如何处理液化场地

杨有

摘要：目前工程界对于地基处理方面的技术尚不成熟，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。

关键词：液化；场地；基地；处理

1.概述

场地土的液化是处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构，受到地震作用时将趋于密实，使空隙水压力急剧上升，而在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的空隙水压力来不及消散，使原有土颗粒通过接触点传递的压力减小，当有效压力完全消失时，土颗粒处于悬浮状态之中。这时，土体完全失去抗剪强度而显示出近于液体的特性，这种现象称为液化。

2.场地砂土液化的机理

饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受从砂土骨架转向水，由于粉和细砂土的渗透力不良，孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力值时，有效应力就降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生液化。砂土液化后，孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。如果砂土层上部没有渗透性更差的覆盖层，地下水即大面积溢于地表；如果砂土层上部有渗透性更弱的粘性土层，当超孔隙水压力超过盖层强度，地下水就会携带砂粒冲破盖层或沿盖层裂隙喷出地表，产生喷水冒砂现象。地震、爆炸、机械振动等都可以引起砂土液化现象，尤其是地震引起的范围广、危害性更大。

砂土液化的防治，主要从预防砂土液化的发生和防止或减轻建筑物不均匀沉陷两方面入手。包括合理选择场地；采取振冲、夯实、爆炸、挤密桩等措施，提高砂土密度；排水降低砂土孔隙水压力；换土，板桩围封，以及采用整体性较好的筏基、深桩基等方法。

3.液化土层地基处理的思路

由于好象设计和计算没有专门的公式，因为处理方法不同差别很大、处理程度更难掌握。首先，根据潜在液化层厚度和深度、建筑规模、当地技术水平选择合理的液化处理方法，然后，进行一些原位测试试验，如标贯和静力触探。液化判断时，可能液化层一般是标贯击数很低，而处理后明显提高，则表明处理效果好，再判断可能就不液化了，具体提高多少，需要根据实际测试结果，重新评价岩土参数。掌握以上思路就可以运筹帷幄。

4.基地抗液化措施

應根据构筑物的类别和地基的液化等级选择。除丁类构筑物外，不应将未经处理的液化土层作为天然地基持力层。

4.1全部消除地基液化沉陷的措施

主要是：（1）采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度（不包括桩尖部分），应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于0.5m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5m。（2）采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下的稳定土层中，其深度不应小于0.5m。（3）采用加密法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等）加固时，应处理至液化深度下界；振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于本节第4.3.4条规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。（4）用非液化土替换全部液化土层。（5）采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。

4.2部分消除地基液化沉陷的措施

主要是：（1）处理深度应使处理后的地基液化指数减少，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5；对独立基础和条形基础，尚不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值。（2）采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于按本节第4.3.4条规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。（3）基础边缘以外的处理宽度，应符合本节第4.3.7条5款的要求。

4.3减轻液化影响的基础和上部结构处理

可综合采用各项措施，主要是：（1）选择合适的基础埋置深度。（2）调整基础底面积，减少基础偏心。（3）加强基础的整体性和刚度，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形基础，加设基础圈梁等。（4）减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等。（5）管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。

5.处理可液化地基的方法

5.1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。

5.2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。

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。

5.3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，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。

5.4砂桩法

砂桩还可用于处理可液化的地基，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。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。

近年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。

6.结语

综上，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漸提高。