关于土体液化的论述

1关于土体液化的论述赵爱涛（内蒙古工业大学土木工程学院，邮政编码：010051）内容摘要：通过对土体液化机理的分析，了解土体液化的危害和影响因素，提出土体液化的判别方法，然后根据具体情况采取合理的抗震措施。关键词：土体液化沉陷加密法一、引言本文是在科研训练期间，同学过查找资料，对土体液化的机理、影响因素、危害和采取的措施有一个深入的理解。通过对土体液化的总结，能对简单的现象解释，提出合理的建议和意见。二、土体液化土体液化是指饱和状态的砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出来的类似液体的性状，完全失去强度和刚度的现象。三、土体液化的机理和危害大量实验和自量表明，土体液化有两个必要的条件：一是土体必须处于饱和状态；二是要有一定条件的动荷载作用。但是并不是所有具有上述两个条件的土体都能液化。饱和的土在受到动荷载的往复剪切作用下，颗粒排列将趋于密室（剪缩性），如果土的透水性很差的话，土体的孔隙水压力将会很难排出，从而导致孔隙水压力急剧上升，土体的有效应力却在减小，当孔隙水压力与土体的固结压力相等时，有效应力减小于零，土的抗剪强度完全消失，处于没有抵抗外荷载能力的悬浮状态，土体就发生了液化。发生液化的土类主要有两种：砂土和粉土。因为他们的透水能力很弱，而且粘聚力也很弱。碎石、砾石、砾砂的渗透性好，抗剪强度也很高，很少发生液化。粘土和粉质粘土间有黏性亦不易液化。中、粗、砾砂也常发生液化，但比粉、细砂和粉土要少些。砾石虽透水性好，但如果地震动很强或上覆透水性很差的土层，也可能发生液化。地震、波浪、车辆、机器振动、打桩以及爆破等都可能一起饱和砂土或粉土的液化，其中又以地震引起的大面积甚至深层的土体液化的危害性最大，它具有面广、危害重等特点，常能造成场地的整体性失稳。因此，近年来一起国内外工程界的普遍重视，成为工程抗震设计的重要内容之一。2地震引起砂土液化造成的灾害宏观表现主要有：1.喷砂冒水液化土层中出现相当高的孔隙水压力，会导致低洼的地方或土层缝隙处喷出砂、水混合物。喷出的砂粒可能破坏农田，淤塞渠道。喷砂冒水的范围往往很广，持续时间可达几个小时甚至几天，水头可达2~3m。2.震陷液化喷砂冒水会带走大量土颗粒，地基产生不均匀沉陷，使建筑物倾斜、开裂甚至倒塌。3.滑坡在岸坡或坝坡中的饱和砂粉土层，犹豫液化而丧失抗剪强度，使土坡失去稳定，沿着液化层滑动，形成大面积滑坡。4.上浮贮罐、管道等空腹埋置结构可能在周围土体液化是上浮，对于生命线工程来讲，上浮常常引起严重的后果。四、土体液化的影响因素1.土类并不是所有的饱和砂土和少黏土在动荷载作用下一定发生液化现象。粘土有一定的粘聚力c，即使孔隙水压力等于全部的固结压力，粘土的抗剪强度也不会等于零，因而不具备液化的内在条件。粒径较大的砂土，由于透水性较好，孔隙水压力很难积累增长，因而一般也不会发生液化，而没有粘聚力或粘聚力很弱，又处于低水位以下的粉、细砂和粉土，透水系数小，孔隙水不易排出，水压力会不断地积累增长，在动荷载作用下才会发生。平均粒径50d=0.05-0.09mm的粉、细砂最容易液化，而实际范围更广一些，在地震作用下发生液化的饱和土的平均粒径50d一般小于2mm，粘粒含量低于10%-15%，塑性指标常在8以下（范围更大可能是因为地震的荷载作用比一般的荷载作用更强，地震波的周期更短的原因）。2.土的密度松散的砂土在动荷载的作用下体积易于缩小，孔隙水压力上升快，所以松散砂较易液化。而如果砂土的密度很大，则其剪缩性非常的弱，在振动作用下很可能发生体积膨胀，一旦具有剪胀性的时候，土体被剪切的时候就会产生负的水压力，反而使土体抗阻力增大，因而不可能发生液化。3.土的初始应力状态土单元体的固结压力随着土体的埋藏深度和地下水位深度而直线增加。地震在土体单元中引起的动剪力随着深度的增加也在增加，但没有土体的固结压力增加的快，于是，土体的埋藏深度和地下水的深度，即土体的有效覆盖压力就成了影响土体液化可能性的因素。一般说来，埋藏越深的土体地震时液化的可能性越小。相关的海域地震砂土液化的报告指出：有效覆盖压力小于50KPa的地方，液化的普遍严重；有效覆3盖压力介于50KPa-100KPa的地方，液化现象较轻；而未发生液化地段有效覆盖压力多大于100KPa。