砂土液化的形成機(jī)制與防治措施

1、砂土液化的形成機(jī)制與防治措施摘要：簡(jiǎn)要敘述了砂土的液化機(jī)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(jī)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(shí)失掉強(qiáng)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(dòng)力作用下，砂土中孔隙水壓力上升，抗剪強(qiáng)度或剪切 剛度降低并趨于消失所引起的。1形成機(jī)制砂土受振動(dòng)時(shí)，每個(gè)顆粒都受到其值等于振動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀 態(tài)，它們之間必然產(chǎn)

2、生相互錯(cuò)動(dòng)并調(diào)整其相互位置，以便降低其總勢(shì)能最終達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)。 如振動(dòng)前砂體處于緊密排列狀態(tài)，經(jīng)震動(dòng)后砂粒的排列和砂體的孔隙度不會(huì)有很大變化，如 振動(dòng)前砂土處于疏松排列狀態(tài)，則每個(gè)顆粒都具有比緊密排列高得多的勢(shì)能，在振動(dòng)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(shí)只有砂土體積縮小而出現(xiàn)的覆陷”現(xiàn)象，不會(huì)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(shí)要變密就必須排水。地層的振 動(dòng)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(dòng)周期產(chǎn) 生的孔隙度瞬時(shí)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(gè)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(dòng)持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，剩余孔隙水壓會(huì)不斷累積而增大。當(dāng)達(dá)到總應(yīng)力值 時(shí)，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(dòng)液化，完全喪失強(qiáng)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(yùn)動(dòng)。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(qiáng)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(jī)械振動(dòng)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(dá)到或超過上覆砂層和水的重量時(shí)，砂土就會(huì)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(píng)價(jià)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(shí)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?yàn)槭杷傻纳巴令w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(shí)孔隙水又未能及時(shí)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(yùn)動(dòng)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(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)、爆破等動(dòng)力 作用下也會(huì)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(shí)，一

6、般都有剪縮現(xiàn) 象，都會(huì)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(huì)出現(xiàn)剪脹 現(xiàn)象。這是因?yàn)樯巴令w粒在大剪應(yīng)變時(shí)互相翻滾而使骨架體積增大。此時(shí)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(shí)， 可出現(xiàn)無限度”的流動(dòng)變形。3影響因素3.1砂土性質(zhì)對(duì)地層液化的產(chǎn)生具有決定性作用的，是土在地震時(shí)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(shí)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(dòng)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(duì)密度和砂土的粒徑和級(jí)配來表征砂土的液化條件。3.1.1砂土的相對(duì)密度從動(dòng)三軸試驗(yàn)得知，松砂極易完全液化，而密砂則經(jīng)多次循環(huán)的動(dòng)荷載后也很難達(dá)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(gè)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(duì)密度Dr。3.1.2砂土的粒度和級(jí)配砂土的相對(duì)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(duì)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(shí)，土的動(dòng)力穩(wěn)定性將有所增加。 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001)采用粘粒含量來反映細(xì)顆粒土對(duì)土的抗液化強(qiáng)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(dòng)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(shí)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(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間引起砂土液化的動(dòng)力是地震加速度，顯然地震愈強(qiáng)、加速度愈大，則愈容易引起砂土液化。 簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)砂土液化的地震強(qiáng)度條件的方法是按不同烈度評(píng)價(jià)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(shí)，可 考慮全部挖除；液化土層較深時(shí)，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(duì)密實(shí)度以降低其液化，是一種被廣泛采用的方法。對(duì)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(qiáng)夯法等。4.3排水利用排水使砂土地基含水量下降，地震時(shí)土體超孔隙水壓力的累積受到限制，降低其液化勢(shì)。 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(shí)不易液化的特點(diǎn)，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(diǎn)。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(shí)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(shí)，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(shí)再布置一些礫石排