关于液化地基的若干问题

建筑工程概论

结课论文

课题：关于地震液化地基的若干问题指导教师：高金川、郑明燕

班级： 54081

姓名：原少云

学号： 20081000484

关于地震液化地基的若干问题

摘要：近年来，地震频发。由地震引发地基失稳而造成严重工程事故的事件也此起彼伏。对工程界人士来说，充分了解地基土在地震中的液化机理及其判定和处理方法就显得尤为重要。有介于此，故本篇文章主要介绍一下关于液化地基在地震过程中形成机理、危害、判别、处理方法及使用条件。

关键词：地基液化、地基处理、换填法、强夯法、碎石桩、砂桩

正文：

一、地基液化机理及其危害

饱和沙土因地震而受到强烈震动，使沙粒处于悬浮状态，丧失强度，致使地基失效的现象称为砂土液化或地震液化。这种现象在一些饱和的粉土中也会发生。

其机理为：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，砂粒间相互位置产生调动，会有变得更紧密的趋势。沙土要变密实就要排水，但在急剧变化的周期性地整力的作用下，伴随沙土孔隙度减小而透水性变弱，因而排水通道越来越不通畅。应排出的水来不及排走，而水又是不可压缩的，于是就产生了剩余孔隙水压力（超孔隙水压力）。根据地基土的有效应力原理（()[]φμμστtg 0?+-=）可知，当超孔隙水压力达到一定值时，沙土颗粒间的有效应力会变为零。在这个时候地基土就会像水一样完全丧失抗剪强度，而导致地基失稳，上层结构就会遭到严重破坏，这就是地基土液化的机理！

由此可见，发生液化现象，土质多是松散的砂土或粉土，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。疏松饱水的细沙土和粉土容易液化：饱水沙土埋藏越浅、沙层越厚，则液化的可能性越大。当饱水沙层埋深在10-15m 以下时就很难液化了。

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。

二、液化地基的判别方法

（1）初判条件

根据饱和沙土或饱和粉土的地质年代、场地抗震设防烈度、粘粒含量和上层覆盖非液化土层厚度和地下水位深度初步判别地基土是否可能液化。

（2） 进一步判别

当初步判别认为需要进一步进行液化判别时，应采取标准贯入试验判别法。当饱和土标准贯入锤击数（未经杆长修正）小于液化判别标注贯入锤击数临界值时，应判为液化土。标准贯入锤击数临界值由锤击数基准值根据相关公式求的！

除此之外，还有别的判别方法。如根据静力触探的试验方法，当实测计算比贯入阻力或实测计算锥尖阻力小于液化比贯入阻力临界值或液化锥尖阻力临界值时，应判为液化土；根据波速试验法，在地面15-20m 深度范围内的饱和沙土或饱和粉土，其实测建起波速分别大于按有关公式计算的剪切波速临界值时，可判别为不液化。

三、液化等级的评价

按每个标准贯入试验点挨点判别液化的可能性，按每个试验孔计算液化指数，按照每个孔的计算结果，结合场地的地质地貌条件，综合确定场地液化等级。

1.经判别可能液化的土层，按照以下公式计算地基液化指数：

i i n

i cri i lE d N N I ω∑=???? ??-=

11 2.划分液化等级 场地和地基的液化等级根据液化指数按下表确定

液化等级

轻微 中等 严重 班别深度为15m 的液化指数

0——5 5——15 ＞15 判别深度为20m 的液化指数

0——6 6——18 ＞18

四、处理方法

我国现在对于地基处理方面还不是很成熟，特别是在一些湿陷性黄土的地区以及中砂土易发生液化的都很难处理。关于具体处理可液化地基的方法，常用的方法有换填法、强夯法、砂桩法、碎石桩法等。

1、换填法

换填法将基础底面以下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层填入强度较大的砂，碎石，素土，灰土及其他性能稳定和无侵蚀性的材料，并夯实至要求的密实度。

建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部荷载对地基的要求时，常采用换填土垫层来处理软弱地基。即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、砂石或灰土等，并分层夯实至设计要求的密实程度，作为地基的持力层。换填法适于浅层地基处理，处理深度可达2～3米。根据工程实践表明，采用换填法不仅可以解决工程地基处理问题，而且是可就地取材，施工方便，不需特殊的机械设备，并且可缩短工期等。