大多资料表明，埋藏深度大于20m时，甚至松散的砂土也很少发生液化。4.地震强度和地震持续时间地震强度越高，持续时间越长，土体液化的越严重。五、土体液化可能性的判别土体液化判别的方法大致归纳为三种：经验对比、现场试验和室内试验。一般都采用现场试验方法判定，因为它能综合反映各种有关的影响因素。我国《公路工程抗震设计规范》（JTJ004—89）根据国内调查资料和国内外现场试验资料，对地基土液化可能性先按现场条件，运用经验对比法，初步判定，再通过现场标准贯入试验进一步判定。具体方法如下：（1）初步判定挡在地面以下20m范围内油饱和砂土或亚粘土层时，可根据下列情况，初步判定是否有可能液化：1）当土层地质年代为第四纪晚更新世（3Q)及其以前时，可判为不液化。2）烈度为7度、8度、9度区，亚砂土的粘粒含量百分率cP（按重量计，测定时应采用偏磷酸钠作分散剂）分别不小于10、13、16时，可判为不液化。3）基础埋置深度不超过2m的天然地基，可根据下图，按照上覆非液化ud和地下水深度wd，判定土层是否考虑液化影响。ud（m）（注：上覆非液化土层ud，不包括软土层）（2）用标准贯入试验进一步判定经初步判定有可能液化的土层，可用标准贯入试验，进一步判定土层是否液化。当经式（1—1)修正后的实测土层标准贯入锤击数1N小于按式（1—2）计算的修正液化临界标准贯入锤击数cN时，则判定为液化，否则为不液化。5.631NCNn............................................1—14]09.8)06.131(8.11[210vhecCKN............................2—2式中：nC——标准贯入锤击数的修正系数，按表1采用；5.63N——实测的标准贯入锤击数；hK——水平的地震系数，按表2采用；0——标准贯入点处土的总上覆压力（KPa），地下水位以上的砂土容重为18.0（3/mKN），亚砂土为18.5（3/mKN）；地下水位以下的砂土为20.0（3/mKN），亚砂土为20.5（3/mKN）；e——标准贯入点处土的有效覆盖压力（KPa），地下水位以上的砂土、亚砂土容重与上述相同，地下水位以下（扣除浮力后）砂土容重为10.0（3/mKN），亚砂土为10.5（3/mKN）；vC——地震剪应力随深度的折减系数，按表3采用；——粘粒含量修正系数，ccpp,)(17.0121意义同前。标准贯入锤击数的修正系数nC表10（KPa）020406080100120140160180nC21.701.461.291.161.050.970.890.830.780（KPa）200220220260280300350400450500nC0.720.690.650.600.580.550.490.440.420.40地震剪应力随深度的折减系数vC表2标准贯入点深度（m）12345678910vC0.9940.9910.9860.9760.9650.9580.9450.9350.9200.902标准贯入点深度111213141516171819205（m）vC0.8840.8660.8440.8220.7940.7410.6910.6470.6310.612水平地震系数hK表3地震基本烈度（度）789水平地震系数hK0.10.20.4六、液化地基处理措施我国是一个多地震国家,也是世界上地震灾害最严重的国家,地震经常威胁着工程安全。当前我国正处在新的地震活跃期,地震发生频率增大,这对我国正在蓬勃发展的基础设施建设构成了严重威胁。因此，在地震多发地区修建建筑物或构筑物，必须对可能液化土体进行处理。工程上采用的抗震措施一般分为两种，一种是全部消除地基液化沉陷措施，二是部分消除地基液化沉陷措施。根据建筑物的重要性、地基的液化等级，结合具体情况综合确定选择全部或部分消除液化沉陷。综合各种法的性质和抗震的机理，地基液化的措施大致分为三类：（一）采用桩基础（非摩擦桩）或者是深基础避开液化土层这类方法能完全消除地基液化沉陷造成的危害。桩基础由若干根桩和承台两部分组成，它将承台以上结构物传来的外力通过承台，由桩传到较深的地基持力层中去，承台将各桩联成一个整体共同承受荷载。