采用靜壓擠密砂樁，盡管與振動(dòng)擠密砂樁相比工程造價(jià)有所增加，但與深層攪拌相比工程造價(jià)仍較低。另外一種比較常用的抗液化處置措施為深層攪拌樁，樁與樁相連形成網(wǎng)格狀地基加固，地震時(shí)格柵內(nèi)砂土的剪切變形受限，從而防止液化的發(fā)生，更好地控制地震引起的沉降。

圖20 日本一些常用抗液化處置措施的造價(jià)[19]Fig.20 Cost of some measures for liquefaction mitigation commonly used in Japan[19]

抗液化處置措施的效果可通過振動(dòng)臺(tái)[28?29]及動(dòng)離心機(jī)等室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)[30?31]、數(shù)值分析[30,32?34]以及工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

5.3 成功工程案例

東京迪士尼樂園主題公園和神戶美利堅(jiān)東方大酒店為日本兩個(gè)有名的抗液化處置措施的成功案例。

東京迪士尼樂園主題公園在建設(shè)時(shí)采用擠密砂樁法對(duì)有可能液化的沖積砂層及粉土層進(jìn)行了全層地基加固，地基加固深度達(dá)15 m[35]。因此，2011 年東日本大地震時(shí)盡管其相鄰的區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重的砂土液化，而東京迪士尼樂園主題公園卻沒有發(fā)生砂土液化也沒有受到損害。然而，沒有進(jìn)行地基加固的東京迪士尼海洋公園部分停車場(chǎng)發(fā)生了砂土液化，如圖21 所示，有二三十輛車被噴砂掩埋而動(dòng)彈不得。

圖21 （上）東京迪士尼公園位置圖，（下）東京迪士尼海洋公園部分停車場(chǎng)液化后的景象Fig.21 (top) Location of Tokyo Disney parks,(bottom) part of parking area of Tokyo Disney Sea liquefied during the 2011 Great East Japan Earthquake

神戶美利堅(jiān)公園東方大酒店建于神戶港海邊，如圖22 所示，采用網(wǎng)格狀深層攪拌樁作為抗液化處置措施，每個(gè)網(wǎng)格間距為8～24 m，1995 年日本阪神大地震時(shí)該酒店即將竣工。阪神大地震導(dǎo)致酒店周圍的護(hù)岸因液化而完全坍塌，酒店主體建筑因采取了抗液化處置措施未遭到破壞。震后開挖觀察格柵內(nèi)的砂土，未發(fā)現(xiàn)液化痕跡，這表明網(wǎng)格狀深層攪拌樁作為抗液化處置措施是有效的[36]。

圖22 （上）神戶美利堅(jiān)公園東方大酒店，（中）神戶美利堅(jiān)公園大酒店位置圖，（下）地基加固Fig.22 (top) Kobe Meriken Park Oriental Hotel,(middle)Location of Kobe Meriken Park Hotel,(bottom)Ground improvement

6 結(jié)論

砂土液化是地震災(zāi)害的主要形式之一，可造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。本文概述砂土液化的歷史記錄，簡(jiǎn)介砂土液化的機(jī)制與日本場(chǎng)地液化判別的最新方法及抗液化處置措施，以供相關(guān)工程人員參考。根據(jù)微地形及場(chǎng)地形成過程可初步判別場(chǎng)地液化的可能性?？挂夯踩禂?shù)不僅可用于液化的簡(jiǎn)易判別，也可用于確定液化狀態(tài)下砂土的力學(xué)參數(shù)，據(jù)此進(jìn)行抗液化處置措施的設(shè)計(jì)有可能降低工程造價(jià)。擠密砂樁和網(wǎng)格狀深層攪拌樁是日本常用的兩種抗液化處置措施，各有其優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)，也有許多成功的工程案例，可按需選用。