4.3 液化土和软土地基

4.3.1 本条规定主要依据液化场地的震害调查结果。许多资料表明在6度区液化对房屋结构所造成的震害是比较轻的,因此本条规定除对液化沉陷敏感的乙类建筑外,6度区的一般建筑可不考虑液化影响。当然,6度的甲类建筑的液化问题也需要专门研究。
    关于黄土的液化可能性及其危害在我国的历史地震中虽不乏报导,但缺乏较详细的评价资料,在20世纪50年代以来的多次地震中,黄土液化现象很少见到,对黄土的液化判别尚缺乏经验,但值得重视。近年来的国内外震害与研究还表明,砾石在一定条件下也会液化,但是由于黄土与砾石液化研究资料还不够充分,暂不列入规范,有待进一步研究。

4.3.2 本条是有关液化判别和处理的强制性条文。
    本条较全面地规定了减少地基液化危害的对策:首先,液化判别的范围为,除6度设防外存在饱和砂土和饱和粉土的土层;其次,一旦属于液化土,应确定地基的液化等级;最后,根据液化等级和建筑抗震设防分类,选择合适的处理措施,包括地基处理和对上部结构采取加强整体性的相应措施等。

4.3.3 89规范初判的提法是根据20世纪50年代以来历次地震对液化与非液化场地的实际考察、测试分析结果得出来的。从地貌单元来讲这些地震现场主要为河流冲洪积形成的地层,没有包括黄土分布区及其他沉积类型。如唐山地震震中区(路北区)为滦河二级阶地,地层年代为晚更新世(Q3)地层,对地震烈度10度区考察,钻探测试表明,地下水位为3m~4m,表层为3m左右的黏性土,其下即为饱和砂层,在10度情况下没有发生液化,而在一级阶地及高河漫滩等地分布的地质年代较新的地层,地震烈度虽然只有7度和8度却也发生了大面积液化,其他震区的河流冲积地层在地质年代较老的地层中也未发现液化实例。国外学者T.L.Youd和Perkins的研究结果表明:饱和松散的水力冲填土差不多总会液化,而且全新世的无黏性土沉积层对液化也是很敏感的,更新世沉积层发生液化的情况很罕见,前更新世沉积层发生液化则更是罕见。这些结论是根据1975年以前世界范围的地震液化资料给出的,并已被1978年日本的两次大地震以及1977年罗马尼亚地震液化现象所证实。
    89规范颁发后,在执行中不断有些单位和学者提出液化初步判别中第1款在有些地区不适合。从举出的实例来看,多为高烈度区(10度以上)黄土高原的黄土状土,很多是古地震从描述等方面判定为液化的,没有现代地震液化与否的实际数据。有些例子是用现行公式判别的结果。
    根据诸多现代地震液化资料分析认为,89规范中有关地质年代的判断条文除高烈度区中的黄土液化外都能适用。为慎重起见,2001规范将此款的适用范围改为局限于7、8度区。

4.3.4 89规范关于地基液化判别方法,在地震区工程项目地基勘察中已广泛应用。2001规范的砂土液化判别公式,在地面下15m范围内与89规范完全相同,是对78版液化判别公式加以改进得到的:保持了15m内随深度直线变化的简化,但减少了随深度变化的斜率(由0.125改为0.10),增加了随水位变化的斜率(由0.05改为0.10),使液化判别的成功率比78规范有所增加。
    随着高层及超高层建筑的不断发展,基础埋深越来越大。高大的建筑采用桩基和深基础,要求判别液化的深度也相应加大,判别深度为15m,已不能满足这些工程的需要。由于15m以下深层液化资料较少,从实际液化与非液化资料中进行统计分析尚不具备条件。在20世纪50年代以来的历次地震中,尤其是唐山地震,液化资料均在15m以内,图8中15m下的曲线是根据统计得到的经验公式外推得到的结果。国外虽有零星深层液化资料,但也不太确切。根据唐山地震资料及美国H.B.Seed教授资料进行分析的结果,其液化临界值沿深度变化均为非线性变化。为了解决15m以下液化判别,2001规范对唐山地震砂土液化研究资料、美国H.B.Seed教授研究资料和我国铁路工程抗震设计规范中的远震液化判别方法与89建筑规范判别方法的液化临界值(Ncr)沿深度的变化情况,以8度区为例做了对比,见图8。

