砂土液化防治及施工方法

目录TOC\o"1-3"\u第一章绪论 21.1概述 21.2砂土液化的危害 21.2.1地面下沉 21.2.2地表塌陷 21.2.3地基土承载力丧失 31.2.4地面流滑 3第二章砂土液化的机理及发生条件 42.1砂土液化的机理 42.2砂土液化的影响因素 52.2.1动荷条件 52.2.2埋藏条件 52.2.3土性条件 62.3砂土液化的判别 72.3.1地震液化判别的方法 72.3.2地震液化判别的问题 72.3.3先横后纵的判别方法 8第三章砂土液化的防止对策及其施工方法 93.1方法的选定 93.2砂土改良措施 93.2.1振动固结法 103.2.2强夯法 113.2.3增加盖重法 123.2.4排水法 123.2.5换土法 133.2.6深层混合处理法 133.3结构改良措施 143.3.1减轻液化影响的浅基础和上部结构处理 143.3.2减轻液化地基中桩基震害的措施 14参考文献 16绪论1.1概述砂土液化是指饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象，由于孔隙水压力上升，有效应力减小所导致的砂土从固态到液态的变化现象。其机制是饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受从砂土骨架转向水，由于粉和细砂土的渗透力不良，孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力值时，有效应力就降到零，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生液化。砂土液化后，孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。如果砂土层上部没有渗透性更差的覆盖层，地下水即大面积溢于地表；如果砂土层上部有渗透性更弱的粘性土层，当超孔隙水压力超过盖层强度，地下水就会携带砂粒冲破盖层或沿盖层裂隙喷出地表，产生喷水冒砂现象。地震、爆炸、机械振动等都可以引起砂土液化现象，尤其是地震引起的范围广、危害性更大。1.2砂土液化的危害饱和砂土液化危害性归纳起来主要有以下四个方面：1.2.1地面下沉饱和疏松砂土因振动而趋于密实，地面随之下沉，结果可使低平的滨海地带居民生计受到影响，甚至无法生活。唐山地震时烈度为Ⅸ度的天津汉沽区富庄大范围下沉，原来平坦的地面整体下沉达1.6-2.9m。1.2.2地表塌陷地震时砂土中孔隙水压力剧增，当砂土露出地表或其上覆土层较薄时，即发生喷砂冒水，造成地下掏空，地表塌陷。我国海域和唐山两次大地震，均导致了附近滨海冲积平原大面积喷砂冒水。喷出的砂水混合物高达3-5m，形成了许多圆形、椭圆形陷坑，坑口直径3-8m。1.2.3地基土承载力丧失持续的地震会使砂土孔隙水压力升高，而导致土粒中有效应力下降。当有效面积趋于零时，砂粒即处于悬浮状态，丧失承载能力，引起地基整体失效。1.2.4地面流滑斜坡上若有液化土层分布时，地震会导致液化流滑而使斜坡失稳。有时场地地面极缓，甚至近于水平也发生滑移。如：1974年美国圣菲尔德地震滑移地段，地面坡度只有2度。而唐山地震时，天津河东区柳林一带的严重滑移，则为水平场地。砂土液化的机理及发生条件2.1砂土液化的机理饱和松散的砂土在强烈的地震作用下会产生急剧的状态改变和强度丧失，导致地面和建筑物的破坏，此即所谓的液化现象。饱和砂土是由砂和水组成的复合体系，在振动作用下，饱和砂土的液化取决于砂和水的特性。