关于砂土液化的一些认识

陈志勇

摘要：近些年，国内外砂土液化现象屡见不鲜，因此给人民群众带来的损失也是难以估量。如何评价场地的地震液化等级，采取适当措施避免其对工程带来的不利影响，是目前每一个岩土工程师工作的重中之重。本文从砂土液化的概念，形成机理，影响因素，判别方法，防治措施几个方面来阐述自己对其一些简单的认识。

关键词：饱和砂土；液化机理；影响因素；地基处理

饱和砂土在地震、动荷载或其它外力作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失去承载力的现象成为砂土液化。

砂土液化在地震时可大规模地发生并造成严重危害。在中国1966年的邢台地震，1975年的海城地震和1976年的唐山地震等几次大地震中，有些建筑物的破坏，就是由砂土液化造成的。国外也有类似的例子，在美国1964年的阿拉斯加地震中，砂土液化也使许多建筑物下沉、歪斜和毁坏，有的地下结构甚至浮升到地面。1925年，美国的舍费尔德土坝在地震时全部崩溃，也是由坝底部分饱水砂土振动液化所致。

1液化的机理

从力学性质来说，物质在固体状态时，同时具有抵抗体变（体积应变）和形变（剪应变）的能力，因此固体物质在力的作用下，内部可以同时存在球应力张量和偏应力张最状态。理想液体只具有抵抗体变的能力，而没有抵抗形变的能力，粘滞液体也只有在形变运动过程中才产生与剪应变速率相当的剪应力。物质从固体状态转化为液体状态的液化现象，从力学观点看，可以说是它的抗剪强度在某种条件下趋于捎失的过程。对于砂土，它的抗剪强度主要依靠固体颗粒间的摩擦阻力。如果砂土中颗粒间存在摩擦阻力，砂土呈固体状态，如果砂土颗粒间的接触压力等于或趋近于零，摩擦阻力也等于或接近于零，砂土就呈液体状态。

2液化的影响因素

影响砂土液化的因素很多，如砂土的地质成因和年代，颗粒的组成，大小、排列方式和形状以及松密程度，应力状态，应力历史，渗透性，压缩性，地震特性（如震级，震中距、持续时间）以及排水条件和边界条件，本文从如下几个方面进行简单分析：

（1）土的物理力学性质

土的颗粒越粗，平均粒径越大，动力稳定性就越高。因此粗、中、细、粉砂的液化可能性逐级增大。同一级砂土中，颗粒的级配越好，即不均匀系数Cu越大，动力稳定性就越高，而Cu超过10的砂土一般较难发生液化。土中黏粒含量越高，粘性越大，土越不易液化，土的粘性能使土粒维持稳定，当土的黏粒含量（粒径小于0.005mm的颗粒）百分率，在抗震设防烈度7度、8度和9度分别不小于10、13和16时，可判为不液化土。

（2）饱和砂土埋藏深度

当饱和砂土埋藏较浅时，容易发生液化，反之，越不易液化。饱和砂土埋藏较深，当上覆土层为较厚的非液化粘性土层时，由于受到较大的覆盖层自重压力和侧压力，孔隙水压力很难上升到足以克服覆盖层压力的程度，因而抑制了液化，而直接出露于地表的饱和砂层最易于液化。

（3）地震烈度和震级

地震作用是砂土液化的动力，地震烈度越高的地区，地面运动强度越大，持续的时间越长，土层就越容易发生液化，一般在6度或以下的地区很少看到砂土液化，而6度以上的地区则相对普遍。

3砂土液化的判别方法

3.1液化初判

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），饱和砂土和粉土符合以下条件之一，可初步判别为非液化土层或不考虑液化影响。

（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前的地层，可判别为非液化土层。

（2）7度、8度和9度时，粒径小于0.005mm的黏粒含量百分率分别不小于10%、13%和16%的饱和少粘性土。

（3）采用天然地基的基础，当上覆盖非液化土层厚度和地下水位深度满足规范所列条件之一时，可不考虑液化影响。

3.2液化复判

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），当饱和砂土、粉土的初步判别认为需要进一步液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下20m范围内土的液化；当饱和土标准贯入锤击数（未经杆长修正）小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。当有成熟经验时，尚可采用其他判别方法。

3.3液化判别的问题

地震液化是由多种内因（土的颗粒组成、密度、埋深条件、地下水位、沉积环境和地质历史等）和外因（地震强度、频谱特征和持续时间等）综合作用的结果。目前各种判别液化的方法都是经验方法，有一定的局限性和模糊性。但液化判别公式（抗震设计规范公式）是在多次地震实测基础上建立起来的经验公式，因此标准贯入判别还是最基本的方法。

4液化防治措施

4.1全部消除液化的措施

（1）采用桩基础，桩基端部进入液化深度以下稳定土层的长度应按计算确定。对于碎石土、砾、粗、中砂、坚硬黏土和密实粉土不应小于0.5m，对其它非岩石土不应小于1.5m。

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

（3）采用挤密法，挤密法的振冲法、砂石桩法、强夯置换法、灰土挤密桩法等，处理深度应至液化深度下界，同时桩间土的标贯击数应大于液化判别标贯击数临界值。

（4）把液化土层全部挖除，用非液化土替换。

4.2部分消除地基液化的措施

（1）选择合适的基础埋置深度，调整基础面积，减小基础偏心。

（2）加强基础的整体性和刚度，如箱基、筏基或交叉条形基础，加设圈梁等。

（3）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等。

（4）管道穿过建筑物处应预留足够尺寸或采用柔性接头。

5结语

在地震易发区及强震区，对于建筑场地应慎重选择，尤其是重大建筑物，其损坏后果严重。建筑场地应尽量避开可能液化的土层分布地段，应以地形平坦、液化土层及地下水埋藏较深、上覆非液化土层较厚的地段作为建筑场地。

随着技术的进步和工程实践的积累，有关液化判别的方法，不同行业、地区都会有自己的经验或标准，而液化砂土层的处理措施也会采用更多的新方法、新工艺。

参考文献：

[1]陈仲颐，周景星，王洪瑾编著《土力学》北京：清华大学出版社，1994

[2]常士骠，张苏民主编《工程地质手册》中国建筑工业出版社，2007

[3]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001，2008版）

[4]吴世明编著《土动力学》北京：中国建筑出版社，2000

[5]汪闻韶《土的液化机理》水利学报1981

[6]杨建学《饱和砂土液化判别的工程应用分析》岩土工程界，2008