[科普中国]-土壤液化

简介

土壤液化为一类地盘破坏的方式。土壤液化主要发生在砂质土壤为主并且地下水位较高的区域，例如海岸地区、河水行经的冲积平原区或旧河道分布区等。这些区域常分布一些充满地下水而饱和的疏松砂土，由于它们本身的结构较弱，很容易因为外力而发生土壤结构的改变。

在平时，地下水的压力与土壤层间的压力维持一个平衡状态，地下水与土壤层之间保持接口上的稳定，并不会侵入上面的土层。但是当地震发生受到应力的影响时，地下水的移动情形将大过砂土能将多余水分排出的速率。这时土体孔隙中的水压力，由于来不及消散而累积上升，并导致土壤剪力强度降低。当此情形继续演变，孔隙水压会增大到足以使土粒在孔隙水中悬浮，这时土层颗粒的承载力顿时会被水给取代，土壤结构内部会变成像液体一样可以流动的情形，最终导致整个地盘失去承载力并且大量变形。此时若砂土层液化的位置较浅，或者地表分布疏松的孔隙，泥水还可借着压力沿着裂隙喷发到地表，形成喷砂的现象。这是地面上判别土壤液化十分重要的指标。土壤液化发生的区域容易造成地上建筑物的倾斜、下陷、结构性损坏、甚至倒塌的情形。因此经过地质调查容易发生土壤液化的区域是不宜进行建筑开发的。

最容易发生的液化的土壤是年代比较轻（冰河时期，近一万年）的细沙，或颗粒相当且排列整齐的泥土中，地层只有数尺厚，富含水分。这样的地形通常可以在河岸、海岸或因风力而堆积而成的沙丘中找到。土壤液化的例子包括流沙、流粘土、浊流和地震液化。1

土壤液化的机理和危害大量实验和历史表明，土壤液化有两个必要的条件：一是土壤必须处于饱和状态；二是要有一定条件的动荷载作用。但是并不是所有具有上述两个条件的土壤都能液化。饱和的土在受到动荷载的往复剪切作用下，颗粒排列将趋于密室（剪缩性），如果土的透水性很差的话，土壤的孔隙水压力将会很难排出，从而导致孔隙水压力急剧上升，土壤的有效应力却在减小，当孔隙水压力与土壤的固结压力相等时，有效应力减小于零，土的抗剪强度完全消失，处于没有抵抗外荷载能力的悬浮状态，土壤就发生了液化。

发生液化的土类主要有两种：砂土和粉土。因为他们的透水能力很弱，而且粘聚力也很弱。碎石、砾石、砾砂的渗透性好，抗剪强度也很高，很少发生液化。粘土和粉质粘土间有黏性亦不易液化。中、粗、砾砂也常发生液化，但比粉、细砂和粉土要少些。砾石虽透水性好，但如果地震动很强或上覆透水性很差的土层，也可能发生液化。

地震、波浪、车辆、机器振动、打桩以及爆破等都可能一起饱和砂土或粉土的液化，其中又以地震引起的大面积甚至深层的土体液化的危害性最大，它具有面广、危害重等特点，常能造成场地的整体性失稳。因此，近年来一起国内外工程界的普遍重视，成为工程抗震设计的重要内容之一。

地震引起砂土壤液化造成的灾害宏观表现主要有：

1.喷砂冒水 液化土层中出现相当高的孔隙水压力，会导致低洼的地方或土层缝隙处喷出砂、水混合物。喷出的砂粒可能破坏农田，淤塞渠道。喷砂冒水的范围往往很广，持续时间可达几个小时甚至几天，水头可达2~3m。

2.震陷 液化喷砂冒水会带走大量土颗粒，地基产生不均匀沉陷，使建筑物倾斜、开裂甚至倒塌。

3.滑坡 在岸坡或坝坡中的饱和砂粉土层，犹豫液化而丧失抗剪强度，使土坡失去稳定，沿着液化层滑动，形成大面积滑坡。

4.上浮 贮罐、管道等空腹埋置结构可能在周围土体液化是上浮，对于生命线工程来讲，上浮常常引起严重的后果。1

液化地基处理措施我国是一个多地震国家，也是世界上地震灾害最严重的国家 ,地震经常威胁着工程安全。当前我国正处在新的地震活跃期，地震发生频率增大，这对我国正在蓬勃发展的基础设施建设构成了严重威胁。因此，在地震多发地区修建建筑物或构筑物，必须对可能液化土体进行处理。工程上采用的抗震措施一般分为两种，一种是全部消除地基液化沉陷措施，二是部分消除地基液化沉陷措施。根据建筑物的重要性、地基的液化等级，结合具体情况综合确定选择全部或部分消除液化沉陷。