容易液化的土通常是没有或很少黏性的散体，散体主要靠颗粒间的摩擦力维持自身的稳定和承受外力，这种摩擦力主要取决于粒间的法向压力。对砂土的骨架来说压力是个起稳定作用的因素，而粒间剪力则相反。饱和砂层受到外力时，砂与水共同承担和传递，如下式：（1）式中为由外力引起的总应力，为砂骨架所承担的应力，水只承受其本身的压力，为水中产生的应力，称为超孔隙水压力。可以用一下模型来分析液化的过程（如图1）。图1砂水复合体系模型图1砂水复合体系模型图中a图代表饱和砂土在地震之前的状态，一般饱和砂层在外力作用下，不存在超孔隙水压力，砂结构已经稳定，全部外力由砂骨架承担。就是说，超孔隙水压力为零，而有效应力等于总应力。b图代表在地震作用下饱和砂土的液化状态。在地震作用下，砂粒产生滑移，把一部分原来砂骨架承担的力转移给孔隙水，引起超孔隙水压力增加和有效应力减少。有效应力减少便引起砂骨架的回弹。由于地震作用历时短以及其它原因，孔隙水来不及消散，实际上可看做是不排水情况。又由于水的体积可看作不可压缩的。对于砂骨架来说，它恰好起到了图c所示刚性支座的作用。水实际上不可压缩，因而砂骨架体积不变，水实际上不可承受剪力，全部剪力势必由砂骨架承担。这样便导致在地震作用下，砂粒滑移——孔隙水压力增加——有效应力减少——砂骨架回弹这一现象的发生。地震动力是一种循环作用，在每一次循环中，又砂粒滑移引起的体积减少，在数量上都等于由回弹引起的体积增加，这一过程持续到可恢复的弹性应变能完全释放为止，一旦可恢复的弹性应变能完全释放，即产生液化。在这一过程中，虽然由于砂结构的总体积保持不变，砂骨架孔隙的体积也没有改变，而是孔隙水压力等于总应力，这就意味着饱和砂土抗前强度的丧失。地震过后，由于喷砂冒水和其它途径的排水，超孔隙水压力总要消散的，于是砂层在原来的压力下又重新固结，逐渐达到稳定状态，如图c所示。这时，砂层中超孔隙水压力又恢复到零，整个外力又重新由砂骨架承担，即有效应力等于总应力。这些都和地震前的稳定状态一样，不同的是砂骨架经过地震动力的扰动后，固结后砂层要较之前趋于密实，表现为地面下沉。2.2砂土液化的影响因素砂土液化是一种相当复杂的现象，它的产生、发展和消散主要是由土的物理性质、受力状态和边界条件所制约。存在着很多的影响因素，归纳起来有三大类：一是动荷条件；二是埋藏条件；三是土性条件。2.2.1动荷条件动荷条件主要指的是振动强度和持续时间。振动强度以地面加速度来衡量，振动强度大，地震地面加速度就大，相同条件下的饱和砂土层就容易被液化。振动持续时间长，往往意味着往复加荷次数多，反之则少。因此地震持续时间越长，砂土越可能被液化，在地震地面加速度相同的情况下，持续时间短不液化的砂土层，在经过较长时间的振动后可能会发生液化。2.2.2埋藏条件2.2.2.1上覆土层厚度理论上讲，上覆土层厚度较大时，上覆土重有效压力越大，若使其下部砂土层液化，则需要砂土层内能够聚集起较大的超净孔隙水压力以承担上覆土层重量，而上覆土层厚度较小时，砂土层只需具有较小的超静孔隙水压力即可顶托起上覆土重。因此，埋深大的饱和砂土层较埋深浅的饱和砂土层难于液化。2.2.2.2上覆土层的透水性上覆土层的透水性是影响其下砂土层是否发生液化的关键因素之一。如果上覆土层透水性大，则饱和砂土层受到震动作用时，砂土层中的水就会通过上覆土层排出，超静孔隙水压力很快就能消散了，很难在砂土层中聚集起使砂土液化所需的超静孔隙水压力条件，砂土层一般不会液化，只有上覆土层透水性较弱，从砂土层下部上来的水才有可能在砂土层上部聚集起较高的超孔隙水压力不易消散，才有可能发生液化。2.2.2.3应力历史遭受过历史地震的砂土比为遭受地震的砂土不易液化，但曾遭受过液化又重新被压密的砂土却较容易重新液化。