王夏城

(福建西海岸建筑設(shè)計(jì)院， 福建 福州 350011)

0 前言

土壤液化是指在外力的作用下，原本是固態(tài)的土壤變成液態(tài)，或變成黏稠的流質(zhì)。在地質(zhì)勘查環(huán)節(jié)中，砂土液化是重要的內(nèi)容之一，但隨著抗震設(shè)計(jì)幾十年的發(fā)展，簡(jiǎn)單劃分飽和砂土及飽和粉土為可液化土并對(duì)其進(jìn)行液化判別、計(jì)算的方式已經(jīng)不夠全面，近些年來(lái)關(guān)于土壤液化的判別、計(jì)算方法在國(guó)內(nèi)越來(lái)越受到重視。本文是根據(jù)土壤液化機(jī)理，簡(jiǎn)單的探討在地質(zhì)勘查中土壤液化判別、計(jì)算的不足及發(fā)展趨勢(shì)。

1 土壤液化機(jī)理及危害

土壤液化主要出現(xiàn)在分布深度較淺，飽和的疏松砂土、粉土中，當(dāng)外力反覆作用下（如地震作用），松散土的孔隙減小，孔隙水壓力迅速上升直至大于土體本身所受外部壓力狀態(tài)時(shí)，從而使得土體有效應(yīng)力降為零，完全散失其抗剪強(qiáng)度，土壤發(fā)生液化。土壤液化會(huì)造成基礎(chǔ)喪失承載力；地基不均勻沉降；建筑物開(kāi)裂、傾斜甚至倒塌等嚴(yán)重后果，因此在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于土壤液化的判別和處理是工程抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

2 可液化土范圍

根據(jù)土壤液化機(jī)理，只要土體孔隙水壓力急速上升抵消外部壓力，土壤液化就可能發(fā)生，而在實(shí)際工程中，發(fā)生液化的土類(lèi)主要是砂土和粉土，這是因?yàn)槠漭^弱的透水性及較小的粘聚力。因而在早期的《建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范》中只涉及對(duì)飽和砂土及飽和粉土的液化判別，2010年后才新增了關(guān)于粉質(zhì)粘土液化震陷的內(nèi)容，地質(zhì)勘查中也只針對(duì)飽和砂土和飽和粉土進(jìn)行液化判別，然而大量實(shí)例表明這一對(duì)于可液化土的定義是片面的。

3 液化判別方法及發(fā)展趨勢(shì)

影響土壤液化的因素首先是土體的顆粒情況，土壤液化是由土的孔隙水壓力迅速上升造成的，因此在其他條件相同的情況下，土的粒徑及孔隙比越大，滲透性就越大，相應(yīng)的液化可能性就越?。淮送馔林叙ち：吭酱?，土的粘聚力越大，液化可能性越小。所以粉細(xì)砂液化的可能性最大，中粗砂與粉土次之，粘性土和礫性土較為不易液化，這與實(shí)際情況也相符合。

在地質(zhì)勘查中，對(duì)于砂土及粉土，目前主要是先進(jìn)行初判，包括通過(guò)土層的地質(zhì)年代、粉土中黏粒含量及上覆非液化土層厚度來(lái)判定場(chǎng)地是否需要考慮液化影響。再對(duì)需要考慮液化影響的情況，以標(biāo)貫擊數(shù)與計(jì)算得到的標(biāo)貫擊數(shù)臨界值比較來(lái)判定是否發(fā)生液化，標(biāo)貫擊數(shù)臨界值計(jì)算公式如下：

式中：Ncr—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；

N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，應(yīng)按表4.3.4采用；

ds—飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度（m）；

dw—地下水位（m）；

cρ—黏粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3。

β—調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

新的規(guī)范中一般是對(duì)地面以下20m深度范圍進(jìn)行判別，只有在可不進(jìn)行天然地基及基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算的各類(lèi)建筑時(shí)，可只判別地面下15m范圍內(nèi)土的液化。液化深度范圍和標(biāo)貫擊數(shù)臨界值計(jì)算公式是在過(guò)去幾十年根據(jù)實(shí)際案例及理論研究不斷修改完善，是比較成熟的。但是僅依靠標(biāo)貫擊數(shù)來(lái)判定液化與否顯然還是有一定的局限性，標(biāo)貫?zāi)芊磻?yīng)砂土的密實(shí)度，但對(duì)土體本身性質(zhì)如粒徑、級(jí)配等都無(wú)法體現(xiàn)，而這些性質(zhì)都是對(duì)土的滲透性有明顯的影響。在這一方面，日本作為地震頻發(fā)國(guó)，有著更加嚴(yán)格的規(guī)定，是根據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)、均勻系數(shù)、等效粒徑多方面共同來(lái)判斷是否液化，這方面的研究是進(jìn)一步完善砂土及粉土液化判別的一個(gè)方向。