    从图8可以明显看出:在设计地震一组(或89规范的近震情况,N0=10),深度为12m以上时,各种方法的临界锤击数较接近,相差不大;深度15m~20m范围内,铁路抗震规范方法比H.B.Seed资料要大1.2击~1.5击,89规范由于是线性延伸,比铁路抗震规范方法要大1.8击~8.4击,是偏于保守的。经过比较分析,2001规范考虑到判别方法的延续性及广大工程技术人员熟悉程度,仍采用线性判别方法。15m~20m深度范围内取15m深度处的Ncr值进行判别,这样处理与非线性判别方法也较为接近。铁路抗震规范N0值,如8度取10,则Ncr值在15m~20m范围内比2001规范小1.4击~1.8击。经过全面分析对比后,认为这样调整方案既简便又与其他方法接近。
    本次修订的变化如下:
    1 液化判别深度。一般要求将液化判别深度加深到20m,对于本规范第4.2.1条规定可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的各类建筑,可只判别地面下15m范围内土的液化。
    2 液化判别公式。自1994年美国Northridge地震和1995年日本Kobe地震以来,北美和日本都对其使用的地震液化简化判别方法进行了改进与完善,1996、1997年美国举行了专题研讨会,2000年左右,日本的几本规范皆对液化判别方法进行了修订。考虑到影响土壤液化的因素很多,而且它们具有显著的不确定性,采用概率方法进行液化判别是一种合理的选择。自1988年以来,特别是20世纪末和21世纪初,国内外在砂土液化判别概率方法的研究都有了长足的进展。我国学者在H.B.Seed的简化液化判别方法的框架下,根据人工神经网络模型与我国大量的液化和未液化现场观测数据,可得到极限状态时的液化强度比函数,建立安全裕量方程,利用结构系统的可靠度理论可得到液化概率与安全系数的映射函数,并可给出任一震级不同概率水平、不同地面加速度以及不同地下水位和埋深的液化临界锤击数。式(4.3.4)是基于以上研究结果并考虑规范延续性修改而成的。选用对数曲线的形式来表示液化临界锤击数随深度的变化,比2001规范折线形式更为合理。
    考虑一般结构可接受的液化风险水平以及国际惯例,选用震级M=7.5,液化概率PL=0.32,水位为2m,埋深为3m处的液化临界锤击数作为液化判别标准贯入锤击数基准值,见正文表4.3.4。不同地震分组乘以调整系数。研究表明,理想的调整系数β与震级大小有关,可近似用式β=0.25M-0.89表示。鉴于本规范规定按设计地震分组进行抗震设计,而各地震分组之间又没有明确的震级关系,因此本条依据2001规范两个地震组的液化判别标准以及β值所对应的震级大小的代表性,规定了三个地震组的β数值。
    以8度第一组地下水位2m为例,本次修订后的液化临界值随深度变化也在图8中给出。可以看到,其临界锤击数与2001规范相差不大。

4.3.5 本条提供了一个简化的预估液化危害的方法,可对场地的喷水冒砂程度、一般浅基础建筑的可能损坏,作粗略的预估,以便为采取工程措施提供依据。
    1 液化指数表达式的特点是:为使液化指数为无量纲参数,权函数W具有量纲m-1;权函数沿深度分布为梯形,其图形面积判别深度20m时为125。
    2 液化等级的名称为轻微、中等、严重三级;各级的液化指数、地面喷水冒砂情况以及对建筑危害程度的描述见表4,系根据我国百余个液化震害资料得出的。

    2001规范中,层位影响权函数值Wi的确定考虑了判别深度为15m和20m两种情况。本次修订明确采用20m判别深度。因此,只保留原条文中的判别深度为20m情况的Wi确定方案和液化等级与液化指数的对应关系。对本规范第4.2.1条规定可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的各类建筑,计算液化指数时15m地面下的土层均视为不液化。

