砂土液化的形成機制與防治措施

1、砂土液化的形成機制與防治措施摘要：簡要敘述了砂土的液化機制、液化類型以及影響因素，分析了防止液化常用的地基處 理方法，并指出液化土的加固處理是抗震工程的重要組成部分，應(yīng)引起重視。關(guān)鍵詞：砂土液化；機制；類型；地基處理砂土液化是指飽水的粉細(xì)砂或粉土在地震力的作用下瞬時失掉強度，由固態(tài)變成液體狀態(tài)的 力學(xué)過程。砂土液化主要是在靜力或動力作用下，砂土中孔隙水壓力上升，抗剪強度或剪切 剛度降低并趨于消失所引起的。1形成機制砂土受振動時，每個顆粒都受到其值等于振動加速度與顆粒質(zhì)量乘積的慣性力的反復(fù)作用。 由于顆粒間沒有內(nèi)聚力或內(nèi)聚力很小，在慣性力周期性反復(fù)作用下，各顆粒就都處于運動狀 態(tài)，它們之間必然產(chǎn)

2、生相互錯動并調(diào)整其相互位置，以便降低其總勢能最終達到最穩(wěn)定狀態(tài)。 如振動前砂體處于緊密排列狀態(tài)，經(jīng)震動后砂粒的排列和砂體的孔隙度不會有很大變化，如 振動前砂土處于疏松排列狀態(tài)，則每個顆粒都具有比緊密排列高得多的勢能，在振動加速度 的反復(fù)荷載作用下，必然逐步加密，以期最終成為最穩(wěn)定的緊密狀態(tài)。如果砂土位于地下水位以上的包氣帶中，由于空氣可壓縮又易于排出，通過氣體的迅速排出 立即可以完成這種調(diào)整與變密過程，此時只有砂土體積縮小而出現(xiàn)的覆陷”現(xiàn)象，不會液化。 如果砂土位于地下水位以下的飽水帶，情況就完全不同，此時要變密就必須排水。地層的振 動頻率大約為12周期/秒，在這種急速變化的周期性荷載作用下，

3、伴隨每一次振動周期產(chǎn) 生的孔隙度瞬時減小都要求排擠出一些水，如砂的滲透性不良，排水不通暢，則前一周期的 排水尚未完成，下一周期的孔隙度再減小又產(chǎn)生了。應(yīng)排除的水不能排出，而水又是不可壓 縮的，所以孔隙水必然承受由孔隙度減小而產(chǎn)生的擠壓力，于是就產(chǎn)生了剩余孔隙水壓力或 超孔隙水壓力。前一個周期的剩余孔隙水壓尚未消散，下一周期產(chǎn)生的新的剩余孔隙水壓力 又迭加上來，故隨振動持續(xù)時間的增長，剩余孔隙水壓會不斷累積而增大。當(dāng)達到總應(yīng)力值 時，有效正應(yīng)力下降到0，顆粒懸浮在水中，砂土體即發(fā)生振動液化，完全喪失強度和承載 能力。砂土發(fā)生液化后，在超孔隙水壓力作用下，孔隙水自下向上運動。如果砂土層上部無滲透性

4、 更弱的蓋層，地下水即大面積地漫溢于地表；如果砂土層上有滲透性更弱的粘性土覆蓋，當(dāng) 超孔隙水壓力超過蓋層強度，則地下水?dāng)y帶砂粒沖破蓋層或沿蓋層已有裂縫噴出地表，即產(chǎn) 生所謂的噴水冒砂”現(xiàn)象。地基砂土液化可導(dǎo)致建筑物大量沉陷或不均勻沉陷，甚至傾倒，造成極大危害。地震、爆破、 機械振動等均能引起砂土液化，其中尤以地震為廣，危害最大。2砂土液化的類型2.1滲透壓力引起的液化（或稱砂沸）當(dāng)砂土下部孔隙水壓力達到或超過上覆砂層和水的重量時，砂土就會因喪失顆粒之間的摩擦 阻力而上浮，承載能力也全部喪失。砂沸主要來自滲透水壓力的作用。在土力學(xué)中常把它列 入滲透穩(wěn)定問題的范疇，但從它的物質(zhì)狀態(tài)評價也屬于液化范

5、圍。常見于地面無載荷的天然 條件下的砂層，也可發(fā)生于開挖基坑底面。地震時出現(xiàn)的地面噴水冒砂現(xiàn)象主要就是下部砂 層發(fā)生液化造成的。2.2單向加載或剪切引起的液化（或稱流滑）主要是因為疏松的砂土顆粒骨架在單向剪切作用下發(fā)生不可逆的體積緊縮（即剪縮作用）， 同時孔隙水又未能及時排出，因而引起孔隙水壓力上升和有效應(yīng)力下降，直至轉(zhuǎn)化為液體狀 態(tài)造成的。這種現(xiàn)象大多出現(xiàn)在海岸或河岸以及土壩的飽和砂土邊坡中。2.3往返加載或剪切引起的液化（又稱往返運動性液化）大都表現(xiàn)為大地震中飽和砂土地基和邊坡的液化破壞。此外，在機器基礎(chǔ)振動、爆破等動力 作用下也會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。飽和砂土在往返剪切作用下，當(dāng)剪應(yīng)變很小時，一

