可液化土层中地下结构上浮及其控制措施

可 液化土层中地下结构上浮及其控制措施

李密 李兴磊

机械工业第六设计研究院有限公司河南省郑州市 450007

摘 要：土层出现液化情况会严重地影响到工程建设,所以在工程勘察过程中,必须要充分考虑液化产生的危害，采用多种判别方法能准确判定液化土的存在与分布，加强施工技术的控制，才能确保工程项目的安全推进。

关键词：液化土层；地下结构；上浮；控制措施

1. 可液化土层特点

液化土层是地震时饱和砂土和粉土颗粒在强烈震动下有变密的趋势，颗粒之间发生相对位移，颗粒间的孔隙水来不及排泄而受到挤压，因而孔隙水压力急剧上升，当孔隙水压力上升到与土颗粒所受到总的正压力接近时，土颗粒之间因摩擦产生的抗剪力接近零，此时的土像液体一样，所以就称为液化士层。液化是个过程和现场。喷水冒砂只是液化呈现的一个现象，并不是唯一现象。当土体有效应力开始衰减的时候，液化就开始了。当孔隙水压力增大的时候，液化就开始了。对于饱和砂土、粉土和少粘性土颗粒，强震和孔隙水压力增加，几乎同时就会发生，液化也就会发生。

2. 液化土层地下结构上浮的机理及形式

松散的砂土和粉土，在地下水的作用之下达到饱和状态。如果在这种情况下土体受到震动，会有变得更紧密的趋势，这种趋于紧密的作用使孔隙水压力骤然上升，而在这短暂的震动过程中，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由土颗粒间接触点传递的压力（有效压力）减小，当有效压力完全消失时，土层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样，这就是地基的液化现象。由此可见，发生液化现象，土质多是松散的砂土和粉土，而且受到震动和水的作用。影响液化的因素主要有∶颗粒级配、透水性能、相对密度、土层埋深、地下水位、地震烈度及地震持续时间等。地基液化会对地表的影响表现在喷砂冒水、堤岸滑塌、地面开裂、不均匀沉降等，对其上建筑物造成很大危害。土体抗剪强度等于零是判定土地液化的标准。土体液化现象的原因:在地震引起的振动使饱和砂土或粉土趋于密实，导致孔隙水压力急剧增加。在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使有效应力减小，当有效应力完全消失时，砂土颗粒局部或全部处于悬浮状态。液化通常主要有三种形式：

1. 微观液化。通常是指在试验室利用动三轴、动单剪或动扭剪仪来模拟土体中一个初始状态已知的单元体在受循环荷载作用后所产生的液化现象。

2. 宏观液化。通常是指在工程场地发生的宏观液化破坏现象，如液化引起地基的喷砂冒水、地面下沉、侧向位移、建筑物倾斜或倾倒、地中构筑物上浮、震后土坡的滞后滑动等。

3. 渗流液化。泛指所有由于渗流作用而引起的土液化现象。发生渗流液化之处水力梯度达到临界水力梯度，土体的有效应力为零，符合液化的物态转变条件。渗流液化有些与地震无关，有些则与地震有关，前者如岸边、坝下游或基坑开挖过程中可能发生的流砂现象，后者如地震引起的地表喷砂冒水(砂沸)以及土坡的滞后滑动。

3. 土层液化判定中存在的问题分析

1. 忽视场地地震地质情况调查。在勘察工作前，有的勘察技术人员忽视收集区域地震地质情况和场地地质年代等背景资料，分析和判别场地土是否为第四纪晚更新世及以前的“老沉积土”。

2. 忽视黏粒含量的采取工作 。黏粒含量是粉土的液化判别的重要依据之一，有的勘察人员忽视黏粒含量的取样和试验工作，或未取样做黏粒含量，或黏粒含量试验位置与标准贯入试验位置不一致，导致液化判别结果与实际情况不符。

3. 判定场地液化的勘探孔的数量不足。《岩土工程勘察规范》要求，液化判别孔不少于3个。有些勘察报告可能前期工作布置不太重视，导致液化判别孔数量不足，特别是单体建（构）筑物勘察项目容易出现。

4. 判定场地液化的勘探孔的深度不足。一些工程的勘察报告的液化判别孔的深度未能满足规范要求。根据现行《建筑抗震设计规范》，液化判别深度应达到20m。《建筑抗震设计规范》规定，下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算：（1）本规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。（2）地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑：一般的单层厂房和单层空旷房屋；砌体房屋；不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架和框架-抗震墙房屋。

