强震作用下饱和砂土液化判别模型及工程防治对策

一、引言

地震作为自然界中极具破坏力的灾害之一，常常引发一系列次生灾害，其中饱和砂土液化现象尤为突出。当地震波传播至饱和松散的砂土层时，孔隙水压力急剧上升，导致土体有效应力减小甚至丧失，从而使砂土呈现出类似液体的状态，即发生液化。这种液化过程会严重破坏地基的稳定性，造成建筑物倾斜、沉降、倒塌等严重后果，给人类生命财产带来巨大损失。因此，深入研究强震作用下饱和砂土液化的判别模型及相应的工程防治对策具有极为重要的现实意义。

二、强震作用下饱和砂土液化的形成机制与危害

（一）形成机制

饱和砂土是由固体颗粒骨架和填充其中的孔隙水组成的两相体系。在静力状态下，砂粒间通过接触点传递应力，维持着一定的结构稳定。然 震作用 震动会使砂粒产生相对位移，颗粒间的摩擦阻力增大，阻碍了孔隙水的排出。随着振动持续 水压力不断累积升高，当孔隙水压力等于或超过上覆土层的总应力时，土体的有效应力降至零，此时砂土颗粒完全悬浮于水中，失去剪切强度，进入液化状态。

（二）危害表现

1. 地基失效：液化后的砂土地基无法正常承载上部建筑物的重量，导致基础不均匀沉降、滑移，进而引起建筑物墙体开裂、柱体压屈破坏等结构损伤。例如，在一些地震灾区，可以看到房屋因地基液化而整体歪斜的景象。

2. 地表喷砂冒水：液化过程中，高压的孔隙水携带着细颗粒物质冲破地表薄弱处，形成喷砂冒水现象，这不仅改变了场地地形地貌，还可能掩埋周边设施，影响交通线路畅通。

3. 侧向扩展与流滑：大规模的液化区域可能发生侧向扩展，使原本平坦的土地出现裂缝、塌陷，甚至沿着一定方向滑动，对附近的构筑物造成冲击和破坏。

三、饱和砂土液化判别模型

（一）基于标准贯入试验（SPT）的判别方法

标准贯入试验是一种常用的原位测试手段，通过将一定重量的标准锤从规定高度自由落下，击打带有取样器的钻杆底部，记录打入土层一定深度所需的锤击数 N 值。许多国家和地区根据大量的地震经验和研究数据，制定了以 N 值为主要参数的液化判别准则。一般来说，当实测的 N 值小于临界值 Ncr 时，认为该砂土层可能发生液化。但需要注意的是，此方法受多种因素影响，如土层的密度、含水量、颗粒组成以及测试时的操作规范性等，所以在实际应用中需要进行适当的修正和调整。

（二）静力触探试验（CPT）判别法

静力触探是将圆锥形探头匀速压入土中，连续测量锥尖所受到的阻力 qc 和侧壁摩阻力 fs。利用这些参数可以计算出反映土体特性的综合指标，进而评估砂土的液化可能性。与 SPT 相比，CPT 具有操作便捷、数据连续性好等优点，能够更精细地刻画场地土层的剖面特征。研究人员建立了基于 qc、fs 与其他辅助参数的经验公式来确定液化势指数，为判断是否液化提供量化依据。

（三）剪切波速法

剪切波速是衡量土体动力特性的重要参数之一。通过现场测定不同深度处土体的剪切波速 vs，并结合覆盖层厚度、地下水位等因素，运用理论模型计算出土体的剪切模量 Gmax。根据弹性半空间理论，当 Gmax 低于某个阈值时，预示着砂土在地震作用下有较高的液化风险。该方法直接反映了土体的刚度特性，对于评估液化潜力较为准确，但对测试设备和技术要求较高。

四、工程防治对策（一）换填法

对于浅层且范围较小的液化砂土层，可采用换填非液化材料的方式进行处理。常见的换填材料有粗砂、砾石、碎石等透水性良好的硬质颗粒料。将这些材料回填至液化土层部位，逐层夯实，形成稳定的持力层。换填法施工简单直观，能够有效提高地基承载力，消除液化隐患。但在选择换填材料时，要确保其级配合理，以保证良好的排水性和密实度。

