地震液化的判别与防治.pdf

2018.No.3 收稿日期： 20180205 作者简介： 王艳军 （1975） ， 男， 教授级高级工程师， 主要从事 水利工程勘察与施工工作。 DOI： 10.3969/j.issn.1004-7328.2018.03.017 地震液化的判别与防治 王艳军 （河北省水利水电勘测设计研究院， 天津300250） 摘要： 土的地震液化是震区的主要工程地质问题， 其危害是多方面的， 后果是严重的， 轻则影响建筑物的正常使 用， 重则导致房倒屋塌， 造成生命和财产损失。通过分析地震液化的产生机理， 并以具体案例为素材， 剖析地震液化 的判别以及防治方法。其最终目的是增强建筑物、 构筑物的地基稳定性， 使人身、 财产免受损失。 关键词： 地震液化； 判别； 防治 中图分类号： TV221.2； P64文献标识码： A文章编号： 1004-7328 （2018） 03-0049-04 Identifying and Controlling of Seismic Liquefaction WANG Yan-jun （Hebei Research Institute of Investigation & Design of Water Conservancy & Hydropower， Tianjin 300250， China） Abstract： Seismic liquefaction of saturated sand is main engineering geological problem in earthquake region. it s harm is various and it s consequence is serious. It might affect normal use of construction， or even bring down the house and cause loss of life and property. This article simple analyse mechanism of production. It takes the practice case as the material， an- alyzes identifying methods and controlling methods of seismic liquefaction. Its ultimate purpose is to enhance the founda- tion stability of buildings and structures， so that avoid loss of personal and property. Key words： seismic liquefaction； identifying； controlling 地震液化是饱和砂土、 粉土地基面临的主要工 程地质问题， 属于国内外土动力学界所致力研究的 主要课题。地震液化可以造成喷水冒砂、 地面变形、 地基下沉或失效、 桩基单桩承载力降低、 建筑物及构 筑物倾倒或侧向滑移等危害。如， 1976年唐山的7.8 级大地震， 有2.4万km2的土地发生液化， 液化区域 内地基承载力丧失， 导致大量建筑物沉陷和倒塌； 1964年日本新澙县的7.5级大地震产生大面积地震 液化， 造成2 890幢房屋毁坏； 2008年汶川8级特大 地震， 砂土液化后导致建筑物成片倒塌， 地面开裂并 下沉。地震液化导致楼房倒塌和地面开裂， 分别如 图12所示。所以， 应高度重视震区内土的地震液 化问题。避免或减轻地震液化危害的根本在于正确 认识其产生机理和影响因素， 并对其进行正确判别 和选取适宜的防治方法。 图1地震液化导致楼房倒塌 图2地震液化导致地面开裂 海河水利49 万方数据 2018年6月 1地震液化的产生机理和影响因素 松散并且饱水的少黏性土在受到震动时， 颗粒 将会重新组合而使土体密度增加。