此种方法原理相对简单，根据实际工程情况，选择垫层种类即可，但多适用于中小型建筑场地，对于道路工程或者换填材料不充足地区并不合适。

2、强夯法

强夯法处理地基的原理：利用起重设备将夯锤提升到一定高度，然后使其自由下落，以一定的冲击能量作用在地基上，在地基土里产生极大的冲击波，以克服土颗粒间的各种阻力，使地基密实，从而提高强度，减少沉降，消除湿陷性或者提高抗液化能力。当全液化地基路

段较长，或需处理面积大，地基处理区域较近范围内无建筑物，无重要构造物时，强夯法是比较理想的地基处理方法。

关于强夯法加固地基的机理，不同研究者从不同角度进行了研究。由于强夯处理的对象（即地基土）非常复杂，一般认为不可能建立各类地基土具有普遍意义的理论，但对地基处理重经常遇到的几种类型的土，还是有规律的。总的来说，强夯加固地基主要是强大的夯击能在地基中产生强烈的冲击波和动应力对土体进行加固作用，对饱和细粒土而言，经强夯后，其强度的提高过程可分为：

①夯击能量的转化，同时伴随强制饱和土的压缩和振密（包括土体中气体的排出，孔隙水压的上升），局部土体的液化或土体结构的破坏（表现为土体强度的降低或抗剪强度的丧失）；

②排水固结压实，表现为土体渗透性能改变，土体裂隙的发育，孔隙水得以顺利逸处，超孔隙水压力消失，土体强度提高；

③土体触变恢复并伴随土体压密，包括部分自由水变为薄膜水，土体结构性逐渐恢复，强度提高，这一阶段变形很小，主要是土体触变恢复，是在强夯终止后很长时间才能达到。

在我国强夯法常用来加固碎石土、砂土、粘性土、杂填土、湿陷性黄土等各类地基土。由于其具有设备简单、施工速度快、适用范围广、节约三材、经济可行、效果显著等优点，很快受到工程界的重视，并得以迅速推广取得了较大的经济效益和社会效益。

3、碎石桩法

碎石桩是指用振动、冲击和水冲等方式在软弱地基中成孔后将碎石桩挤压入土中，形成由碎石所构成的密实桩体。该方法自1937年德国人发明振动水冲法（振冲法）并将之用于挤密砂土地基后，在工程逐渐推广，因此一般认为采用振冲法在土中形成的密实碎石桩称为碎石桩。但是由于振冲法存在耗水量大和泥浆排放污染等缺点，在应用中受到较大限制，由此产生了一些新的施工工艺，如沉管法、干振法、夯击法等。现在所提及的碎石桩是指各种施工工艺制成的以石料组成的桩柱体。

这里简单介绍一下干振碎石桩，干振碎石桩是一种利用振动荷载预沉导管，通过桩管灌入碎石，在振、挤、压作用下形成较大密度的碎石桩。由于它克服了振冲法的严重缺陷，在我国得到较多应用。干振碎石桩处理液化地基属于物理加固方法，其加固液化地基的原理是：振密作用：在成桩过程中，激振器产生的振动通过导管传递给土层使其附近的饱和土地基产生振动孔隙水压力，导致部分土体液化，土颗粒重新排列趋向密实，从而起到振密作用。

挤密作用：下沉桩管时桩管对周围砂层产生很大的横向压力，将土体中等于桩管体积的土挤向周围土体使之密实，灌注碎石后振动、反插也使土体受到挤密，从而提高了地基的抗剪强度和抗液化性能。

排水减压作用：干振碎石桩在土层中形成良好的排水通道缩短土中排水路径，加速超孔

隙水压力的消散，增强了土体抗剪强度，因此在地震力作用下孔隙水压力不易积累增长，也就不会发生液化。

预振作用：研究表明，砂土液化的特性除了与土的相对密度有关外，还与其振动应变历史有关。干振碎石桩施工时的振动作用在使土层振密、挤密的同时还获得了预振，这对增强地基的抗液化的能力是极为有利的。