2.2.3土性条件2.2.3.1砂土的粒径不同粒径砂土的室内试验研究表明：粗粒砂土较细粒砂土更难与液化。其原因有二：第一是粗粒砂超静孔隙水压力消散较快。从表1可以看到：随着砂土粒径减少，茶平静孔隙水压力消散时间变长。其中，平均粒径0.15mm的砂，超静孔隙水压力停留在常数的时间为35s，平均粒径在0.1mm左右的砂土抗液化能力最差。第二组是粗粒砂较细粒砂更难于液化悬浮状态。不均匀系数越小，粘粒含量越高越不容易液化。表1不同粒径砂土超静孔压消散时间表1不同粒径砂土超静孔压消散时间2.2.3.2砂土的相对密度砂土的相对密度，值在0-1之间变化，通常值越接近于1，则e越接近于，说明砂土层越密实。通常，相对密度越大，砂土越难液化。据室内试验研究结果表明，当加速度为0.2g，若相对密实度达到62.5%时，砂土一般不液化；当加速度为0.4g。若相对密实度达到66%以上时，砂土一般不液化；当加速度为0.5g，若相对密实度达到66.5%以上时，砂土一般不液化。2.2.3.3砂土初始孔隙比初始孔隙比与相对密实度对液化的影响趋势是相同的，初始孔隙比越大，相对密实度越小，则孔隙水压力传递越快。在不排水条件下，超孔隙水压力累积越快，砂土越易液化；相反，初始孔隙比越小，相对密实度就越大，超静孔压力累积越慢，砂土就越不容易液化。2.2.3.4砂土的渗透系数渗透系数k越大，砂土渗透性越好，有利于排水，孔隙水压力易于消散，能减少砂土液化的可能性。2.2.3.5砂土结构性砂土结构性主要是指砂土内颗粒排列和胶结程度。原状土比结构破坏的土更不易液化，老砂层比新砂层不易液化。2.2.3.6前期固结程度对不同固结压力下饱和砂土进行单剪液化试验，分析前期固结压力对液化的影响。试验结果表明：固结程度越高，所需的往复应力峰值与加荷次数越大。砂土越不易液化；反之，固结程度越差，砂土越容易液化。2.3砂土液化的判别2.3.1地震液化判别的方法从工程的抗震设计要求及地层土的物理力学性质，对饱和粉、细砂及粉土先进行初步的判定。依据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）判定有液化可能性的，须进一步判定并给出液化等级，主要有以下方法：①标准贯人试验判别；②静力触探试验判别；③剪切波速试验判别；④土的相对密实度判别。[6]2.3.2地震液化判别的问题地震液化是由多种内因（土的颗粒组成、密度、埋深条件、地下水位、沉积环境和地质历史等）和外因（地震动强度、频谱特征和持续时间等）综合作用的结果。目前各种判别液化的方法都是经验方法，都有一定的局限性和模糊性。如标准贯人试验本身的试验方法就不够标准，其方法的影响因素较多（地层厚度划分的准确性、标贯试验操作的规范性、钻杆长度的准确性及钻杆的型号等），因此标贯试验击数的离散性较大，但液化判别公式（抗震规范公式）是在多次地震实测基础上建立起来的经验公式，因此标贯试验判别还是最基本的方法。但行业规范、地方性规范、勘察规范等都列出了用静力触探、剪切波速试验判别液化的经验公式，这些测试比较标准稳定，因此液化判别应强调“综合判别”。2.3.3先横后纵的判别方法由于用标贯试验判别液化时离散性较大，受人为因素干扰较强，因此规范规定每个场地判别液化的勘探点不应少于3个，需作判别的土层中，试验点的竖向间距为1．0m～1．5m，每层土的试验点数不宜少于6个。判别过程中首先要分好土层，如同一层土中的试验点判别结果只有少数点（一般控制在1／4比例）判别为液化，则可认为这层土为非液化土层；反之为液化土层，然后按钻孔纵向（同一钻孔、几层土）计算液化指数，计算过程中如果横向判别确定为非液化土层，则在竖向计算液化指数时可不考虑这土层的液化问题。