地震液化的危害及对策

　　摘要：本文通过汶川大地震，唐山大地震等国内外强烈大地震出现的场地土液化现象和对建筑工程造成的危害事例和数据。并提出了消除或尽量减少液化对建筑工程产生危害的措施和对策。

　　关键词：场地土液化；液化的危害；地基处理措施

　　我国在2008年5月12日四川省汶川地区发生了8.0级大地震，汶川地震的强度、烈度都超过了1976年的唐山大地震，地震重灾区的范围已经超过10万平方公里，此次地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震，给人民生命财产造成巨大损失。中国地震局2008年7月组织了汶川大地震科学考察，专项研究关于此次地震的地基土液化问题。此次研究发现，汶川地震中在烈度Ⅵ到Ⅺ度地区内均有出现，其中烈度Ⅵ度区内就发现了8处液化现象。这就说明本次地震涵盖的面积长约500km，宽约200km。东面距离震中约210km的遂宁市安居区；南面距离震中约200km的雅安市汉源县，；北面距离震中约280km的甘肃陇南市，几乎所有主震区范围都涉及到液化问题，可见分布之广，影响之大，实属罕见，必须引起工程人员的高度关注。

　　1.地基土液化的危害

　　在20世纪60年代以前，人们还没意识到强震后场地土液化对建筑物危害的严重性，将大量的工程建设在液化场地土上。饱和松散砂土和粉土广泛分布于海滨、湖岸、冲积平原以及河漫滩、低阶地等地区，强震时这些场地容易产生大面积的液化，造成区域性危害，位于这些液化场地土上的房屋、桥梁、道路、港口、农田、水坝等工程设施将不可避免受到破坏。1964年日本发生新潟地震，震后场地液化对各类工程设施造成巨大破坏，其中有2130多座建筑物由于地基失效而倒塌，6200多座建筑物严重破坏，31000多座建筑物轻微破坏。同年美国发生阿拉斯加地震时，波特奇市因砂土液化地面下沉很多，当海水涨潮即受浸淹，迫使该市不得不迁址。液化问题由此得到了重视和研究，迄今仍然是岩土地震工程研究的重点，也是工程建设需要考虑的重点。

　　地基土液化是一种地基失效形式，即地基土体由固体转变为液体的状态，土体液化主要发生在饱和松散粉、细砂土或粉土中。较为轻微的液化会使地基土强度降低，严重时则完全失效，表现为喷水冒砂、地面下沉塌陷、地裂缝、侧向扩展和流滑等；建造于液化地基土上的建筑物则可能出现地下结构物上浮、房屋开裂、整体倾斜、房屋倾倒等各种形式的破坏。

　　1.1 喷水冒砂

　　什么是喷水冒砂现象？是怎样形成的呢？饱和的粉土、砂土是砂颗粒和水组成的复合体，在未地震前，由砂颗粒骨架承担外力，水只承受静水压力。此时，地基土是稳定的，但经过地震的震动反复作用后，砂颗粒产生移动，排列状态被改变，但体积还是保持不变，震动作用由原来砂颗粒骨架承受转移到由水来承受。这样，造成孔隙水压力急剧增大，最后，由于孔隙水压力大于等于土体所承受的总应力，土体结构完全被破坏，砂颗粒悬浮于水中，饱和土体就这样产生液化现象，并在某一个地裂薄弱部位喷射出来。因此，喷水冒砂现象是判定是否发生地基土液化最直接的证据。

　　在汶川地震中，位于绵阳、成都、德阳和雅安4个不同地区均出现喷水冒砂现象，喷水高度超过10m，如在绵阳地区安县土门镇，成都地区都江堰永寿村，喷水高度达到屋顶的天线架，在德阳地区绵竹祥柳村，喷水高度超过两根电线杆；水柱高度均在10m以上。这种喷水高度在10～15m的现象，在以往地震中比较罕见。按照液化基本原理判断，应该是深层土液化所致。另外，汶川地震液化喷水时间一般仅持续几分钟，但也有个别比较长的。如在乐山市新联村，出现持续3个月之久的喷水冒砂现象。在什邡市思源村、广汉市双石桥村，地震后一个多月，仍有喷水冒砂现象。汶川地震中喷水冒砂的形式有以往常见的形似火山的喷出沙堆，也有串珠式的喷砂孔。与以往地震相比，此次地震液化喷砂量一般均少于5立方米，但在有池和井的地方出现较大喷砂量。如在什邡市思源村一个50m×20m×2m的游泳池，地震前池中干涸，震中液化使池底拱起，池内填充砂水混合物，震后游泳池只有1m深。在绵竹市兴隆镇，有60余口井在震后被埋，井中有大量砂土填充物。