關(guān)于粘性土的液化現(xiàn)象，汪聞韶院士是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行研究的專(zhuān)家，于1980年提出了飽和少粘性土液化判別的標(biāo)準(zhǔn)，即以液限、塑限判別少粘性土的液化，公式如下：

式中：WS—天然含水量；

WL—液限含水量，采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定；

IL—液性指數(shù)。

這一判定方法在國(guó)內(nèi)已獲得普遍認(rèn)可，且在國(guó)際上也有一定影響，近些年來(lái)在這一方法的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的改進(jìn)，但都是以汪聞韶院士的基本思路進(jìn)行的優(yōu)化。可見(jiàn)，在粘性土的液化判別中，目前已經(jīng)有了相對(duì)較成熟的思路與方法，并且在已經(jīng)發(fā)生的地震中多次出現(xiàn)了粘性土液化的現(xiàn)象，因此，將粘性土液化判別列入規(guī)范條文是有必要且有條件的。在目前的地質(zhì)勘查中，對(duì)于粘性土的液化判別并不重視，并且主要是針對(duì)于粉質(zhì)粘土，筆者認(rèn)為在地質(zhì)勘查未來(lái)發(fā)展中，應(yīng)該要考慮粘性土的可液化性，完善液化判別式成為規(guī)范，在此基礎(chǔ)上，對(duì)黏粒含量不同的粘性土應(yīng)要細(xì)化判別方法，在安全性和經(jīng)濟(jì)性之間取得一個(gè)良好的平衡。

在汶川地震之前，礫性土液化的現(xiàn)象極少，因此普遍認(rèn)為礫性土可視為不液化土，國(guó)內(nèi)外對(duì)于礫性土液化現(xiàn)象的研究也較少，目前也還沒(méi)有一個(gè)被普遍接受的判別方法。日本學(xué)者提出了以動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)為基本手段的砂礫土液化判別方法，但砂礫土動(dòng)三軸液化實(shí)驗(yàn)技術(shù)復(fù)雜，限制較大，并且后續(xù)不同學(xué)者采用動(dòng)三軸試驗(yàn)得到的相關(guān)結(jié)論無(wú)法得到統(tǒng)一甚至有所矛盾，因此通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)得到的成果暫時(shí)還是處于研究階段，無(wú)法應(yīng)用于工程實(shí)踐中。美國(guó)學(xué)者提出了基于貝克貫入試驗(yàn)的砂礫土液化判別方法，該方法的是將貝克貫入擊數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，再對(duì)砂礫土液化可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。這一方法是沿用了采用標(biāo)貫擊數(shù)對(duì)砂土液化進(jìn)行判別的思維方式，但由于礫石與砂土之間的區(qū)別，是否準(zhǔn)確也有待實(shí)踐考證。在汶川地震大量的礫性土液化實(shí)例之后，國(guó)內(nèi)學(xué)者也就這一問(wèn)題開(kāi)始進(jìn)行了分析研究，希望能得到一個(gè)較為可行的判定方法。采用動(dòng)力觸探對(duì)礫性土液化進(jìn)行判別就是一種思路，這一方法在國(guó)內(nèi)外都有學(xué)者進(jìn)行嘗試，袁曉銘及曹振中先生就這一思路得到了一個(gè)復(fù)判模型及計(jì)算公式并進(jìn)行了通用性的研究。此外，利用剪切波速試驗(yàn)對(duì)礫性土場(chǎng)地進(jìn)行液化判別也是國(guó)內(nèi)學(xué)者的一個(gè)研究方向，并且具有一定優(yōu)勢(shì)和潛力。筆者認(rèn)為，對(duì)礫性土液化的判別是地質(zhì)勘查中有必要的一個(gè)環(huán)節(jié)，雖然礫性土具有較好的滲透性而不易液化，但不能忽視其可能性。目前的研究中，已經(jīng)得到了一些簡(jiǎn)單的成果來(lái)對(duì)礫性土場(chǎng)地進(jìn)行初判，如密實(shí)度、含礫量對(duì)液化可能性的影響等。在科研人員不斷研究試驗(yàn)得到較成熟的礫性土液化判別方法后，也應(yīng)該將其列入條文規(guī)范中作為地質(zhì)勘查的一部分。

4 結(jié)語(yǔ)

在幾十年抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展中，砂土液化是非常重要的一部分，對(duì)砂土、粉土的液化判別方面也處于較為成熟的階段，但隨著近二十年地震中更多液化現(xiàn)象的發(fā)生，砂土液化判別顯示出了一定的局限性。粘性土及礫性土液化在地質(zhì)勘查中漸漸受到了重視，可液化土的范圍不再局限于砂土和粉土。通過(guò)試驗(yàn)、研究的深入，土壤液化判別將會(huì)向著范圍更加全面，方法更加準(zhǔn)確，抗震設(shè)計(jì)條文規(guī)范更加完善的方向不斷發(fā)展。