桩直接穿过可能液化的土层，桩端深入承载力较高的土层，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度（不包括桩尖部分）应按计算确定，且对碎石土、砾，粗，中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不小于0.5m，对其他非岩石土类尚不小于1.5m。在土体液化时，虽然一部分土体液化，但是上部荷载依然能通过桩传到较深的持力层。建筑物从而避免了沉陷。深基础能避免沉陷造成的危害的机理和桩基础大致相同，深基础的底面放在位于液化深度以下的稳定土层上，其深度不应小于0.5m。（二）采用挤密法：强夯法；振冲加密法；挤密碎石桩法等1.强夯法强夯法利用重夯锤，高落距产生的高夯击能给地基一冲击力，在地基中长生冲击波，振密，挤密地基土体。当夯击时，夯锤对地基浅部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对夯坑周围的土体进行动力挤压，夯坑四周地表可能产生隆起。细颗粒饱和土多采用动力固结，动力固结的主要机理是巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水6通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。对饱和无粘性土地基，在冲击力作用下，土体可能会产生液化，其压密过程同爆破和振动密实的过程类似，挤密，振密效果也是明显的。对饱和粘性土地基，在锤击作用下，在夯击点附近地基土体结构破坏，产生触变，在一定范围内的地基土体将产生超孔压，并且逐渐消散，地基土固结，孔隙比减小，强度提高。2.振冲加密法振冲法是利用振冲器的高频振动和高压水流，边振边冲，将振冲器在地面预定桩位处沉到地基中设计的预定深度，形成桩孔。经过清孔后，向孔内逐段填入碎石，每段填料在振冲器振动作用下振挤、密实。然后提升振冲器，再向孔内填入一段碎石，再用振冲器将其振挤密实。通过重复填料和振密，在地基中形成碎石桩桩体。振冲法一方面依靠振冲器的振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列孔隙减小，另一方面依靠振冲器的水平振动力，加回填料使砂层挤密，从而达到提高地基承载力，减小沉降，并提高土体抗液化能力。3.挤密碎石桩法砂石桩法主要通过挤密、排水减压和砂基预震来提高地基承载力，减小沉降。挤密作用是指在采用沉管法或干振法，会在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力，桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层，使桩管周围的砂层孔隙比减小，密实度增大。在采用振冲挤密桩施工过程中由于水冲使松散砂土处于饱和状态，砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化并重新排列致密，且在桩孔中填入大量粗骨料后，被强大的水平振动力挤入周围土中，这种强制挤密使砂土的相对密实度增加，孔隙率降低，干密度和内摩角增大，土的物理性能改善，地基承载力在幅度提高。排水减压作用是指对砂土液化机理的研究证明，当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时，将发生体积的收缩和趋于密实，在砂土无排水条件进体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升。当砂土中的有效应力降低为零时便形成了完全液化。碎石桩加固砂土时，桩孔内充填碎石等反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化，并可加快地基的排水固结。砂基预震效应是指在一定应力循环次数下，当两试样的相对密实度相同时，要造成经过预震的试样发生液化，所需施加的应力要比施加未经预震的试样引起液化所需应力值提高46%，从而得出了砂土液化特性除了与砂土的相对密实度有关外，还与其振动应变史有7关的结论。在振冲法施工时，振冲器的振动作用使地基土