4.3.6 抗液化措施是对液化地基的综合治理,89规范已说明要注意以下几点:
    1 倾斜场地的土层液化往往带来大面积土体滑动,造成严重后果,而水平场地土层液化的后果一般只造成建筑的不均匀下沉和倾斜,本条的规定不适用于坡度大于10°的倾斜场地和液化土层严重不均的情况;
    2 液化等级属于轻微者,除甲、乙类建筑由于其重要性需确保安全外,一般不作特殊处理,因为这类场地可能不发生喷水冒砂,即使发生也不致造成建筑的严重震害;
    3 对于液化等级属于中等的场地,尽量多考虑采用较易实施的基础与上部结构处理的构造措施,不一定要加固处理液化土层;
    4 在液化层深厚的情况下,消除部分液化沉陷的措施,即处理深度不一定达到液化下界而残留部分未经处理的液化层。
    本次修订继续保持2001规范针对89规范的修改内容:
    1 89规范中不允许液化地基作持力层的规定有些偏严,改为不宜将未加处理的液化土层作为天然地基的持力层。因为:理论分析与振动台试验均已证明液化的主要危害来自基础外侧,液化持力层范围内位于基础直下方的部位其实最难液化,由于最先液化区域对基础直下方未液化部分的影响,使之失去侧边土压力支持。在外侧易液化区的影响得到控制的情况下,轻微液化的土层是可以作为基础的持力层的,例如:
        例1,1975年海城地震中营口宾馆筏基以液化土层为持力层,震后无震害,基础下液化层厚度为4.2m,为筏基宽度的1/3左右,液化土层的标贯锤击数N=2~5,烈度为7度。在此情况下基础外侧液化对地基中间部分的影响很小。
        例2,1995年日本阪神地震中有数座建筑位于液化严重的六甲人工岛上,地基未加处理而未遭液化危害的工程实录(见松尾雅夫等人论文,载“基础工”96年11期,P54):
            ①仓库二栋,平面均为36m×24m,设计中采用了补偿式基础,即使仓库满载时的基底压力也只是与移去的土自重相当。地基为欠固结的可液化砂砾,震后有震陷,但建筑物无损,据认为无震害的原因是:液化后的减震效果使输入基底的地震作用削弱;补偿式筏式基础防止了表层土喷砂冒水;良好的基础刚度可使不均匀沉降减小;采用了吊车轨道调平,地脚螺栓加长等构造措施以减少不均匀沉降的影响。
            ②平面为116.8m×54.5m的仓库建在六甲人工岛厚15m的可液化土上,设计时预期建成后欠固结的黏土下卧层尚可能产生1.1m~1.4m的沉降。为防止不均匀沉降及液化,设计中采用了三方面的措施:补偿式基础+基础下2m深度内以水泥土加固液化层+防止不均匀沉降的构造措施。地震使该房屋产生震陷,但情况良好。
        例3,震害调查与有限元分析显示,当基础宽度与液化层厚之比大于3时,则液化震陷不超过液化层厚的1%,不致引起结构严重破坏。
    因此,将轻微和中等液化的土层作为持力层不是绝对不允许,但应经过严密的论证。
    2 液化的危害主要来自震陷,特别是不均匀震陷。震陷量主要决定于土层的液化程度和上部结构的荷载。由于液化指数不能反映上部结构的荷载影响,因此有趋势直接采用震陷量来评价液化的危害程度。例如,对4层以下的民用建筑,当精细计算的平均震陷值SE<5cm时,可不采取抗液化措施,当SE=5cm~15cm时,可优先考虑采取结构和基础的构造措施,当SE>15cm时需要进行地基处理,基本消除液化震陷;在同样震陷量下,乙类建筑应该采取较丙类建筑更高的抗液化措施。
    依据实测震陷、振动台试验以及有限元法对一系列典型液化地基计算得出的震陷变化规律,发现震陷量取决于液化土的密度(或承载力)、基底压力、基底宽度、液化层底面和顶面的位置和地震震级等因素,曾提出估计砂土与粉土液化平均震陷量的经验方法如下:

    采用以上经验方法计算得到的震陷值,与日本的实测震陷基本符合;但与国内资料的符合程度较差,主要的原因可能是:国内资料中实测震陷值常常是相对值,如相对于车间某个柱子或相对于室外地面的震陷;地质剖面则往往是附近的,而不是针对所考察的基础的;有的震陷值(如天津上古林的场地)含有震前沉降及软土震陷;不明确沉降值是最大沉降或平均沉降。
    鉴于震陷量的评价方法目前还不够成熟,因此本条只是给出了必要时可以根据液化震陷量的评价结果适当调整抗液化措施的原则规定。

