砂土地震液化及其防治

砂土地震液化及其防治
牛瑞利
摘 要:针对砂土振动液化这一现象,分析了引起砂土液化的原因,介绍了防治砂土地震液化的方法以及处理液化地基的措施,从而提高砂土的抗液化能力,防止或减轻地震时对建筑物的破坏。

关键词:砂土液化,振冲加密法,强夯法
中图分类号:T U412.3文献标识码:A
砂土振动液化并不是一种罕见的现象。

当在河边沙滩上漫步行走时,往往感到沙滩仍然比较坚实。

但是,如果站在一处原地踏步或颤动,就会发现水向外渗,砂土迅速变软,泥砂流动,脚向下沉陷,这就是砂土液化现象。

地震、机器的振动、打桩、爆破以及海洋的波浪,都可能引起砂土液化。

砂土振动液化,就是处于饱和状态的砂土(特别是粉、细砂),受到一定强度的振动时,在动力的作用下,砂土有被振密的趋势。

这种快速的密实趋势,使砂土孔隙中的水压力逐渐上升而来不及消散,致使原来由砂粒通过接触点所传递的应力(称为有效应力)减小。

当有效应力完全消失时,土的抗剪强度为零,就丧失承载力。

这时,土颗粒在失重状态随水漂流。

这种在振动作用下,因孔隙水压力上升使砂土完全丧失抗剪强度,成为流动状态的现象,称为砂土的振动液化。

砂土液化的外观现象之一是喷砂冒水。

喷砂点有的成群,有的成带。

喷出的砂堆直径大者数米至十几米,小者仅数十厘米。

由于地基液化,使高耸建筑物倾斜,民用房屋局部下沉。

地震引起的砂土液化危害极为严重。

1920年我国甘肃大地震使粉质黄土产生液化,形成面积达300km2的土坡滑动,房屋被掩埋或流走,道路被移到1km以外。

1975年2月海城地震时,液化砂土喷出地面,造成渠道淤塞、农田淤砂。

砂土液化还引起地面下沉、堤岸裂口、河道变形、房屋开裂、路坡塌滑、桥墩不均匀下沉以致桥梁倒塌等。

1964年日本大地震引起大面积砂土液化,使机场建筑物下沉3英尺,跑道严重破坏;混凝土构筑物沉入土中,而有一原在土中的污水池,地震后却浮出地面10英尺;有一公寓陷入土中并躺倒,倾斜达80 。

地震时饱和砂土地基会不会发生液化,取决于一系列因素的综合影响。

如果振动作用在粘土上,而不是砂土,就没有发生液化的危险性。

如果是密实的砂土,而不是疏松的砂土,也不会液化。

如果饱和砂土不经过振动作用,也就失去了振动液化的外因前提。

土的颗粒组成、颗粒形状、密度、透水性和结构性是产生液化的内因。

而地震烈度、地面振动持续的时间和受力条件等是液化的外因。

因此要在多种因素共同起作用的条件下,即在总体上,综合认识分析饱和砂土的振动液化特性。

一般说,砂土的颗粒愈粗,透气性愈好,就愈不容易液化。

砂土中的粘粒含量在增加到一定程度(例如10%)时,砂土的抗液化强度将有所增加,轻亚粘土就比砂土具有较高的抗液化能力。

在同一级砂土中,颗粒级配愈好,愈不容易液化;角状颗粒砂土比圆形颗粒砂土不容易液化;原状的土要比扰动的重塑土难液化;曾遭受过历史地震作用的砂土要比未遭受历史地震作用的砂土难液化,主要是因为土的结构性改变了。

