液化土层的判别及处理措施浅析

李涛

武汉东研智慧设计研究院有限公司 湖北武汉 430000

摘要：在地震作用下，饱和状态的砂土或粉土中的空隙水压力上升，土中的有效应力减小，土的抗剪强度降低，达到一定程度时，土颗粒处于悬浮状态，空隙水压力迅速释放，导致土中有效应力完全消失，土体丧失承载能力，土变成了可流动的水土混合物，此即为地基土体液化。唐山地震、汶川地震和日本阪神地震震害表明，因地基砂土液化对建筑物造成的破坏非常严重。具体表现为地面喷砂冒水、建筑物基础沉降量大和倾斜严重的现象，甚至失稳、倒塌，从而造成了很大的生命和财产损失。因此，如何避开液化危险地段修建房屋，如何处理存在液化土层的不利地段地基，如何采取减轻液化影响的基础和上部结构处理的措施，是地基基础设计在液化场地中需重点解决的问题。

关键词：岩土工程；地震液化；液化判别；抗液化措施

一、前言

近年来，全世界范围内地震频繁，唐山地震、日本阪神地震、汶川地震、福岛地震、墨西哥近海沿岸8.2级地震等对人类社会的生产生活秩序破坏非常严重。而且随着社会经济的快速发展，大体量的高层及超高层建筑层出不穷，建筑结构的重要性不断提高。怎样才能设计出安全且经济合理的方案，这就为基础位于液化土层上的地基基础设计带来了巨大的挑战，这也是每一位设计者值得深入思考的问题。

根据以往地震现场资料，判定现场某一地点的砂土已经发生液化的主要依据是：

(1)地面喷水冒砂，同时上部建筑物发生巨大的沉陷或明显的倾斜，某些埋藏于土中的构筑物上浮，地面有明显变形。

(2)海边、河边等稍微倾斜的部位发生大规模的滑移，这种滑移具有“流动”的特征，滑动距离由数米至数十米；或者在上述地段虽无流动性质的滑坡，但有明显的侧向移动的迹象，并在岸坡后面产生沿岸大裂缝或大量纵横交错的裂缝。

(3)震后通过取土样发现，原来有明显层理的土，震后层理紊乱，同一地点相邻位置的触探曲线不相重合，差异变得非常显著。

二、液化判别

人们在工程建设时考虑全部消除或部分消除场地液化对工程建设的影响，这就需要在工程建设前期对饱和砂土和粉土进行液化判别，进而指导设计、施工。国内外对饱和砂土或粉土的液化判别方法有不同，前人对国内外砂土液化判别方法也进行了许多的对比分析。这里主要分析国内抗震规范法，简要介绍Seed改进法（NCEER法）液化判别，并将二者判别结果与进行对比。

1、规范法液化判别

根据近年来对国外以及中国地震液化现场资料的研究，发现液化与土层的地质年代、地貌单元、黏粒含量、地下水位深度、上覆非液化土层厚度等有密切关系。从地貌单元来讲地震液化的地层主要为海相沉积、河流冲洪积形成的。国内外学者的研究结果表明:饱和松散的水力冲填土基本都会液化，而且全新世的无黏性土沉积层很容易发生液化，更新世沉积层一般情况下不发生液化，前更新世沉积层发生液化则更是罕见。

《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010(2016年版)中规定饱和砂土或粉土初步判别为不液化或可不考虑液化影响必须满足下表的其中一个条件。

可判别为不液化的条件表

注：用于液化判别的教粒含量系采用六偏磷酸铀作分散剂测定，采用其他方法时应按有关规定换算。

d_w——地下水位深度(m)； d_u——上覆非液化土层厚度（m）；

d_b—基础堆置深度（m）； d₀——液化土特征深度（m），可按下表采用。

液化土特征深度d₀（m） 液化判别标贯锤击数基准值N₀

式中:N_cr--液化判别标贯锤击数临界值； d_s--饱和土标贯点深度(m)；

N_o--液化判别标贯锤击数基准值，可按下表采用； d_w--地下水位(m)；

ρ_c--黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；

ß--调整系数；

抗震规范法还应按液化指数公式计算每个钻孔计算20m范围内的液化指数，并综合划分地基的液化等级。

液 化等级与液化指数的对应关系

式中：I_lE--液化指数;

n--在判别深度范围内标贯试验点的总数；

N_i、N_cri--分别为标准贯人锤击数的实测值和临界值；

di--i点所代表的土层厚度(m)；

W_i--土层单位土层厚度的层位影响权函数值。

2、Seed简化法液化判别（NCEER法）

2.1、概述

H.B.Seed和Idriss于1971年提出简化判别法，用于评价自由场地的液化问题，该方法在全世界内得到广泛应用。美国地震工程研究中心(NCEER)总结砂土液化最新研究成果并对简化判别法作出了进一步的改进。

NCEER法的液化判别公式为：

式中：CRR_7.5--震级为7.5时的循环阻力比；

CSR--循环应力比；

MSF--震级比例系数；

FS--安全系数，若大于1，则表示该计算点判别果为不液化；若小于1，则表示液化。

2.2、CSR的计算

式中： --地震产生的平均循环剪应力； --由地震产生的地表水平峰值加速度；

--重力加速度； --计算深度处的竖向总应力；

--计算深度处的竖向有效应力； --应力折减系数。

2.3、CSR_7.5的计算

相比从室内土工试验测试得到CRR_7.5,NCEER认为通过现场原位测试方法获取CRR_7.5数值更为方便和可靠，本文介绍通过标贯试验计算得到循环阻力比CRR_7.5。

