土壤液化

大量實(shí)驗(yàn)和歷史表明，土壤液化有兩個(gè)必要的條件：一是土壤必須處于飽和狀態(tài)；二是要有一定條件的動(dòng)荷載作用。但是并不是所有具有上述兩個(gè)條件的土壤都能液化。飽和的土在受到動(dòng)荷載的往復(fù)剪切作用下，顆粒排列將趨于密室（剪縮性），如果土的透水性很差的話(huà)，土壤的孔隙水壓力將會(huì)很難排出，從而導(dǎo)致孔隙水壓力急劇上升，土壤的有效應(yīng)力卻在減小，當(dāng)孔隙水壓力與土壤的固結(jié)壓力相等時(shí)，有效應(yīng)力減小于零，土的抗剪強(qiáng)度完全消失，處于沒(méi)有抵抗外荷載能力的懸浮狀態(tài)，土壤就發(fā)生了液化。

發(fā)生液化的土類(lèi)主要有兩種：砂土和粉土。因?yàn)樗麄兊耐杆芰苋酰艺尘哿σ埠苋?。碎石、礫石、礫砂的滲透性好，抗剪強(qiáng)度也很高，很少發(fā)生液化。粘土和粉質(zhì)粘土間有黏性亦不易液化。中、粗、礫砂也常發(fā)生液化，但比粉、細(xì)砂和粉土要少些。礫石雖透水性好，但如果地震動(dòng)很強(qiáng)或上覆透水性很差的土層，也可能發(fā)生液化。

地震、波浪、車(chē)輛、機(jī)器振動(dòng)、打樁以及爆破等都可能一起飽和砂土或粉土的液化，其中又以地震引起的大面積甚至深層的土體液化的危害性最大，它具有面廣、危害重等特點(diǎn)，常能造成場(chǎng)地的整體性失穩(wěn)。因此，近年來(lái)一起國(guó)內(nèi)外工程界的普遍重視，成為工程抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

地震引起砂土壤液化造成的災(zāi)害宏觀表現(xiàn)主要有：

1.噴砂冒水 液化土層中出現(xiàn)相當(dāng)高的孔隙水壓力，會(huì)導(dǎo)致低洼的地方或土層縫隙處噴出砂、水混合物。噴出的砂?？赡芷茐霓r(nóng)田，淤塞渠道。噴砂冒水的范圍往往很廣，持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾個(gè)小時(shí)甚至幾天，水頭可達(dá)2~3m。

2.震陷 液化噴砂冒水會(huì)帶走大量土顆粒，地基產(chǎn)生不均勻沉陷，使建筑物傾斜、開(kāi)裂甚至倒塌。

3.滑坡 在岸坡或壩坡中的飽和砂粉土層，由于液化而喪失抗剪強(qiáng)度，使土坡失去穩(wěn)定，沿著液化層滑動(dòng)，形成大面積滑坡。

4.上浮 貯罐、管道等空腹埋置結(jié)構(gòu)可能在周?chē)馏w液化是上浮，對(duì)于生命線工程來(lái)講，上浮常常引起嚴(yán)重的后果。

液化地基處理措施

我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，也是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家 ,地震經(jīng)常威脅著工程安全。當(dāng)前我國(guó)正處在新的地震活躍期，地震發(fā)生頻率增大，這對(duì)我國(guó)正在蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，在地震多發(fā)地區(qū)修建建筑物或構(gòu)筑物，必須對(duì)可能液化土體進(jìn)行處理。工程上采用的抗震措施一般分為兩種，一種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。根據(jù)建筑物的重要性、地基的液化等級(jí)，結(jié)合具體情況綜合確定選擇全部或部分消除液化沉陷。

綜合各種法的性質(zhì)和抗震的機(jī)理，地基液化的措施大致分為三類(lèi)：

（一）采用樁基礎(chǔ)（非摩擦樁）或者是深基礎(chǔ)避開(kāi)液化土層，這類(lèi)方法能完全消除地基液化沉陷造成的危害。

樁基礎(chǔ)由若干根樁和承臺(tái)兩部分組成，它將承臺(tái)以上結(jié)構(gòu)物傳來(lái)的外力通過(guò)承臺(tái)，由樁傳到較深的地基持力層中去，承臺(tái)將各樁聯(lián)成一個(gè)整體共同承受荷載。樁直接穿過(guò)可能液化的土層，樁端深入承載力較高的土層，樁端伸入液化深度以下穩(wěn)定土層中的長(zhǎng)度（不包括樁尖部分）應(yīng)按計(jì)算確定，且對(duì)碎石土、礫，粗，中砂，堅(jiān)硬粘性土和密實(shí)粉土尚不小于0.5m，對(duì)其他非巖石土類(lèi)尚不小于1.5m。在土體液化時(shí)，雖然一部分土體液化，但是上部荷載依然能通過(guò)樁傳到較深的持力層。建筑物從而避免了沉陷。