这就是液化判别中的先横后纵的判别方法。砂土液化的防止对策及其施工方法研究地震作用下砂土液化的重要目的是预防砂土液化，减少由它造成的危害，减轻砂土液化造成的损害的措施可分为两类：（1）对地基砂土自身的改良：通过改良砂土的性质，加强土的抗液化能力，积极预防砂土液化的生产和发展；（2）对建筑物自身进行耐液化设计改良，即结构改良措施：对没有进行地基处理（或未达到预定效果）的液化地基，通过加强结构的抗液化能力，预防结构破坏。3.1方法的选定选定方法时必须考虑以下条件：①地基条件。改良深度：改良深度内的地层成层状态；细粒土含量；在原地基上砂土液化发生的可能性大小；②施工条件。附近建筑物的有无及其重要程度；施工区域的高度限制及材料搬入路径；③上部结构条件、建筑物的变形允许度及安全度等。上述诸条件中，尤其重要的是附近建筑物的有无。施工区域附近没有建筑物，同时具备其他条件，从可靠性和经济性上一般可选定加实砂桩法。如果施工周围存在建筑物。从经济性、重要性及到附近建筑物的距离等综合考虑。选定振捣棒加实法、砂的振浮压实法或碎石排水法及深层混合处理法等比较好。3.2砂土改良措施饱和砂土砂化现象是排水条件不利情况下松散的砂土骨架由于振动作用造成松弛，粒间应力逐渐转给孔隙水，使孔隙水压力不断升高而带来的后果。因此，要防止砂土产生液化，根本途径是消除液化产生的条件，最重要的措施是提高砂土密度，改变砂土应力——应变条件和尽量消除发展的孔隙水压力，预防砂土液化的主要措施有：振冲法、排渗法、强夯法、爆炸振密法等等。表2列举了沙土改良的原理和实际应用方法。表2沙土改良的原理和方法表2沙土改良的原理和方法3.2.1振动固结法振动固结法有加实砂桩法、振捣棒加实法、砂的振浮压实法。图1所示的加实砂桩法，加实砂桩法（SCP）是指把直径400~500mm，装有砂、碎石的套管通过上端的振动机的振动使套管贯入地中，而后随着套管的拔出，套管中的砂、碎石注入孔中，经过反复进行形成了大型地下砂石桩的一种方法。图1加实砂桩法的施工机械和施工方法图1加实砂桩法的施工机械和施工方法振捣棒加实法与加实砂桩法基本相同。砂的振浮压实法的施工机械和施工方法见图2.图2砂的振浮压实施工机械和施工方法图2砂的振浮压实施工机械和施工方法以下对于深层振动固结法的设计方法进行概要说明。振动固结法是把砂桩或砾桩以正方形或三角形贯入地中，固结地基的方法，见图3.它的改良程度以置换率来表示，计算式如下所示：图3砂或砾桩的配置正方形配置时，；正三角形配置时，。始终为桩的横断面面积；为桩的直径；为桩间距。图3砂或砾桩的配置图4表示的是曲线，通过振动固结法使贯注砂桩部位的地基固结，从而提高了被固结部位的值，根据这个原理，作出图4所示的基本曲线，这个基本曲线。这个基本曲线也是可能适用于其他处理方法，如果原地基的值和不发生液化状态的值被确定，根据图4的适用曲线能够决定置换率，因而从上式可以算出桩间距。图4对砂质土SCP的设计曲线图4对砂质土SCP的设计曲线桩直径：加实砂桩法为70cm，振捣棒加实法和砂的振浮压实法为50-60cm。3.2.2强夯法图5表示的是重锤落下夯实法的施工装置。这个方法是使用重8-40t，底面积2-4m2的重锤从高10-30m处落下固结地盘的一种方法。重锤落下分3-4次进行，最后一次降低高度，大约从10m处落下进行夯实，然后把砸出的坑用土填平。根据经验，改良深度可以根据下式确定。图5重锤自由落下夯实法的施工机械式中为改良深度（m）；为重锤的重量（t）；为系数（0.3-0.7）；为重锤下落高度（m）。