式中： --标贯击数修正值。

NCEER法对含有细粒的砂土 进行修正：

式中： --经过修正后等效纯砂土标贯击数；α、β修正系数；

修正标贯击数 和实测标贯击数N的换算关系

三、实例计算

国内某化工项目在勘探深度20米范围内所揭露的地层，主要为新近人工填 土(Q₄^ml）、第四系冲积层（Q₄^al）粉质黏土、第四系海陆相交互沉积层（Q₄^mc）粉细砂、粉土。拟建场地地下水类型主要为孔隙潜水，稳定地下水位埋深平均值为2.0米，建筑场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.15g，基础埋深为2.0m。

本文取钻孔87#为例进行液化判别。按照抗震规范要求首先初判，详细液化判别。最后利用Seed简化法进行液化判别对比。

1、规范法判别结果

液化初判：d_u=3.5m，d_b=2.0m，d_w=2.0m，

砂土：d₀=7.0m d_u=3.5<7.0+2.0-2=7 d_w=2.0<7.0+2.0-3=6.0 d_u+d_w=3.5+2.0=5.5<1.5x7.0+2x2-4.5=10

粉土：d₀=6.0m d

_u=3.5<6.0+2.0-2=6 d_w=2.0<6.0+2.0-3=5.0

d_u+d_w=3.5+2.0=5.5<1.5x7.0+2x2-4.5=10

初判结果：饱和砂土和粉土均液化，应进行详判。详细液化判别见下表。

液化判别成果表

2、Seed简化法液化判别结果

场区位于7度近震区，震级取M=7.0，MSF=1.19，地震加速度取a_max=0.15g，因为NCEER 法的前期的地震液化数据多为地表以下15m范围以内的数据，故仅对地表以下15 m范围内的砂土液化判别。按照国内规范法进行液化指数计算。

Seed简化法液化判别成果表

从以上两种判别结果对比分析，对本场地饱和砂土和粉土的液化判别，抗震规范法和Seed简化法所得到的结论基本一致。采用国内液化指数计算公式得到二者液化指数，NCEER法计算结果偏低，结合以往资料和本次计算结果，抗震规范法的判别结果相较于Seed简化法偏于保守。如何保证安全兼顾经济合理，是以后液化判别研究的主要方向。

三、抗液化措施

在考虑经济及使用安全的前提条件下，不同的建筑物在不同的地震烈度下，对场地的液化程度和处理要求也有所不同。根据我国液化震害资料得出一个预估液化危害的方法，通过对场地的喷水冒砂程度的分析判断，可以粗略预估建筑物浅基础的可能损坏，以此作为采取工程措施的依据。

液化等级和对建筑物的相应危害程度表

从液化等级和对建筑物的相应危害程度表可以看出地基液化对建筑物的危害程度与液化等级有很大的关系。一般在地震烈度为6度时，液化对建筑结构所造成的震害是比较轻的，一般可不对饱和砂土或粉土（不含黄土）进行液化判别和处理。

若地基土已确定属于液化土，应对地基土的液化等级进行确定；然后根据地基土的液化等级，结合建筑抗震设防分类，选择不同的抗液化措施。

抗液化措施分为全部消除地基液化、部分消除地基液化沉陷的措施和减轻液化影响和上部结构处理三种情况。文中仅对采用预制桩部分消除液化沉陷的措施进行简单分析。

规范中对部分消除地基液化措施要求如下：

1、处理深度应使处理后的地基液化指数减少，其值不宜大于5；大面积筏基、箱基的中心区域，处理后的液化指数可比上述规定降低；

2、打入式预制桩及其他挤土桩，当平均桩距为2. 5~4倍桩径且桩数不少于5x5时，可计入打桩对土的加密作用及桩身对液化土变形限制的有利影响。当打桩后桩间土的标准贯入锤击数值达到不液化的要求时，单桩承载力可不折减，但对桩尖持力层作强度校核时，桩群外侧的应力扩散角应取为零。打桩后桩间土的标准贯人锤击数宜由试验确定，也可按下式计算:

式中: N1--打桩后的标准贯人锤击数;

--打人式预制桩的面积置换率

--打桩前的标准贯人锤击数。

采用钻孔87#的地质资料，在场地范围内采用桩径400mm的混凝土预制桩，桩长20米，桩间距s=1.6m，桩数20x20根，置换率ρ=0.049，对比预制桩打桩前后液化指数变化见下表。

预制桩打桩前后砂土液化指数计算成果表

可见在采用打入式预制桩及其他挤土桩，采用合理的置换率后，场地液化等级会降低，甚至变成非液化场地。满足规范中部分消除地基液化措施的要求，既节省了工程造价，又节约了工期。

四、结论

1、液化地基的判别和处理要求：液化判别前置条件--初判--详判--选择抗液化措施。

2、国内规范法液化判别与Seed简化法液化判别（NCEER法）相对来说有些保守。随着技术及工程经验的积累，希望液化判别方法能优化参数，更接近实际，更好的指导设计、施工。

3、在液化土层深且厚的情况下，采用打入式预制桩及其他挤土桩，采用合理的置换率后，场地液化等级会降低，满足规范中部分消除地基液化措施的要求，既节省了工程造价，又节约了工期。

参考文献：

1、《建筑地基基础设计方法及实例分析》第二版朱炳寅、娄宇、杨琦

2、《建筑抗震设计规范》（GB50011）2016年版。

3、《液化地基基础设计浅析》蒙永沪。

4、《判别饱和土液化的改进seed简化法介绍及应用》郭磊、余璨。

5、《基于标准贯人测试的国内外砂土液化判别法对比分析》符滨、孟秋宏

6、《美国NCEER简化判别法在砂土液化判别中的应用》胡龙虎、王新强