此时， 土中的孔 隙全部被水充填， 这种变密的趋势将导致孔隙水压 力骤然上升， 产生超孔隙水压力。然而， 地震的作用 时间往往很短暂， 超孔隙水压力来不及消散， 就会使 原来通过砂粒或粉粒之间的接触点所传递的压力 （即有效压力） 减小， 对应力的承受由砂土、 粉土骨架 转向水。在总压力不变的前提下， 孔隙水压力逐渐 上升的过程也就是有效压力逐渐下降的过程。当有 效压力下降到零时， 颗粒悬浮在水中， 土层将完全丧 失抗剪强度和承载能力， 形成如液体一样的状态， 此 时便产生了土的地震液化现象。当超孔隙水压力超 过盖层强度时， 地下水携带粉粒、 砂粒冲破盖层， 将 产生 “喷水冒砂” 现象。伴随着喷水冒砂， 地基承载 力逐渐丧失， 导致建筑物、 构筑物的沉降或者不均匀 沉降。如， 唐山地震时柏各庄化肥厂的办公楼东南 角喷水冒砂， 使楼房下沉60 cm， 墙体开裂后的最大 缝宽达31 cm。 地震、 车辆荷载、 波浪、 打桩、 机械振动、 爆破等 都有可能引起土的液化现象， 其中地震的影响最广、 危害最大。影响地震液化的因素大致有三个方面： 第一是动荷条件， 如震动强度、 震动次数、 持续时间； 第二是埋藏条件， 如土的上覆有效压力、 上覆土层厚 度、 边界土层的渗透性、 孔隙水向外排出的渗透路径 长度、 地震历史； 第三是土性条件， 包括土的密度， 粒 径、 级配、 形状等颗粒特征， 土的渗透性， 土的结构以 及应力历史等。其中， 地面震动强度和地面震动的 持续时间、 上覆土层厚度、 地下水的埋藏深度、 砂土 密度、 土颗粒粒径是砂土液化的主要影响因素， 震动 强度低、 震动时间短、 静载大、 排水条件好、 密度大、 土颗粒粗、 级配良好时有利于土的抗液化能力。是 否会产生液化， 根本因素是土的性质， 中砂、 细砂、 粉 砂、 粉土是最容易产生液化的土层。土的抗液化能 力与土的平均粒径 d50存在高度相关性， d50界于 0.071.0 mm时土的抗液化能力最差， 这样的土最 容易被液化。 2地震液化的判别 关于地震液化的判别方法， 在水利水电工程地 质勘察规范、 建筑抗震设计规范中有详细的描述。 实践中， 应根据所属行业及建筑物、 构筑物的类型等 因素具体选择适宜的规范进行液化判别。以位于天 津市西青区子牙河右大堤上的西河引水涵闸为例， 采用 水利水电工程地质勘察规范 （GB50487- 2008） 进行液化判别。 土的地震液化判别分为两个阶段， 即初判和复 判， 判别的依据是 水利水电工程地质勘察规范 附 录P。 首先， 根据初判的相关规定， 对地层年代、 小于 5 mm颗粒含量、 土层的剪切波速、 工程正常运用后 地下水位的状况等进行对比， 初步排除不会发生地 震液化的土层。结合该涵闸的地质资料， 初判结论 为2层粉土、 1层粉土、 2层粉砂具有地震液化的 潜势。 对于初判可能发生地震液化的土层， 需要进行 复判。土的地震液化在复判时采用的方法有标准贯 入锤击数法、 相对密度复判法、 相对含水率或液性指 数复判法， 其中标准贯入锤击数法最为常用， 以该方 法为例进行复判。 地震液化在复判时的相关规定如下： （1） 符合NNcr要求的土应判为液化土。其中， N为工程运用时标准贯入点在当时地面以下ds（m） 深度处的标准贯入锤击数， Ncr为液化判别标准贯入 锤击数临界值。 （2） 液化判别标准贯入锤击数临界值应根据下 式计算： Ncr=N00.9+0.1 （ds-dw） 3%/c（1） 式中：c为土的黏粒含量质量百分率 （%） ， 当c 3%时， 取3%； N0为液化判别标准贯入锤击数基准 值； ds为标准贯入点在当时地面以下的深度 （m） ， 当标准贯入点在地面以下5 m以内的深度时应采用 5 m 计算； dw为地下水位在当时地面以下的深度 （m） 。 该涵闸所处地区地震动峰值加速度值为0.15 g， 近震时N0值取8。