　　在海城地震中时，震中以西的盘锦地区出现大量喷水冒砂，一般开始于主震过后数分钟，持续时间5～6小时甚至数日。喷出3～5m高的砂水混合物，形成许多直径3～4m至7～8m，深数十厘米至数米的椭圆形和圆形坑陷，使当地的交通和水利设施、农田、房屋、地下管道等造成严重损害。

　　在台湾9.21集集大地震时，彰化县伸港乡的大肚溪口南侧河道高滩地区，地震后广泛的土壤液化，并形成喷水冒砂现象，喷砂口形状好像火山口，从底下涌出的泥砂成辐射状向四周溢流。

　　1.2 地面塌陷

　　喷水冒砂后，由于地下砂土流失，较容易形成坑陷，这也是地基土液化最普遍的现象。

　　在汶川地震中，地基土液化导致塌陷的现象在很多村庄都有出现，如在Ⅵ度区的眉山地区洪雅县菜地坎村，主震后第三天多处喷水冒砂现象出现在水稻田中，水柱高度30cm，持续一段时间后突然下陷，形成多个直径约2m，深度约2m的大坑。再如绵竹市祥和村，主震时喷水冒砂现象出现在方圆300亩范围内的农田中，并出现8处直径约3～4m、深度约1～2m的塌陷坑，坑边有砂、砾石喷出，主震一两个月之后仍然有新的塌陷坑形成。

　　台湾9.21集集大地震时，彰化县社头乡仁雅村员集路二段一工厂因为土壤液化，庭院地板龟裂，厂房基础沉陷，厂房内地板受到较大的液化压力而破裂隆起并有涌水现象

　　1.3 侧向扩展、地裂缝

　　在台湾9.21集集大地震时，彰化县社头乡临鸿门巷附近因土壤液化造成向西侧扩展的漂移现象，地板与房屋都因拉张而产生裂隙。此例说明，即使场地表面平整，液化土也可能侧向扩展。

　　在汶川地震中，液化场地70%～80%都产生有长短不一的地裂缝，长度从100～200m到数公里都有。与以往的地震比较，液化形成的圆形和串珠式的喷砂孔在汶川地震中并不多见，反而伴有地裂缝的情况则更为普遍。正因为如此，汶川地震中，在液化场地上的工程结构基本上都出现如结构开裂、下沉、倾斜等破坏。

　　2.液化地基的处理措施

　　2.1 液化产生的震害

　　在地震中，液化宏观现象比较普遍的有地面塌陷、地表裂缝、喷水冒砂等。从而对居民住宅、工厂、学校、桥梁、公路等建筑工程造成了严重的破坏。据不完全统计，地震时在液化场地内，直接倒塌的是结构性比较差的建筑物，即使设有构造柱、圈梁的建筑物，开裂、下沉、整体倾斜的现象也比较多。如在汶川大地震中，江油火车站整个车站地基都出现了喷水冒砂、地面塌陷、结构开裂等现象，结构严重损坏，目前已经拆除。另外，在唐山地震震害调查中发现，产生液化的场地，往往比同一震中距范围内未发生液化场地的宏观烈度要低些。理论上，地震剪切波在液化土层中受阻（流体不能传递剪力），使传至地面上的地震波相应的衰减，从建筑物震动破坏的角度看，这对建筑耐震有利。但更广泛的液化震害表明，地基土液化失效对建筑的破坏更严重，因此不能因为液化土存在所谓的“减震”作用而认为液化对建筑抗震有利，从而不重视液化对建筑工程产生的震害。为了消除或尽量减少液化对建筑工程产生的震害，可考虑液化地基的处理和采用桩基础等以下有效措施。

　　2.2 地基处理

　　液化场地应优先进行地基处理，使建筑及周边一定范围内的土体密实。具体可根据场地和建筑物特征，选择下面几种方法之一。

　　2.2.1 强夯法

　　强夯法又名动力压实法或动力固结法。这种方法是反复利用夯锤（锤重不小于8吨）自由下落（落距不小于6米）时的冲击能来夯实浅层地基，使土中产生很大的应力，迫使土体孔隙压缩，排除孔隙中的空气和水，使土颗粒重新排列，迅速固结，从而提高地基强度，降低压缩性，形成较为均匀的承载硬层，有效地降低场地土液化现象。