6、般都有剪縮現(xiàn) 象，都會引起孔隙水壓力上升。但是隨著剪應(yīng)變的增大，中等密度以上的砂土就會出現(xiàn)剪脹 現(xiàn)象。這是因為砂土顆粒在大剪應(yīng)變時互相翻滾而使骨架體積增大。此時孔隙水壓力相應(yīng)下 降，而有效應(yīng)力和剪阻力則相應(yīng)回升，從而抑制了砂土繼續(xù)變形。經(jīng)過多次往返剪切，在小 剪應(yīng)變段由于剪縮量和孔隙水壓力的累積，便可以出現(xiàn)液化狀態(tài)，而當(dāng)飽和砂土足夠松時， 可出現(xiàn)無限度”的流動變形。3影響因素3.1砂土性質(zhì)對地層液化的產(chǎn)生具有決定性作用的，是土在地震時易于形成較高的剩余空隙水壓力。高的 剩余空隙水壓力形成的必要條件，一是地震時砂土必須有明顯的體積縮小從而產(chǎn)生空隙水的 排水。二是向砂土外的排水滯后于砂體的振動變密

7、，即砂體的滲透性能不良，不利于剩余空 隙水壓力的迅速消散，于是隨荷載循環(huán)的增加空隙水壓力因不斷累積而升高。通常以砂土的 相對密度和砂土的粒徑和級配來表征砂土的液化條件。3.1.1砂土的相對密度從動三軸試驗得知，松砂極易完全液化，而密砂則經(jīng)多次循環(huán)的動荷載后也很難達到完全液 化。也就是說，砂的結(jié)構(gòu)疏松是液化的必要條件。表征砂土的疏與密界限的定量指標(biāo)，過去 采用臨界孔隙度。這是從砂土受剪后剪切帶松砂變密而密砂變松導(dǎo)出的一個界限指標(biāo)，即經(jīng) 剪切后即不變松也不變密的孔隙度。目前常用的是相對密度Dr。3.1.2砂土的粒度和級配砂土的相對密度低并不是砂土地震液化的充分條件，有些顆粒比較粗的砂，相對密度雖然

8、很 低但卻很少液化。3.1.3粘粒含量的影響砂土中的粘粒(粒徑小于0.005mm)含量增加到一定程度時，土的動力穩(wěn)定性將有所增加。 建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011-2001)采用粘粒含量來反映細(xì)顆粒土對土的抗液化強度的影響。3.1.4砂土結(jié)構(gòu)性的影響飽和砂土的結(jié)構(gòu)性包括許多方面，如原狀飽和砂土受擾動的影響、重新制備飽和砂土試樣成 型方法和靜應(yīng)力作用持續(xù)時間的影響、飽和砂土沉積環(huán)境異樣引起的結(jié)構(gòu)性影響。3.2地震強度及持續(xù)時間引起砂土液化的動力是地震加速度，顯然地震愈強、加速度愈大，則愈容易引起砂土液化。 簡單評價砂土液化的地震強度條件的方法是按不同烈度評價某種砂土液化的可能性。4防止砂土液化

9、的處理方法4.1挖換挖去上部已液化土層，并用非液化土回填防止下部砂層的液化破壞。當(dāng)液化土層較淺時，可 考慮全部挖除；液化土層較深時，可考慮部分挖去，但部分挖除后下部土體是否液化是值得 考慮的問題。4.2加密通過增加砂土的相對密實度以降低其液化，是一種被廣泛采用的方法。對于飽和砂土的加密 常采用直接振密法、碎石樁法、砂石樁法、爆炸振密法、強夯法等。4.3排水利用排水使砂土地基含水量下降，地震時土體超孔隙水壓力的累積受到限制，降低其液化勢。 目前工程界有兩種排水方法：降低地下水位法，礫石排水樁法。4.4上覆壓重利用在土體上覆加壓時不易液化的特點，通常在砂土地基表面覆蓋一層由非液化土組成的壓 重蓋層，來抑制其下土體的液化。壓重蓋層的厚度是其探討的重點。4.5圍封用板樁、礫石樁、地下連續(xù)墻等手段將結(jié)構(gòu)物地基四周包圍起來，限制砂土液化時發(fā)生側(cè)移， 使地基的剪切變形受到約束，避免大的沉陷導(dǎo)致建筑物破壞。使用圍封處理措施時，板樁必 須有足夠的深度，以穿越可液化砂層為宜，否則圍封措施起不到應(yīng)有的作用。如果在采用圍 封措施的同時再布置一些礫石排