（二）加密法

包括振冲加密、挤密砂桩等方式。振冲加密是利用振动水冲工艺，在地基中成孔后回填砂石料并振动密实，使周围土体得到挤密加固；挤密砂桩 注的方式打入桩体，对周边砂土产生横向挤压作用，增加其相对密度。这两种方法都能显著改善砂土的结构状态，降低孔隙比，从而提高抗液化能力。适用于处理中等厚度的液化砂土层，但在施工过程中要注意控制施工参数，避免对周边环境造成过大扰动。

（三）围封法

当液化土层较深或采用其他方法难以实施时，可采用围封法。具体做法是在建筑物基础周围设置封闭的帷幕结构，如深层搅拌桩墙、高压旋喷桩墙等，阻止地下水进入基础下方的液化区域，减少孔隙水压力的来源。同时，帷幕本身也能起到一定的支撑作用，增强地基的整体稳定性。该方法技术难度相对较高，成本也较大，但对于复杂场地条件下的液化防治效果较好。

（四）排水减压措施

设置合理的排水系统也是防治砂土液化的重要手段之一。可以在地基内部设置水平或垂直排水通道，如砂井、塑料排水板等，加速地震时产生的孔隙水排出，降低超静孔隙水压力。此外，还可以结合地表排水沟渠，及时排除场地积水，保持地下水位稳定在较低水平，从而减小液化发生的机率。

五、案例分析

以某位于地震活跃带的城市住宅小区建设项目为例。该项目场地存在一定厚度的饱和粉细砂层，经初步勘察被判定为潜在液化区。设计单位采用了多种方法进行综合判别：首先进行标准贯入试验获取各土层的 N 值，参照当地规范确定的临界值初步筛选出可疑液化层；接着布置静力触探孔，获取更详细的土体力学参数剖面；同时选取代表性点位进行剪切波速测试，计算土体的剪切模量。综合分析结果表明，场地下部约 5 - 8 米深处的砂土层液化风险较高。针对这一情况，施工单位采取了振冲加密结合部分换填的处理方案。先对液化严重的区域进行振冲加密施工，然后在表面覆盖一层厚度为 1 米的粗砂垫层作为换填层。经过处理后再次检测，各项指标均满足抗震设计要求。建成后的建筑经历了多次中小地震考验，未出现因地基液化导致的结构损坏现象，证明该防治方案的有效性。

六、结论与展望

本文系统地总结了强震作用下饱和砂土液化的判别模型及工程防治对策。目前常用的判别方法各有优缺点，在实际工程应用中应综合考虑场地条件、地质特点、经济成本等因素选择合适的方法组合。工程防治方面，换填法、加密法、围封法和排水减压措施等多种手段各有适用范围，可根据具体情况灵活选用或联合使用。随着科技的不断进步，未来有望出现更精准、高效的液化判别技术和智能化、绿色化的防治新材料与新工艺。例如，利用物联网技术实时监测场地土体的物理状态变化，提前预警液化风险；开发新型高性能复合材料用于地基加固，既减轻环境负担又能提高防治效果。总之，持续深入研究饱和砂土液化问题，不断完善相关理论和技术体系，对于提升建筑工程抗震性能、保障人民生命财产安全具有重要意义。

参考文献

[1]汪闻韶.饱和砂土振动液化的研究[J].中国科学,1983(06):545-553.

[2] 谢 君 斐 , 王 兰 民 , 袁 晓 铭 等 . 基 于 动 三 轴 试 验 的 饱 和 松 砂 循 环 剪 切 特 性 研 究 [J]. 岩 土 力学,2009,30(08):2473-2478.

[3]陈国兴,顾晓鲁,庄海洋等.土体动力本构模型及其在地震反应分析中的应用进展[J].地震工程学报,2010,32(03):481-492.