图5重锤自由落下夯实法的施工机械该方法施工简单，加固效果好，使用经济等优点，但施工噪音大。3.2.3增加盖重法增加盖重法是在可液化的土层上面填筑非液化土层，并压实以降低其渗透性，填土厚度应根据本地区的地震烈度进行计算，砂土顶面的有效压力大于可能产生液化的临界压力。3.2.4排水法图6表示的是碎石排水法的施工装置和施工方法。排水与等价圆柱半径的比和允许间隙水压比的关系如图7所示。根据上述的关系图可以决定排水的布置。另外，此种方法与振动固结法相比要决定的参数较多，因此在设计上也比较复杂。图6碎石排水法的施工机械和施工方法图6碎石排水法的施工机械和施工方法图7a/b与允许间隙水压比图7a/b与允许间隙水压比3.2.5换土法换土法适用于表层处理，一般在地表下3-6m有液化土层时，可以挖除并回填粗砂压实，如高等级公路中可液化地区的小桥涵及其服务设施都可采用这种方法进行处理。施工时，土料要在最佳含水量下压实或夯实，并以干容重和压实系数控制质量。3.2.6深层混合处理法深层混合处理法的施工装置与施工方法如图8所示。装有搅拌翼的处理机在动力的驱动下贯入地中，混凝土类固化材料与地层成分混合，使地基被固结的一种方法。图9是深层混合处理法改良形式示意图。进行砂土液化防止对策时，采用的型式有圆形改良、块状改良及格子形改良。图8深层混合处理法的施工机械和施工方法图8深层混合处理法的施工机械和施工方法图9深层混合处理法的改良型（平面图）图9深层混合处理法的改良型（平面图）3.3结构改良措施当由于某些原因而无法对液化地基进行处理或处理的费用过高时，可以考虑通过对基础和上部结构进行处理或者改变基础型式；来减轻液化可能造成的破坏。3.3.1减轻液化影响的浅基础和上部结构处理选择合适的基础埋置深度；调整基础底面积，减少基础偏心；加强基础的整体性和刚度，如采用箱型基础、筏板基础或钢筋混凝土十字交叉条形基础加设基础圈梁等；减轻荷载，增强上部结构的整体性和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用对不对称沉降敏感的结构形式等；管道穿过建筑物处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。3.3.2减轻液化地基中桩基震害的措施采用桩基穿过可液化土层以消除液化时建筑物下沉的危险是工程中常用的措施之一。但是由于砂土液化会对桩基本身造成破坏，故为了发挥桩基的抗液化作用，就必须要采取一定的措施来保证桩身的安全。震害和文献的分析结果表明，液化地基有无侧向扩展，对液化地基上桩基震害有着显著的影响。在有液化侧向扩展的地基上，桩基的震害一般更为严重。从文献的分析结果可以知道，由于受到地面侧向位移的影响，在液化层及软硬土层交界处桩身承受很大的弯矩和剪力，容易在液化层及软硬土层交界处发生弯剪破坏。因此在液化土层使用桩基时，应首先对潜在发生地面大位移的地基进行处理，然后在构造方面采取积极的措施，才能真正确保桩身的安全。加强桩头与承台的连接。不论是液化土中的建筑桩基，还是非液化土中的建筑桩基，桩头部位总是出现大弯矩与剪力的危险部位，损坏部位主要在桩头和承台的连接处及承台下的桩身上部，由拉、压、剪压等导致破坏。按国外的经验，按铰接设计的桩实际震害较多，桩头部位常遭损害，说明实际桩与承台并不是真正的铰接设计。为安全设计，应按固接于承台来设计，让桩头部分有足够的抗剪与抗弯能力。日本工程界也认为改进桩头的嵌固程度是减小桩基震害的重点之一，目前提出的方案：增加桩头埋入承台的长度不小于桩径；桩内钢筋要深度桩头相