地基基础设计思考与实践（十七）-地基液化

地基基础设计思考与实践（十七）

—地基液化

                          

      地面振动下的地基对上部建筑的地震作用是上部结构设计的主要内容，我在《浅谈结构抗震概念》系列文章中谈的就是这部分的内容，现谈一下地震下地面振动时地基土的性状，地基土液化是最主要的内容之一，本期主题是地震作用下的 地基土液化 。

                       

一

    地基土为什么会液化？

    水杯里的水在晃动的情况下，产生加速度，对杯壁的压力会超过静水压力，超过的部分叫超水压，即使停止晃动，超水压也不能马上停止，超水压会随着时间逐渐降低直至回到原来的静水压力。饱和砂土中的水在振动的情况下也会产生超过静水时的压力叫超空隙水压力。当超水压力甚至大于土颗粒的密度时，这时候砂土颗粒就会处于悬浮状态，成为粘滞流体，抗剪强度几乎为零。这就是液化现象，也叫完全液化。液化也包括振动时水压力升高，砂土颗粒丧失部分强度的现象，也叫部分液化。    

    液化常见于不太密的砂土和粉土，但又发现在湿陷黄土和砾石在强震下也有发生液化的现象，目前还未列入规范。在更高的烈度区不排除其它土的液化。

    砂土容易液化是因为砂土颗粒之间的粘聚力很小，比如沉在碗底的小米在晃动时，很容易和水一起翻滚起来，但在水底的面团就不会，道理就是粘聚力的作用。

     可以从以下几个角度来理解地基土液化的难易程度， 地震力的大小 、 粘聚力 、 密实度 、和 埋深 及 地质历史年代 。密实度越大，抗剪能力越强故不易液化，埋置越深一般密度也越大同时受到四周侧限和上部压力的约束，也不易液化。地质年代越长的土密实度和粘聚力往往越大，所以也更难液化。

    液化的危害甚大，大家都知道，再汇总一下。

    1、 喷冒 ，超空隙水压力甚至超过地面高度的水头，造成喷冒现象。

    2、 上浮 ，超空隙水压大于静止水压（下文另述），造成正常不会上浮的结构，在地震时整体上浮或抗浮构件的破坏。

    3、 地基失效 和 震陷 。地基承载力和地基稳定和土的抗剪强度密切正相关，当地基液化时，地基抗剪强度减低或完全消失，地基就会发生滑切稳定破坏，倾覆力矩作用下地基失稳、建筑倾覆或沉陷。另外震陷不光发生在液化地基，软土地基也要考虑震陷。

   4、液化 侧向扩展和流滑 。当液化土层位于两层非液化土之间时，液化土就像一层滑动层，使有坡度的土层大面积的滑动。

  

    5、有意思的是，液化对地震波产生“ 滤波 ”作用，使高频波衰减很多，因而是地面加速度比非液化小很多，我的浅谈建筑结构抗震设计概念对这个问题有过理论解释。这种滤波作用对短周期的建筑是有利的，但我们设计时不敢利用这种有利的作用，还是要消除液化的影响。    

    上述任何情况对地面上的建筑或构筑物都会造成严重的破坏，所以要尽量避免。但液化土的震害一般发生在地震停止之后（地震一般持续数十秒，一般不会超过一分钟),所以伤人很少。

                        

二

    怎样判别饱和砂土的液化呢？应该说地基土的液化是一个非常复杂的问题，很难有一个理论确定的方法，所以规范主要以经验和实验归纳出来的方法为主。本文简单的说下概念，便于工程师理解和记忆。

     1、地质年代久远的土粘聚力、密实度都已经够了，不能液化了。  

     2、粘性土因为土颗粒之间有粘聚力，地震动时，土体之间不宜发生颗粒的错动，孔隙水无用武之地，所以不容易发生液化。所以《抗规》4.3.3第2款规定，粉土的粘粒百分比不小于多少时，可以判定为不液化。

   

 

   3、深层土的液化积累的经验并不是很多，不过实际案例中深层土液化的例子很少。我们也可以这样理解，深层土的受到约束、自重压应力较大，土层地址历史等原因，相对于于浅层土难以液化，所以《抗规》对浅基础的地基下有埋置深度较深的液化土层时，可以不考虑液化的影响。

   4、经上述的1~3的方法初步判断为液化土时，才需要用4.3.4条继续进一步判别，不可用标贯法直接进行判别，否则会引起混乱。从土的液化机理看，密实土不容易液化，标贯法测定的就是是砂土的密实度，所以《抗规》4.3.4给出了标贯锤击数的临界公式。但规范给出的是20米范围的土层判断，更深的比如高层桩基时对深层的可能液化的土层要专门的研究。

   5、当确定地基中某些土层属于液化土层时，需要进一步估算整个地基产生液化后果的严重程度。《抗规》4.3.5用液化指数表示。

   该公式是个经验归纳的，我们据此可以大概判断下方向。液化层越松（ 越小）、越厚（ 越大）、越浅（ 越大），则液化系数越大。该公式未能考虑结构类型和地面滑动的影响，主要反映水平场地的地面破坏情况，因此液化指数主要反应浅基础房屋的液化危害。