深基礎(chǔ)能避免沉陷造成的危害的機(jī)理和樁基礎(chǔ)大致相同，深基礎(chǔ)的底面放在位于液化深度以下的穩(wěn)定土層上，其深度不應(yīng)小于0.5m。

（二）采用擠密法：強(qiáng)夯法；振沖加密法；擠密碎石樁法等

1.強(qiáng)夯法 強(qiáng)夯法利用重夯錘，高落距產(chǎn)生的高夯擊能給地基一沖擊力，在地基中長(zhǎng)生沖擊波，振密，擠密地基土體。當(dāng)夯擊時(shí)，夯錘對(duì)地基淺部土體進(jìn)行沖切，土體結(jié)構(gòu)破壞，形成夯坑，并對(duì)夯坑周?chē)耐馏w進(jìn)行動(dòng)力擠壓，夯坑四周地表可能產(chǎn)生隆起。

細(xì)顆粒飽和土多采用動(dòng)力固結(jié)，動(dòng)力固結(jié)的主要機(jī)理是巨大的沖擊能量在土中產(chǎn)生很大的應(yīng)力波，破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)，使土體局部發(fā)生液化并產(chǎn)生許多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水順利逸出，待超孔隙水壓力消散后，土體固結(jié)。由于軟土的觸變性，強(qiáng)度得到提高。

對(duì)飽和無(wú)粘性土地基，在沖擊力作用下，土體可能會(huì)產(chǎn)生液化，其壓密過(guò)程同爆破和振動(dòng)密實(shí)的過(guò)程類(lèi)似，擠密，振密效果也是明顯的。對(duì)飽和粘性土地基，在錘擊作用下，在夯擊點(diǎn)附近地基土體結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生觸變，在一定范圍內(nèi)的地基土體將產(chǎn)生超孔壓，并且逐漸消散，地基土固結(jié)，孔隙比減小，強(qiáng)度提高。

2.振沖加密法 振沖法是利用振沖器的高頻振動(dòng)和高壓水流，邊振邊沖，將振沖器在地面預(yù)定樁位處沉到地基中設(shè)計(jì)的預(yù)定深度，形成樁孔。經(jīng)過(guò)清孔后，向孔內(nèi)逐段填入碎石，每段填料在振沖器振動(dòng)作用下振擠、密實(shí)。然后提升振沖器，再向孔內(nèi)填入一段碎石，再用振沖器將其振擠密實(shí)。通過(guò)重復(fù)填料和振密，在地基中形成碎石樁樁體。

振沖法一方面依靠振沖器的振動(dòng)使飽和砂層發(fā)生液化，砂顆粒重新排列孔隙減小，另一方面依靠振沖器的水平振動(dòng)力，加回填料使砂層擠密，從而達(dá)到提高地基承載力，減小沉降，并提高土體抗液化能力。

3.擠密碎石樁法 砂石樁法主要通過(guò)擠密、排水減壓和砂基預(yù)震來(lái)提高地基承載力，減小沉降。

擠密作用是指在采用沉管法或干振法，會(huì)在成樁過(guò)程中樁管對(duì)周?chē)皩赢a(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管體積的砂擠向樁管周?chē)纳皩樱箻豆苤車(chē)纳皩涌紫侗葴p小，密實(shí)度增大。在采用振沖擠密樁施工過(guò)程中由于水沖使松散砂土處于飽和狀態(tài)，砂土在強(qiáng)烈的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)下產(chǎn)生液化并重新排列致密，且在樁孔中填入大量粗骨料后，被強(qiáng)大的水平振動(dòng)力擠入周?chē)林?，這種強(qiáng)制擠密使砂土的相對(duì)密實(shí)度增加，孔隙率降低，干密度和內(nèi)摩角增大，土的物理性能改善，地基承載力在幅度提高。

排水減壓作用是指對(duì)砂土液化機(jī)理的研究證明，當(dāng)飽和松散砂土受到剪切循環(huán)荷載作用時(shí)，將發(fā)生體積的收縮和趨于密實(shí)，在砂土無(wú)排水條件進(jìn)體積的快速收縮將導(dǎo)致超靜孔隙水壓力來(lái)不及消散而急劇上升。當(dāng)砂土中的有效應(yīng)力降低為零時(shí)便形成了完全液化。碎石樁加固砂土?xí)r，樁孔內(nèi)充填碎石等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，可有效地消散和防止超孔隙水壓力的增高和砂土產(chǎn)生液化，并可加快地基的排水固結(jié)。