此次对涵闸进行更新改造， 标准 贯入试验时与工程正常运用时的状况相同， 不需对标 准贯入锤击数进行校正。根据地质勘察资料和上述 复判标准进行计算、 比较， 得出的复判结论见表1。 由表1可知， 1层粉土、 2层粉砂为地震液化 土层。 建筑抗震设计规范 （GB50011-2010） 与 水 利水电工程地质勘察规范 （GB50487-2008） 相比， 在地震液化判别时也分为初判和复判， 但在具体 判别方法上存在细微区别， 在运用时应予以注 意。此外，建筑抗震设计规范 引入液化指数的 概念， 根据计算出来的液化指数判定地基的液化 等级， 将预估的液化危害程度定量化， 便于采取相 应的抗液化措施。 王艳军： 地震液化的判别与防治50 万方数据 2018.No.3 3地震液化的防治 地震液化的防治原则是， 除了次要建筑 （当遇到 地震破坏时， 不至于造成人员伤亡和较大经济损失 的建筑） 以外， 永久性建筑不应直接采用未经处理的 液化土层天然地基。当前采用的抗液化工程措施是 在大量震害经验基础上总结出来的， 采用何种抗液 化工程措施应考虑建筑物的重要性、 地基液化等级， 同时结合各项影响因素综合确定。实践中， 可以采 用桩基、 深基础、 加密、 置换、 增厚上覆非液化土层的 厚度、 改善周边的排水条件、 围封等方法全部或部分 消除地基液化沉陷。 目前， 处理地震液化不存在同时满足效果、 经济 且普遍适用的防治措施。各种措施的适用条件以及 优劣简要分析如下： 挖除可液化土层并用非液化 土置换的方法彻底而有效， 且比较经济， 从根本上消 除了地震液化发生的可能性。但置换法一般仅适用 于地表以下3 m深度范围， 对于深厚液化土层则无 能为力。采用填土压重是一种简单易行的方法， 但应与建筑室外地面标高相适应， 应首先保证建筑 的正常使用功能。否则， 填土压重的液化处理方案 是不可行的。地震时， 采用桩基穿过可液化土层 进入非液化土层， 通过桩基将上部荷载传递至下覆 非液化土层， 以该层作为持力层。同时， 以桩身的强 度抵抗地震水平荷载， 消除液化的不利影响。该方 法的处理效果明显， 其劣势在于造价相对偏高。 相比而言， 围封法和人工加密法造价适中、 适用 范围较大， 在水利工程中的应用较为普遍， 这里将重 点介绍这两种方法。 3.1围封法处理地震液化 3.1.1围封法处理地震液化的原理 通过理论分析， 受上覆结构压力的作用， 位于基 础底板正下方的液化土层相对不易液化， 地震液化 的危害源头来自于基础轮廓线以外。振动台试验证 明了这一分析的正确性： 在震动力的作用下， 基础轮 廓线以外的土体首先液化， 然后对基础正下方的可 液化土体施加不利影响， 水平向土压力的平衡状态 被打破， 继而使整个土体液化。 围封的作用主要在于隔断基础轮廓线内外土体 之间的这种不利关联， 将液化土层放到一个密闭的 箱体 （上部为基础底板、 下部为低压缩和低渗透的非 液化土层， 周边为围封墙体） 中， 保证在地震发生时 箱体内的土不产生剪应变， 可大大减少地基土液化 的可能性。 围封法除用于防治地震液化之外， 还兼具提高 地基承载力、 降低土体渗透性、 防止渗透变形、 提高 地基稳定性等优点， 在实践中得到了广泛的应用。 3.1.2围封法处理地震液化实例 实践中， 可采用多种方法构筑围封墙体， 常用的 有高压喷射注浆法、 水泥土搅拌桩法等。如， 福建省 九龙江北溪水闸除险加固工程、 秦皇岛市戴河综合 治理橡胶坝工程， 采用高压旋喷连续墙构筑围封墙 体； 山西省太原开发区220 kV变电站工程、 江苏省 宿迁市船行1站拆建工程， 采用水泥土搅拌桩构筑 围封墙体， 均取得较好效果。 3.2人工加密法处理地震液化 3.2.1人工加密法处理地震液化的原理 在影响砂土液化的三大因素中， 动荷条件是人 力难以控制的， 而改变土性条件和埋藏条件可预防 液化的产生。其中， 通过改善土质条件和排水条件， 提高土的密实度和透水性最为有效。人工加密法处 理地震液