综合各种法的性质和抗震的机理，地基液化的措施大致分为三类：

（一）采用桩基础（非摩擦桩）或者是深基础避开液化土层，这类方法能完全消除地基液化沉陷造成的危害。

桩基础由若干根桩和承台两部分组成，它将承台以上结构物传来的外力通过承台，由桩传到较深的地基持力层中去，承台将各桩联成一个整体共同承受荷载。桩直接穿过可能液化的土层，桩端深入承载力较高的土层，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小于0.5m，对其他非岩石土类尚不小于1.5m。在土体液化时，虽然一部分土体液化，但是上部荷载依然能通过桩传到较深的持力层。建筑物从而避免了沉陷。

深基础能避免沉陷造成的危害的机理和桩基础大致相同，深基础的底面放在位于液化深度以下的稳定土层上，其深度不应小于0.5m。

（二）采用挤密法：强夯法；振冲加密法；挤密碎石桩法等

1.强夯法 强夯法利用重夯锤，高落距产生的高夯击能给地基一冲击力，在地基中长生冲击波，振密，挤密地基土体。当夯击时，夯锤对地基浅部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对夯坑周围的土体进行动力挤压，夯坑四周地表可能产生隆起。

细颗粒饱和土多采用动力固结，动力固结的主要机理是巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。

对饱和无粘性土地基，在冲击力作用下，土体可能会产生液化，其压密过程同爆破和振动密实的过程类似，挤密，振密效果也是明显的。对饱和粘性土地基，在锤击作用下，在夯击点附近地基土体结构破坏，产生触变，在一定范围内的地基土体将产生超孔压，并且逐渐消散，地基土固结，孔隙比减小，强度提高。

2.振冲加密法 振冲法是利用振冲器的高频振动和高压水流，边振边冲，将振冲器在地面预定桩位处沉到地基中设计的预定深度，形成桩孔。经过清孔后，向孔内逐段填入碎石，每段填料在振冲器振动作用下振挤、密实。然后提升振冲器，再向孔内填入一段碎石，再用振冲器将其振挤密实。通过重复填料和振密，在地基中形成碎石桩桩体。

振冲法一方面依靠振冲器的振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列孔隙减小，另一方面依靠振冲器的水平振动力，加回填料使砂层挤密，从而达到提高地基承载力，减小沉降，并提高土体抗液化能力。

3.挤密碎石桩法 砂石桩法主要通过挤密、排水减压和砂基预震来提高地基承载力，减小沉降。

挤密作用是指在采用沉管法或干振法，会在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力，桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层，使桩管周围的砂层孔隙比减小，密实度增大。在采用振冲挤密桩施工过程中由于水冲使松散砂土处于饱和状态，砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化并重新排列致密，且在桩孔中填入大量粗骨料后，被强大的水平振动力挤入周围土中，这种强制挤密使砂土的相对密实度增加，孔隙率降低，干密度和内摩角增大，土的物理性能改善，地基承载力在幅度提高。

排水减压作用是指对砂土液化机理的研究证明，当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时，将发生体积的收缩和趋于密实，在砂土无排水条件进体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升。当砂土中的有效应力降低为零时便形成了完全液化。碎石桩加固砂土时，桩孔内充填碎石等反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化，并可加快地基的排水固结。

砂基预震效应是指在一定应力循环次数下，当两试样的相对密实度相同时，要造成经过预震的试样发生液化，所需施加的应力要比施加未经预震的试样引起液化所需应力值提高46%，从而得出了砂土液化特性除了与砂土的相对密实度有关外，还与其振动应变史有关的结论。在振冲法施工时，振冲器的振动作用使地基土获得强烈的预震，这对砂土增强抗液化能力是极为有利的。2