砂土液化及其工程处理措施.doc

建筑结构抗震设计—课程论文

题目
结构抗震体系选择及延性改善方法

学生姓名 徐健峰
学 号 09143524
院 系 工学院土木系
专 业 土木工程
课程老师 梁超锋
完成日期 -5-30
砂土液化及其工程处理方法
摘 要: 文中介绍了砂土液化机理及影响液化原因, 叙述了砂土地震液化判别方法及出现部分问题, 并提出各类建筑工程抗液化方法, 以供参考借鉴。
关键词: 液化判别; 液化指数; 液化等级; 抗液化方法

引言
饱和砂土在地震、 动荷载或其外力作用下, 受到强烈振动而丧失抗剪强度, 使砂粒处于悬浮状态, 致使地基失效作用或现象为砂土液化。[1]中国地处环太平洋地震带和喜马拉雅一地中海地震带之间, 属于地震易发区域。地震时, 饱和砂土及粉土液化常引发建筑物沉降、 倾斜、 甚至毁灭性破坏。近10 多年来, 地球上发生多起大地震, 如1995 年神户大地震、 1999年土耳其地震及 年中国四川汶川“5.12”大地震, 都有大量砂土液化发生, 同时伴有不一样程度喷水冒砂, 造成地面下沉、 大规模滑坡以及结构地基基础破坏, 给国家和人民群众带来了重大损失。震害经验表明, 土壤液化是造成工程结构破坏关键原因之一。

二、 砂土液化机理及影响液化原因
1．液化形成机理
一、 砂土液化机理饱和松散砂土在强烈地震作用下会产生急剧状态改变和强度丧失,造成地面和建筑物破坏,此即所谓液化现象。饱和砂土是由砂和水组成复合体系,在振动作用下,饱和砂土液化取决于砂和水特征[2]。饱和状态砂土, 在承受一定强度振动作用时, 会由原来结构稳定状态向类似粘滞液状态改变。砂土液化外观现象之一是喷砂冒水。喷砂点有成群, 有成带。喷出砂堆直径大者数米至十几米, 小者仅数十厘米。因为地基液化, 使高耸建筑物倾斜, 民用房屋局部下沉。
2．影响砂土液化关键原因
（1）土性: 关键包含土颗粒组成、 颗粒形状、 土密度等。土颗粒越粗, 平均粒径越大, 动力稳定性就越高。所以粗、 中、 细、 粉砂液化可能性逐层增大。同一级砂土中, 颗粒级配越好, 即不均匀系数Cu 越大, 动力稳定性就越高, 而Cu 超出10 砂土通常较难发生液化。土中粘粒含量越高, 粘性越大, 土越不易液化, 土粘性能使土粒维持稳定, 当土粘粒含量（粒径小于0．005mm 颗粒）百分率, 在抗震设防烈度7 度、 8 度和9 度分别大于10、 13 和16 时, 可判为不液化土。[3]砂土密度是影响动力稳定性根本原因, 土密度越高, 液化可能性越小。因为土相对密度与标准贯入击数N 之间存在直接联络, 所以规范利用N 值来判别砂土液化可能性和确定液化等级。
（2）埋藏: 饱水砂层越厚, 地震变密时所产生超孔隙水压力越大, 有可能排挤出孔隙水, 则越易液化。液化砂层埋藏较深, 当上覆以较厚非液化粘性土层时, 因为受到较大覆盖层自重压力和侧压力, 孔隙水压力极难上升到足以克服覆盖层压力程度, 所以抑制了液化, 而直接出露于地表饱水砂层最易于液化。[5]另外, 当薄层饱和砂层与粘性土层互层时, 极少发生液化。因为地下水位以下土悬浮减重, 地下水埋深越大, 越不易液化, 反之越易液化。通常饱水砂层埋深大于20m 时难于液化。依据规范, 20m 以下不考虑地震液化问题。[4]
（3）动荷: 关键指动荷波形、 振幅、 频率、 连续时间以及作用方向等。地震强度和历时是砂土液化动力。显然, 地震越强、 历时越长, 则越易引发砂土液化, 而且波及范围越广, 破坏越严重。砂（粉）土对液化抵御能力在冲击型波作用时最大, 振动型波作用时次之, 正弦波作用时最小。