砂土的密实对液化性能的影响很大,砂土愈密实,液化的可能性愈小,因此,松砂较密砂容易液化。

目前,一般采用直接或间接测试砂土产生液化的可能性。

增加砂土密实度可作为防治液化的一个主要措施。

地震时地面运动的强度是使砂土液化的一个很重要的因素。

多次震害调查表明,地震烈度高的地区喷砂冒水较之烈度低的地区严重,一般在5度~6度地区就很少见到有液化现象。

虽然日本的砂比较松,在过去370多年中发生过25次地震,但其中只有3次在部分地区发现液化现象。

这3次的地震烈度均大于7度,其余22次的地震烈度都较小。

1964年的地震烈度最大,所以液化现象就很普遍。

地面振动作用的持续时间,对砂土液化的发展具有极大的影响。

在实际地震和室内试验中都证实了:即使地震时地面运动的强度并不很大,但如振动作用的持续时间很长,也可能引起砂土液化。

1964年美国阿拉斯加某地区因地震液化产生了滑坡。

这次滑坡发生在地震开始以后约90s。

这表明地基产生液化和失稳需要足够的振动持续时间,如地震时间只有45s,则可能不发生液化和失稳。

此外,一些试验结果表明,土体的上覆压力愈大,愈不容易液化。

上覆压力的大小实际上反映了土层的埋置深度。

因而,如果其他条件相同的话,埋得深的砂就难于液化,因此有人认为在地面以下15m,即使是松砂也很难液化。

根据上述分析,在评价分析砂土地基地震液化问题时,必须从相关联系上综合考虑这些因素。

如果评定的结果认为,砂土地基具有发生液化破坏的危险时,则首先应当尽量避免直接用可液化的砂土作为建筑物地基。

不能做到时,可考虑采用适当的措施来提高砂土的抗液化能力,以防止或减轻地震时建筑物的破坏。

加密是一种广泛采用而行之有效的措施。

目前采用的有振冲加密法、砂桩挤密法、强夯法和爆炸加密法等几种。

1)振冲加密法。

在砂土地基中插入圆筒形的振冲器。

它的下端和上部各设有喷水口。

筒内竖轴带动偏心块作水平高速旋转,产生水平向高频振动。

振冲器能够一边振动,一边射水,下沉到预定的深度。

砂土在强烈振动后,土颗粒重新排列,被振动加密。

在振冲形成的孔中灌注碎石,形成碎石桩,可以消散地震时在砂土地基中产生的超孔隙水压力。

日本石油工厂的部分油罐和厂房地基,用振冲法处理过,当1964年发生7.7级地震时,油罐基本完好,厂房基本没有破坏,而未经处理的则发生了明显的沉陷和倾斜。

2)砂桩挤密法。

利用振动作用将一根钢管打入土中,然后从管内灌入粗砂,一边振动,一边将钢管上拔,一边将砂石夯实,并挤
灰土挤密桩在湿陷性黄土地基中的设计与应用
朱三刚
摘 要:针对湿陷性黄土地基的特点,结合工程实际情况,介绍了灰土挤密桩复合地基的设计和施工的应用,从而解决了西北地区湿陷性黄土地基中存在的湿陷问题。

关键词:湿陷性黄土地基,灰土挤密桩,地基处理
中图分类号:T U444文献标识码:A
灰土挤密桩复合地基作为一种湿陷地基处理方法,是西北最早推广使用的一种以土治土的方法,具有施工技术和机具简单、能就地取材、缩短工期、费用较低的特点,目前,在我国西北地区得到了越来越广泛地应用,主要应用于多层建筑物的地基处理,属于一种较成熟的地基处理方法。

1 灰土挤密桩的特征
1)灰土挤密桩属于一种横向挤密,但它同样可达到所要求加密处理后的密实度指标,且处理后的地基均匀;2)与土垫层相比无需开挖回填,因而节约了开挖和回填土方的工作量,比开挖换土法缩短工期约一半;3)由于不受开挖和回填的限制,一般处理深度较大,可达5m~15m;4)由于填入桩孔的材料是素土、灰土、石灰等,属就地取材的廉价材料,通常比一般其他深层处理湿陷性黄土和人工填土的造价低,因而,其社会效益较好。

2 作用机理
灰土桩是采用生石灰和土按一定体积比例(2!8或3!7)拌和,并在桩孔内夯实加密后形成的桩,灰土挤密桩地基的作用机理归纳如下。

2.1 置换作用
在地基中打孔,移去天然地基土,然后向桩孔内填入灰土,再分层夯实,使地基中部分土被挤密灰土置换。

石灰本身具有较高的强度,桩与桩间土组成复合地基共同承担荷载。

随着置换比的增大,复合地基承载力也将提高,如置换比相同,桩身材料强度愈高,则复合地基承载力也愈高。

2.2 挤密和振密作用
成桩过程中,向桩孔内填入灰土,然后分层夯实,形成密实而强度较高的桩体,并且孔壁土体通过被夯材料径向扩张而被挤密。

同时桩间土和灰土两者紧密胶结在一起,保证复合地基承受荷载后,桩、土的位移能协调发展。

2.3 胶结固化作用
桩体材料通过固化胶结作用,形成具有较高强度的桩,固化胶结作用是随时间而发展的过程,因此,灰土桩的强度也是随时间的增长而增强的。

3 设计要求
3.1 桩孔直径
设计时如桩径d过小,则桩数增加,并增大打桩和回填的工作量;如桩径d过大,则桩间土挤密不够,致使消除湿陷性程度不
实周围的砂层。

由于砂桩常填以较粗的砂粒料,桩身可以使地基加速排水,加上砂土被振动和加密,处理的效果比较显著。

3)强夯法。

即强力夯实法,它是将8t~30t的重锤,从6m ~30m的高处自由落下,在土中产生压缩波和很大的应力,把土体加密,以提高其承载力、降低其压缩性和提高其抗液化能力。

这种方法在国内已得到广泛应用,并取得良好效果。

4)爆炸加密法。

在需要加密处理的地基土中,按规定深度埋设一定量的炸药,对地基土爆炸压密,提高其抗液化能力。

此外,筏片基础、箱型基础对于在液化地基及软土地基上提高基础的抗震性能有显著效果。

筏片基础和箱型基础整体性好,可以较好地调整基底压力,有效地减轻因大幅度振陷而引起的基础不均匀沉降,从而减轻上部建筑的破坏。

桩基也是液化地基上抗震性能较好的基础形式。

但桩长必须穿过可液化的土层,并有足够的长度嵌入稳定的非液化土层。

我国辽河化肥厂,由于在建设时就估计到该地砂层在地震时有产生液化的可能,因此,对该厂的造粒塔采用桩基础。

在1975年海城地震时,造粒塔安然无恙。

而在该塔附近的一座2层砖混结构的办公楼,由于没有采取适当的抗震措施,遭到严重的破坏。

浅基础和换土也可作为处理液化地基的一种办法。

如果可液化砂土层上有一定厚度的稳定表土层,则可根据建筑物的具体情况采用浅基础,将基础埋置在上部稳定表土层上。

如果土层上部附近仅有较薄的可液化砂土层,则将可能液化的土层挖去,并用非液化土置换。

参考文献:
[1]GB50011 2001,建筑抗震设计规范[S].
[2]GB50007 2002,建筑地基基础设计规范[S].
[3]JG J79 2002,建筑地基处理技术规范[S].
S eismic liquefaction of sands and its prevention measures
NIU Rui li
Abstract:According to the seismic liquefaction of sands the reasons caused the liquefaction ar e analyzed;at the same time corr esponding pr e vention and treatment measur es are introduced in order to improve the liquefactio n resistance of sands to reduce earthquake damage on buildings.
Key words:sand liquefaction,v ibration co mpression,dynamic consolidation。