地基土液化机理和抗液化措施

□ 付海水 □ 邹荣福 □ 任云峰

（1河南省水利勘测设计研究有限公司 2信阳市罗山县石山口水库灌区管理局）

0 引言

关于土体液化问题，前人马期洛夫，黄文熙，Seed等曾有过重要论述，美国土木工程师学会岩土工程分会，土动力学委员会正式定义液化为:将任何物质转变为液化态的作用或过程在无粘性土，这种转变是因孔隙水压增加和有效应力减少所导致的从固态至液态的变化。为对其有一个清晰的认识，作者对土液化机理进行了梳理，并分析了影响液化的多种因素，针对液化机理及影响因素，提出了有针对性的处理措施。

1 土液化机理

1.1 松砂的液化

饱和松砂土由砂颗粒与孔隙水组成，砂颗粒在静力长期作用下处于一种骨架状态，承受着外部荷载。当土中不存在凝聚力时，砂的抗剪强度为，式中为有效应力。当土体比较松散时，受到振动后，土的骨架必然相互靠紧产生变形，当砂土饱和而孔隙水又不能排出时，部分围压即转嫁于孔隙水，从而产生孔隙水压力，这时土体承受的有效应力降低，所以砂土的抗剪强度随之下降。当围压全部转嫁于孔隙水之后，即孔隙水压力等于围压，土体抗剪强度为0。这时砂土剪切刚度G为0，不能承受任何剪应力，在无封闭时砂与水的混合物会流动，与液体性能相同，所以称为液化。其宏观现象为“冒水，喷砂或流滑”。

上述现象一定要在不排水情况下才能发生。当可排水时，在振动过程中土骨架加密，部分原来由骨架承受的外力向孔隙水转嫁，立即产生水的渗透流动，压力加不到水上去，所以只能产生土骨架压密，孔隙水流动，土体积减小而不产生液化现象。

1.2 少粘土的液化

受振动的少粘性土在不排水条件下，土体承受的总压力逐步为孔隙水所代替。由于粘性颗粒的存在，少粘性土透水性小于砂类土会使土体某些局部形成的较高孔隙水压不能立即传递到附近孔隙水压低的地方，而致该处孔隙水压升高到等于围压，所以即使某一点的有效应力完全丧失，但作为土体整个截面还有一些局部仍处于部分液化状态，土体的抗剪强度并未完全丧失，变形不致无限增长；另一方面，由于粘性颗粒的存在，土体具有一定的凝聚力（c），此凝聚力在振动过程中可能会有所降低，但不完全丧失。由静力学抗剪强度理论可知:少粘性土的抗剪强度，式中右力第一项代表那些有效应力尚未完全消失的部分，第二项c代表振动后仍然保留的那部分凝聚力。因此最后的现象是，粘性土在振动作用下，可能在某一时段内并未完全在土体内消失，凝聚力不为0，所以土抗剪力并不完全消失，变形不会无限加大，因此上述砂土液化的定义不能照搬，而采用按照变形定义的液化，其宏观现象“地基土变形加大或失稳”。

1.3 密砂的液化——循环流动液化

对中密或密实的饱和砂土进行同样的试验，在初始阶段，情况与松砂相似，孔隙水压逐步拉高而达到很大，变形也逐步加大；但是当振动继续时，孔隙水压波动状态变化，上升峰点可以达到极大值，即达到围压，但由于密砂在振动时有变松的趋势，即产生膨胀现象，又使孔隙水压下降，从而阻止变形进一步加大；砂土愈密则此现象愈明显，土体的变形也愈小。

从宏观来看，可以认为这是由于在循环作用中的剪缩与剪胀交替变化引起的，从而形成了间歇性瞬态液化和有限度断续变形的格局，对于只有剪缩而无剪胀的饱和松砂，则不会出现这种现象。

循环液化的后果是变形的逐次累积，当变形累积到一定容许变形量后，则被评为破坏。在实际地震中很少能发现这种现象发生是因为，由于砂土密实性的不均一性，在一次强震中，由于密砂的剪胀效应使得与之相临的松砂得以挤密或使其液化程度得以减轻，当下一次强震来临时，原来密砂液化，而原来液化砂因挤密而不液化。

2 液化影响因素

砂土液化的影响因素很多，归纳起来有3大类。

2.1 动荷载条件

主要有地震动强度、频谱特征、持续时间和方向等。

2.2 埋藏条件

上覆盖层特征、地形、沉积环境、液化历史、初始应力（自重、构造应力、温度应力、孔隙水压力、）和地下水等。

2.3 土性条件

土的粒径大小（d50）、颗粒级配（Cu）、土粒形状、相对密度、饱和度、渗透性、土粒结构性、固结史等。

3 抗液化措施

3.1 避让

在选择建筑场地时，如果有可能，尽量不要把建筑物放在易发生液化的地段，即地下水位高、饱和砂层埋藏深度浅、相对密度低、颗粒级配差、覆盖层薄等地段。

3.2 换填

如果可能液化的范围不大时，可用挖除换填法，即将可能液化的土层挖除并用非液化土置换。若液化土层较深时，可考虑部分挖除。

3.3 疏干、降排水

采取防渗、排渗、反滤及加反滤盖重等方法，以达到降低地下水位，利于孔隙水的排出和防止土颗粒流失等作用，可有效防止砂沸的发生。

3.4 压重

通过增加上覆盖层厚度来提高围压，使土不易液化。这种方法较简便，但要注意两点，一是它虽然可能增加土颗粒间的有效压应力，但仍存在发生液化的可能性；二是压重若设计不当，而使初始剪应力比增大则将更易被触发液化。

3.5 加固

如果可能液化的范围较广较深时，只能采取加固的措施。目前常用的加固方法有深层压密:振动挤密，爆破，振动置换砂石桩，强夯等；注液与灌浆:压实灌浆，化学灌浆，电动注液，喷射灌浆和深层搅拌等。

3.6 桩基

采用桩身穿过液化土层，打入可靠的非液化土层，以起支撑、围封等作用。对于抗液化的具体方法很多，但大多不是单独采用的，根据需要采用两种或多种方法联合使用，则能起到事半功倍的效果，如压重与围封联合使用处理砂沸效果更好，压重与降排水联合使用，加固和降排水联合使用等都取得了较好效果。

4 结语

饱和无粘性土液化本质是因孔隙水压增加和有效应力减少所导致的从固态至液态的变化；粘性土在振动作用下，可能在某一时段内并未完全在土体内消失，凝聚力不为0，所以土抗剪力并不完全消失，变形不会无限加大，因此采用按照变形定义的液化；密实砂的液化属循环流动液化，是指瞬态和重复的液化状态，其后果是变形的累积；抗液化措施应根据场地土特性和主要影响因素而采取对应措施，除了防止喷砂、冒水须用渗流控制方法以外，最基本和有效的工程措施是土体加密和固化，以及排水和疏干；少粘性的液化危害是地基土的失稳和变形增大，故对少粘性土液化的处理措施主要是提高地震时地基土抗剪强度和控制变形量，最基本和有效的工程措施是土体加密和固化。