三、 砂土地震液化判别
1．地震液化判别方法
从工程抗震设计要求及地层土物理力学性质, 对饱和粉、 细砂及粉土优异行初步判定。依据《建筑抗震设计规范》（GB50011—）判定有液化可能性, 须深入判定并给出液化等级, 关键有以下方法: ① 标准贯人试验判别; ② 静力触探试验判别; ③ 剪切波速试验判别; ④ 土相对密实度判别。[6]
2．地震液化判别问题
地震液化是由多个内因（土颗粒组成、 密度、 埋深条件、 地下水位、 沉积环境和地质历史等）和外因（地震动强度、 频谱特征和连续时间等）综合作用结果。现在多种判别液化方法都是经验方法, 都有一定不足和模糊性。如标准贯人试验本身试验方法就不够标准, 其方法影响原因较多（地层厚度划分正确性、 标贯试验操作规范性、 钻杆长度正确性及钻杆型号等）, 所以标贯试验击数离散性较大, 但液化判别公式（抗震规范公式）是在数次地震实测基础上建立起来经验公式, 所以标贯试验判别还是最基础方法。但行业规范、 地方性规范、 勘察规范等都列出了用静力触探、 剪切波速试验判别液化经验公式, 这些测试比较标准稳定, 所以液化判别应强调“综合判别”。
3．先横后纵判别方法
因为用标贯试验判别液化时离散性较大, 受人为原因干扰较强, 所以规范要求每个场地判别液化勘探点不应少于3 个, 需作判别土层中, 试验点竖向间距为1．0 m～1．5m, 每层土试验点数不宜少于6 个。判别过程中首先要分好土层, 如同一层土中试验点判别结果只有少数点（通常控制在1／4 百分比）判别为液化, 则可认为这层土为非液化土层; 反之为液化土层, 然后按钻孔纵向（同一钻孔、 几层土）计算液化指数, 计算过程中假如横向判别确定为非液化土层, 则在竖向计算液化指数时可不考虑这土层液化问题。这就是液化判别中先横后纵判别方法。

四、 各类建筑工程抗液化方法
1．地基抗液化方法
对于地基抗液化方法应依据建筑关键性、 地基液化等级, 结合具体情况综合确定。[7]
（1）对于抗震设防为乙类建筑, 液化等级为严重, 应全部消除液化沉陷方法; 液化等级为中等, 可采取全部消除液化沉陷方法, 或部分消除, 但对基础和上部结构应处理; 液化等级为轻微, 可部分消除, 或对基础和上部
结构处理。
（2）对于抗震设防为丙类建筑, 液化等级为严重, 可全部消除或部分消除液化方法且对基础和上部结构处理; 液化等级为中等, 对基础和上部结构处理, 或更高要求方法; 液化等级为轻微, 对基础和上部结构处理, 亦可不采取方法。对于抗震设防为丁类建筑, 液化等级为严重, 对基础和上部结构处理或其她经济方法; 液化等级为中等和轻微, 可不采取方法。
2．全部消除液化方法
（1）采取桩基础: 桩基端部进入液化深度以下稳定土层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, 对其她非岩石土不应小于1．5m。
（2）采取深基础: 基础底面应埋入液化深度以下稳定土层中, 深度大于0．5m。
（3）采取挤密法: 挤密法振冲法、 砂石桩法、 强夯置换法、 灰土或土挤密桩法等, 处理深度应至液化深度下界, 同时桩问土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。
3．部分消除地基液化沉陷方法
（1）处理深度应使处理后地基液化指数减小, 当判别深度为15m 时, 其值不宜大于4; 当判别深度为20m 时, 其值不宜大于6; 对独立基础和条基, 不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度较大值。
（2）采取挤密法加固时, 其桩间土标贯实测击数N值应大于临界击数N 值。
4．减轻液化影响可综合采取方法有:
（1）选择适宜基础埋置深度;
（2）调整基础面积, 减小基础偏心;
（3）加强基础整体性和刚度, 如箱基、 筏基或交叉条形基础, 加设圈梁等;
（4）减轻荷载, 增强上部结构整体刚度和均匀对称性, 合理设置沉降缝, 避免采取对不均匀沉降敏感结构等;
（5）管道穿过建筑物处应预留足够尺寸或采取柔性接头。

五、 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。建筑场地应尽可能避开可能液化土层分布地段, 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地段作为建筑场地。建于液化砂基上建筑物, 若为层数少低层或多层建筑, 以筏片基础为宜, 若为高层建筑, 则不能将基础砌置于上部液化砂层中, 应采取桩基础, 使桩长穿过液化砂层, 而
浅摩擦桩震害严重, 切不可采取。液化砂土地基处理方法较多, 关键有振动法、 排渗法、 强夯法、 爆炸振密法、 换土或增加盖重。伴随技术进步和工程实践积累, 相关液化判别方法, 不一样行业、 地域都会有自己经验或标准, 而液化砂土层处理方法也会采取更多新方法、 新工艺。
参考文件
[1] 陈仲颐, 周景星, 王洪瑾编著.土力学[M].北京: 清华大学出版社, 1994.
[2] 尤昌龙,杨振茂 砂土液化危害及地基处理方法探讨 [J]; 世界地震工程; 03期
[3] 常士骠, 张苏民主编.工程地质手册（第四版）[M].中国建筑工业出版社, .
[4] 《建筑抗震设计规范》（GB50011-, 版）
[5] 刘金韬, 金晓媚．饱和砂土液化判别方法中问题浅析[J]．地质工程学报, , 8(3): 379-384．
[6]《建筑抗震设计规范》（GB50011—）
[7] 顾宝和、 张荣详、 石兆吉.1995.地震液化效应综合评价.工程地质学报,(3).