　　施工时，夯击点一般按梅花形或正方形网格布置，期间距通常为5～15m。夯1～8遍，第一遍夯击点的间距最大，随后几遍有所减小，最后一遍用低能量搭夯，两遍之间的间歇时间取决于孔隙水压力的消散速率。在一遍夯击结束之后，要通过孔隙水压力观测，了解孔压消散的情况，从而确定合适的间距、时间。如果孔压上升到接近土体自重时，应立即停止夯击，因为此时土层已不可能更紧密了。强夯法的加固深度可达10m以上。强夯一遍，可使5～12m厚的冲击层沉降15～50cm。

　　强夯法施工方便，适用范围广而效果好、速度快、费用低，但噪声扰民，在空旷的场地较为实用。

　　2.2.2 振冲法

　　振冲法创始于20世纪30年代的德国，迄今已为许多国家所采用。它是利用起重机吊起振冲器，启动潜水电机和水泵，通过喷嘴喷射高压水流，边振边冲，将振冲器沉入到土中预定深度，经清孔后，向孔内逐段填入碎石。每段填料均在振动作用下被振密挤实，达到要求的密实度后即可提升振冲器，如此重复填料和振密，直至地面，从而在地基中形成一个大直径的密实碎石桩体。振冲形成的碎石桩体与土体组成复合地基可以消除和减少地层的地震液化。

　　振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。对于处理不排水抗剪强度不小于20KPa的饱和粘性土和饱和黄土地基，应在施工前通过现场试验确定其适用性。

　　2.2.3 挤密碎石桩法

　　挤密碎石桩法又称砂石桩法，它是在松软地基土中利用冲击、振动或水冲等方法成孔后，再将砂或碎石挤入土孔中，形成大直径的砂石所构成的实密桩体。该法可用于提高松散砂土地基的承载力和防止砂土振动液化，处理深度不应小于4m同时应穿过液化土层。

　　2.2.4 板桩围封法

　　在建筑物四周可能液化的砂层内用板桩围封，并结合密实回填土的封堵作用，可大大减少地基中砂土液化的可能性。

　　2.2.5 换填压实土与增加非液化覆土重量

　　当地表或基础下液化土厚度为3～5m时，可采用换填压实的办法，较为经济实用。当全部换填较为困难时，可以验算压实填土厚度能否使饱和砂层顶面有效压重大于可能产生液化的临界压重。如果压实填土重量足够，那么也可不用全部换填。

　　上述处理地基液化的措施均是通过挤密土体、加速排水使地基消除液化的方法。除了上述采用处理地基的方法以外，还可以考虑采用桩基础以及一些消除地基液化沉陷的措施。

　　2.3 桩基础：

　　唐山地震震害调查发现，在液化和软土场地上，桩基础建筑沉降小，建筑物倾斜小，因此在《建筑抗震设计规范》中提出：桩基础属于“全部消除地基液化沉陷的措施”，并按计算确定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），对于坚硬粘性土、碎石土，砾、粗、中砂和密实粉土尚不宜小于0.8m，对于其他非岩石土尚不宜小于1.5m。这说明：当桩端持力层为非液化土时，即使上覆土层液化，桩基仍可能保持稳定，由此防止建筑物沉陷。但需要强调两点：（1）桩基础不能消除土体的液化特性；（2）液化土中的桩基础仍然可能震害严重。

　　2.4 其他消除地基液化的措施：

　　当采用加密法(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规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。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。当采用深基础时，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等。

　　3.结语

　　本文通过有史以来发生过场地土液化危害的强烈地震事例和数据，向人民揭示场地土液化危害的严重性，从而引起工程人员的高度重视。并根据场地土液化的特性，介绍和建议并采取相关的对策，希望能提供给大家作为参考。

　　参考文献：

　　1.王亚勇等.2009.汶川地震建筑震害启示录.北京：中国建筑工程出版社

　　2.李乔等.2009.汶川大地震工程震害分析.北京：中国建筑工业出版社

　　3.刘辉先等.1968.唐山大地震震害.北京：地震出版社

　　4.刘惠珊等.1994.阪神大地震的液化特点.工程抗震

　　5.刘惠珊等.1995.地震区的场地与地基基础.北京：中国建筑工业出版社

　　谢智勇

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