5. 液化判定的地下水位选取有误。《建筑抗震设计规范》规定，“宜按设计基准期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用。”基于安全性考虑，用于液化判定水位不应低于勘察报告提供的近3-5年的最高水位。有的采用了勘察时场地的实测水位值，不能满足规范要求。

6. 缺乏液化判别的过程和计算依据。当场地已判定为液化时，未提供《场地土液化判定计算表》。勘察报告缺少了评价地震液化的过程和计算依据。

7. 勘察报告提出的液化处理建议不合理。对于判定为液化土的地基，勘察报告提出的液化处理建议不合理，如建议采用非挤密地基处理CFG桩方案。该方案虽能提高了地基承载力、但未改善地基的密实性状，从根本上没有消除地基的液化问题。

8. 标准贯入试验击数取值有误。《建筑抗震设计规范》规定，在做野外标准贯入试验时，采用修正前的标准贯入基数。有的勘察人员进行液化判别时，对标准贯入试验击数进行了杆长修正。

4. 可液化土层中地下结构上浮控制措施

土层出现液化，会产生以下几种危害：其一，地面流滑：斜坡上若有液化土层分布时，地震会导致液化流滑而斜坡失稳；其二，地面塌陷：地震时砂土中孔隙水压力增加，当砂土出露地表或其上覆盖土层较薄时，即发生喷砂冒水，造成地下掏空，地表塌陷；第三，地面下沉：饱水疏松砂土因振动而趋于密室，地面随之下沉；第四，地基土承载力丧失：持续的地震使砂土中孔隙水压力上升，导致土粒间有效应力趋于零时，砂粒即处于悬浮状态，丧失承载能力，引起地基整体失效。因此必须要采取有效措施加以控制。

1. 振冲法。它对提高饱和粉、细砂土抗液化能力效果较佳，可使砂土的Dr增加到0.80。振冲法对不同性质的土层分别具有置换、挤密和振动密实等作用。对黏性土主要起到置换作用，对中细砂和粉土除置换作用外还有振实挤密作用。在以上各种土中施工都要在振冲孔内加填碎石（卵石等）或回填料，制成密实的振冲桩，而桩间土则受到不同程度的挤密和振密，同时回填料形成砾石渗井，可使砂层振密且迅速将水排走，以消散砂层中发展的孔隙水压力，从而更利于消除土层的液化。振冲法主要设备是特制的振冲器，前端能进行高压喷水，使喷口附近的砂土急剧液化。振冲器借自重和振动力沉入砂层，在沉入过程中把浮动的砂挤向四周并予以振密。待振冲器沉到设计深度后，向孔内回填砾石、卵石、碎石料，然后，逐步提升振冲器，将填料和四周砂层振密。其中，振冲挤密碎石桩法又称砂石桩法，为碎石桩、砂桩和砂石桩的总称，是指采用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将砂或碎石挤压入已成的孔中，形成大直径的砂石所构成的密实桩体。处理深度不应小于4m，同时应穿过液化土层。

2. 强夯法。强夯法又名动力固结法或动力压实法。这种方法是反复将夯锤提到一定高度使其自由落下，给地基以冲击和振动能量，从而提高地基的承载力并降低其压缩性，改善地基性能。

3. 板桩围封法。在建筑物四周可能液化的砂层内用板桩围封，并结合密实回填土的封堵作用，可大大减少地基中砂土液化的可能性。

4. 换填压实土与增加非液化覆土重量。当地表或基础下液化土厚度为3-5m时，可采用换填压实的办法，较为经济实用。当全部换填较为困难时，可以验算压实填土厚度能否使饱和砂层顶面有效压重大于可能产生液化的临界压重。如果压实填土重量足够，那么也可不用全部换填。上述处理地基液化的措施均是通过挤密土体、加速排水的措施消除液化的。某些地基处理方法不能消除液化，如刚性桩复合地基。实践表明，振冲法处理液化地基是最为行之有效的方法之一，并得到广泛应用。

5. 部分消除地基液化沉陷。部分消除液化的措施同上述全部消除液化的措施，但处理深度不需要穿透液化土层，处理后的地基液化指数不大于5即可，如采用换填法时，只需将上覆液化较严重土层进行挖除换填。

6. 基础和上部结构处理技术。基础和上部结构处理即通过加强结构的基础与上部结构刚度，使结构具有良好的整体性，使之能抵抗轻微的液化震陷。如基础采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形基础，加设基础圈梁等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上部结构形式等。

结束语

综上所述，加强对液化土层的结构控制，保障了工程项目的施工安全。在施工过程中能够较好地控制变形，保证了工程的安全。

参考文献

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