砂基預(yù)震效應(yīng)是指在一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下，當(dāng)兩試樣的相對(duì)密實(shí)度相同時(shí)，要造成經(jīng)過(guò)預(yù)震的試樣發(fā)生液化，所需施加的應(yīng)力要比施加未經(jīng)預(yù)震的試樣引起液化所需應(yīng)力值提高46%，從而得出了砂土液化特性除了與砂土的相對(duì)密實(shí)度有關(guān)外，還與其振動(dòng)應(yīng)變史有關(guān)的結(jié)論。在振沖法施工時(shí)，振沖器的振動(dòng)作用使地基土獲得強(qiáng)烈的預(yù)震，這對(duì)砂土增強(qiáng)抗液化能力是極為有利的。 2100433B

土壤液化為一類(lèi)地盤(pán)破壞的方式。土壤液化主要發(fā)生在砂質(zhì)土壤為主并且地下水位較高的區(qū)域，例如海岸地區(qū)、河水行經(jīng)的沖積平原區(qū)或舊河道分布區(qū)等。這些區(qū)域常分布一些充滿(mǎn)地下水而飽和的疏松砂土，由于它們本身的結(jié)構(gòu)較弱，很容易因?yàn)橥饬Χl(fā)生土壤結(jié)構(gòu)的改變。

在平時(shí)，地下水的壓力與土壤層間的壓力維持一個(gè)平衡狀態(tài)，地下水與土壤層之間保持接口上的穩(wěn)定，并不會(huì)侵入上面的土層。但是當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生受到應(yīng)力的影響時(shí)，地下水的移動(dòng)情形將大過(guò)砂土能將多余水分排出的速率。這時(shí)土體孔隙中的水壓力，由于來(lái)不及消散而累積上升，并導(dǎo)致土壤剪力強(qiáng)度降低。當(dāng)此情形繼續(xù)演變，孔隙水壓會(huì)增大到足以使土粒在孔隙水中懸浮，這時(shí)土層顆粒的承載力頓時(shí)會(huì)被水給取代，土壤結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)變成像液體一樣可以流動(dòng)的情形，最終導(dǎo)致整個(gè)地盤(pán)失去承載力并且大量變形。此時(shí)若砂土層液化的位置較淺，或者地表分布疏松的孔隙，泥水還可借著壓力沿著裂隙噴發(fā)到地表，形成噴砂的現(xiàn)象。這是地面上判別土壤液化十分重要的指標(biāo)。土壤液化發(fā)生的區(qū)域容易造成地上建筑物的傾斜、下陷、結(jié)構(gòu)性損壞、甚至倒塌的情形。因此經(jīng)過(guò)地質(zhì)調(diào)查容易發(fā)生土壤液化的區(qū)域是不宜進(jìn)行建筑開(kāi)發(fā)的。

最容易發(fā)生的液化的土壤是年代比較輕（冰河時(shí)期，近一萬(wàn)年）的細(xì)沙，或顆粒相當(dāng)且排列整齊的泥土中，地層只有數(shù)尺厚，富含水分。這樣的地形通?？梢栽诤影?、海岸或因風(fēng)力而堆積而成的沙丘中找到。土壤液化的例子包括流沙、流粘土、濁流和地震液化。

根據(jù)要求的下沉深度和減少下沉阻力的方法，沉井法分為普通沉井法、震動(dòng)沉井法和壁后泥漿淹水沉井法等三種：

豎井沉井法掘進(jìn)普通沉并法

人工挖土門(mén)沉井靠自重下沉，井底工作面挖超前降水井。采用這種方法下沉深度小，容易涌砂冒泥和出現(xiàn)井筒偏斜。因此不適用于涌水大的流砂層。

豎井沉井法掘進(jìn)震動(dòng)沉井法

在沉井壁上部安裝帶有震動(dòng)機(jī)的井帽，帶動(dòng)并筒震動(dòng)促使井壁周?chē)寥酪夯?，加大下沉的速度和深度。由于?dòng)力加載，遇有卵礫石地層時(shí)井壁容易斷裂。加大沉井荷載的方法，還有附加荷重法和千斤頂頂進(jìn)法，在不穩(wěn)定的淺表土層中這兩種方法曾得到較廣泛應(yīng)用。

豎井沉井法掘進(jìn)壁后泥漿淹水沉井法

在沉井內(nèi)充滿(mǎn)水以平衡井內(nèi)外的水壓差，用來(lái)防止沉井過(guò)程中涌砂冒泥。在沉并壁后空間內(nèi)充填觸變泥漿，起到維護(hù)土層的穩(wěn)定和減少下沉摩擦阻力。淹水沉井的破土方法有：水槍破土、鉆機(jī)破土和抓斗破土。用壓氣和提升抓斗排除土碴。水槍破土是借高壓水射流破壞土層。鉆機(jī)破土是借助鉆具的重量插人上層將其切割成碎塊，泥碴經(jīng)鉆桿排至地表，此法可連續(xù)鉆進(jìn)破土，效率高。抓斗即是破土機(jī)具也是排碴機(jī)具。使破土與排碴結(jié)合，效率高，適用于穿過(guò)軟土層、卵石層和砂層的淺沉井中 。2100433B