   刘慧珊的《地基基础工程283问》给出了不少不同液化系数的液化破坏案例，很有参考价值，现部分抄录如下：

三

    抗规4.3.6根据液化危害程度（液化指数）和建筑类别对液化土提出了不同的处理措施：

    

    但应该注意，该条规定仅仅是平坦场地液化土层比较均匀的情况，并未考虑海边、河边等可能存在测扩、流滑的情况，也未考虑上部不均匀重力荷载和倾覆力矩的影响，这种情况应另行考虑。

    抗规4.3.10规定海边、河坡底存在液化土层可能发生测扩、流滑地段内不应修建永久建筑。必须注意，在这种地段建设房屋单单解决建筑基底范围的液化是不够的，很可能发生整个场地大范围的侧向流滑，所以不宜修建，除非大面积的消除场地液化土层。

    对重要的建筑，应该按要求按抗规4.3.7条全部消除液化土。消除液化土柔性桩挤密是一个很好的方法，对于桩基来说还可以大大提高桩的承载力，可谓一举两得。

   

四

    桩基存在液化土层时，如何理解规范的相关规定（抗规4.4.3）呢？

    1、地震时液化土层液化产生很大的水平运动，使桩在液化土层与非液化土层交界面处受到很大的弯剪作用，故在这些地方桩身容易受损，有液化测扩时桩还要受到很大的侧向推力的作用，因此液化土中除桩头外深处的桩身也长遭破坏。见下图：

    2、临海、河边斜坡地的液化土层很容易发生侧或流滑，对桩产生很大的侧推力，这个侧推力不但是液化土层的，上覆的非液化土层被迫随着液化土层一起流动，产生的侧向推力比一般的液化土层大的多，类似滑坡。

    因日本的地理特点，其在桩基液化震害方面的案例很多，表明液化区桩的震害比非液化区震害相对多而更加严重，我们可以参考其案例。设计者要充分认识在液化区桩基正确设计的重要性。

    有液化土层的桩基设计《抗规》做出了如下规定：

    1、《抗规》4.4.3第1条：承台埋深较浅时不宜计入承台周边土的抗力或刚性地坪对水平力的分担作用。该条概念上比较费解，应该是安全储备。

    2、用挤密桩可以起到加密液化土从而减弱或消除液化的作用，《抗规》4.4.3第3条对群桩挤密的作用及桩的计算方法做了规定。

    3、在承台底面上下的浅层液化土层较薄时，可以不处理或浅层处理（如换土或夯实），处理时应处理到承台底面以下，轻微液化的也可以不处理。

    4、深层桩身范围的液化土层的桩基，如果不对液化土层进行处理，且承台底面有不小于2.5米的非液化和非软弱土层时（换句话说，承台深度范围的浅层不允许有液化土层），按两种方法分别计算， 并采用不利情况进行设计 。

     桩承担全部地震作用：液化土层的全部抗力（桩周摩阻力、水平承载力及其他抗力）均乘以小于1的折减系数计算桩的承载力。

    桩承担部分地震作用：按地震最大影响系数的10%为对桩的作用按正常桩基验算，但此时桩的承载力需扣除液化土层及承台下2m深范围的非液化土的承载能力。

    这两种计算方法应该主要是经验总结出来的，理论依据不多。

   5、为解决液化土与非液化土层交接面对桩的剪弯作用，《抗规》4.4.5强条规定了桩身的配筋应该加强，从桩顶直到液化土层以下2倍桩径范围配筋和桩顶相同，且箍筋应加大。

 

     6、目前基本确定，在距海边、河边或故河道岸边150~200米的地带是液化侧扩或流滑的主要区域，超过这一地带影响较小，地面的竖向和侧向位移比较均匀，可能不会地裂。因此建筑物不宜布置在侧扩或流滑的主要影响区域。在此区域的桩基应进行抗液化测扩能力验算（抗规4.4.6条）。

    建议按下面的计算原则：

     a、对岸边50米以内的桩按液化后的土的侧压计算（液化侧压计算见下文）。非液化土层上覆层随下面的液化土一起侧流，其施加在桩上的侧压力按被动土压力计算，液化土层的侧压力按自重的1/3计算。对距岸边100米以外的结构，认为所受的液化测扩的压力较小可不计。50~100米以内的部分可按上述的插入计算。桩群的计算宽度按边桩外缘的计算宽度。

   

                            五

    液化后的土的侧压力与上浮力如何计算？

    前期的文章说过，泥浆中的物体的浮力并不是按泥浆的比重计算，甚至因泥浆的粘滞作用，其浮力小于水浮力，这个仅仅是个概念，实际工程中不存在。但地震液化下的土的侧压力和浮力是像悬浮液一样，其浮力和侧压力按液化土的密度计算，服从阿基米德定律。这样埋在液化土中的结构的上浮力与侧压力比液化前大的多，见下图：

  

     液化后的浮力和侧压力变成了土的容重的液体时的浮力和侧压力，比液化前大了将近一倍。

     本文叙述理论上不严谨，主要是概念，目的是协助结构工程师理解规范关于液化土的有关规定。

 

                                         

                                           2021年5月17日

参考文献：

1：地基基础工程283问    刘惠珊 等

2：《抗震设计规范》及条文。

2：《建筑地基基础设计规范》及条文。

3：基础工程、土力学   清华大学 李广信等