碎石桩的桩长确定应由处理深度而定，这与工程重要性以及地基液化程度密切相关。这时可遵循下列原则：

①当要求全部处理液化层时，桩长必须穿过液化层；但当液化层深度大于15m时，由于施工条件限制，可采用其他方法；

②当要求部分消除液化时，处理后的非液化土上覆复合地基厚度应满足液化初判的上覆土层厚度要求。

桩长的因素，也就限制了其使用条件，当液化深度过大时，可采用强夯法，但对于大面积处理可液化土而言，强夯法和干振碎石桩法都是是首选的处理手段。

4、砂桩法

砂桩也称为挤密砂桩或砂桩挤密法。是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后再将砂挤入土中，形成大直径的密实砂柱体的加固地基的方法。砂桩属于散体桩复合地基的一种。

砂桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基。对饱和粘土地基卜对变形控制要求不严的工程也可采用砂桩置换处理。砂桩还可用于处理可液化的地基。在用于饱和粘土的处理时，最好是通过现场试验后再确定是否采用。

砂桩在我国的应用始于50年代。起初，砂桩法用于处理松散砂土地基，视施工方法不同，又可分为挤密砂桩和振密砂桩两种，其加固原理是依靠成桩过程中对周围砂层的挤密和振密作用，提高松散砂土地基的承载力，防止砂土振(震)动液化。后来，国内外也逐渐将砂桩用来处理软弱粘性土，其加固原理是利用砂桩的置换作用和排水作用提高软弱地基的稳定性。砂桩在软弱地基中可形成砂桩复合地基，如对它再行加载预压，可进一步提高复合地基的承载力，减少地基沉降量，并改善地基的整体稳定性。在我国砂桩用于加固软弱粘性土地基有成功的经验，也有砂桩处理后的软弱粘性土地基在荷载作用下仍发生大的沉降的事例，如果不进行预压使大的沉降预先完成，则难以满足建筑物对沉降的要求。

砂桩自引入我国后，在工业及民用建筑、交通、水利等工程建设中均得到应用，有成功的经验，但也有达不到预期处理效果的情况，尤其在处理软弱粘性土时还缺乏经验，仍按砂土中的砂桩挤密原理进行设计，这显然是不妥当的，也是达不到预期处理效果的根本原因。国内在利用砂桩处理松散砂土、防止砂土液化方面取得了许多成功的经验，解决了一些工程实际问题。

近年来发展起来的一种砂桩施工新工艺——振动机管砂桩。振动沉管法是在振动机的振

动作用下，把套管打入规定的设计深度，套管入土后，挤密套管周围的土，然后再投入砂子，排砂于土中，振动密实、振动拔管成桩，多次循环后，就成为挤密砂桩。这种施工工艺处理效果较好，既有挤密作用又有振密作用，使桩与桩间土形成较好的复合地基，提高场地基承载力、防止了砂土液化、增大了软弱地基土的整体稳定性。目前，砂桩材料除单纯用砂子外，还有砂石桩、灰砂桩；用砂石料形成砂石桩，用灰砂料形成灰砂桩。灰砂桩随着时间的增加，土中固化作用提高，桩体强度也不断增加，能起到挤密地基、提高地基承载力的作用。砂石桩比纯砂桩桩身具有更好的颗粒级配、有更大的桩身密实度，单桩强度有所改进。砂桩适用于处理松砂、粉土、素填土、杂填土、粘性土地基等，可用于厂房和住宅等工业与民用建筑地基加固工程中。

三、结论

在本文所介绍的四种对于液化地基的处理方法中，强夯法和碎石桩法相对较为普遍，其更多适用与场地开阔地带。由于换填法可处理地基深度有限，所以只有在对地基要求满足的情况下才可运用，不过换填法施工简便，工期较短。砂桩对地基的加固效果类似于碎石桩，但在实际工程中的效果比碎石桩稍差，所以更多工程中选择碎石桩。随着地基处理技术的发展，一些新的技术和方法得到了应用，碎石桩和砂桩就出现了许多新工艺，在地基加固工程中所占地位也在逐渐提高。

参考文献：

【1】《地基处理》同济大学编。中国建筑工业出版社

【2】建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）。中国建筑工业出版社

【3】《地基与基础工程新技术实用手册》刘正峰编中国建筑工业出版社

【4】《强夯和强夯置换法加固地基》徐至钧、张亦农编著。机械工业出版社