4.3.7~4.3.9 在这几条中规定了消除液化震陷和减轻液化影响的具体措施,这些措施都是在震害调查和分析判断的基础上提出来的。
    采用振冲加固或挤密碎石桩加固后构成了复合地基。此时,如桩间土的实测标贯值仍低于本规范4.3.4条规定的临界值,不能简单判为液化。许多文献或工程实践均已指出振冲桩或挤密碎石桩有挤密、排水和增大桩身刚度等多重作用,而实测的桩间土标贯值不能反映排水的作用。因此,89规范要求加固后的桩间土的标贯值应大于临界标贯值是偏保守的。
    新的研究成果与工程实践中,已提出了一些考虑桩身强度与排水效应的方法,以及根据桩的面积置换率和桩土应力比适当降低复合地基桩间土液化判别的临界标贯值的经验方法,2001规范将“桩间土的实测标贯值不应小于临界标贯锤击数”的要求,改为“不宜”。本次修订继续保持。
    注意到历次地震的震害经验表明,筏基、箱基等整体性好的基础对抗液化十分有利。例如1975年海城地震中,营口市营口饭店直接坐落在4.2m厚的液化土层上,震后仅沉降缝(筏基与裙房间)有错位;1976年唐山地震中,天津医院12.8m宽的筏基下有2.3m的液化粉土,液化层距基底3.5m,未做抗液化处理,震后室外有喷水冒砂,但房屋基本不受影响。1995年日本神户地震中也有许多类似的实例。实验和理论分析结果也表明,液化往往最先发生在房屋基础下外侧的地方,基础中部以下是最不容易液化的。因此对大面积箱形基础中部区域的抗液化措施可以适当放宽要求。

4.3.10 本条规定了有可能发生侧扩或流动时滑动土体的最危险范围并要求采取土体抗滑和结构抗裂措施。
    1 液化侧扩地段的宽度来自1975年海城地震、1976年唐山地震及1995年日本阪神地震对液化侧扩区的大量调查。根据对阪神地震的调查,在距水线50m范围内,水平位移及竖向位移均很大;在50m~150m范围内,水平地面位移仍较显著;大于150m以后水平位移趋于减小,基本不构成震害。上述调查结果与我国海城、唐山地震后的调查结果基本一致:海河故道、滦运河、新滦河、陡河岸波滑坍范围约距水线100m~150m,辽河、黄河等则可达500m。
    2 侧向流动土体对结构的侧向推力,根据阪神地震后对受害结构的反算结果得到的:1)非液化上覆土层施加于结构的侧压相当于被动土压力,破坏土楔的运动方向是土楔向上滑而楔后土体向下,与被动土压发生时的运动方向一致;2)液化层中的侧压相当于竖向总压的1/3;3)桩基承受侧压的面积相当于垂直于流动方向桩排的宽度。
    3 减小地裂对结构影响的措施包括:1)将建筑的主轴沿平行河流放置;2)使建筑的长高比小于3;3)采用筏基或箱基,基础板内应根据需要加配抗拉裂钢筋,筏基内的抗弯钢筋可兼作抗拉裂钢筋,抗拉裂钢筋可由中部向基础边缘逐段减少。当土体产生引张裂缝并流向河心或海岸线时,基础底面的极限摩阻力形成对基础的撕拉力,理论上,其最大值等于建筑物重力荷载之半乘以土与基础间的摩擦系数,实际上常因基础底面与土有部分脱离接触而减少。

4.3.11、4.3.12 从1976年唐山地震、1999年我国台湾和土耳其地震中的破坏实例分析,软土震陷确是造成震害的重要原因,实有明确判别标准和抗御措施之必要。
    我国《构筑物抗震设计规范》GB 50191的1993年版根据唐山地震经验,规定7度区不考虑软土震陷;8度区fak大于100kPa,9度区fak大于120kPa的土亦可不考虑。但上述规定有以下不足:
    (1)缺少系统的震陷试验研究资料。
    (2)震陷实录局限于津塘8、9度地区,7度区是未知的空白;不少7度区的软土比津塘地区(唐山地震时为8、9度区)要差,津塘地区的多层建筑在8、9度地震时产生了15cm~30cm的震陷,比它们差的土在7度时是否会产生大于5cm的震陷?初步认为对7度区fk<70kPa的软土还是应该考虑震陷的可能性并宜采用室内动三轴试验和H.B.Seed简化方法加以判定。
    (3)对8、9度规定的fak值偏于保守。根据天津实际震陷资料并考虑地震的偶发性及所需的设防费用,暂时规定软土震陷量小于5cm者可不采取措施,则8度区fak>90kPa及9度区fak>100kPa的软土均可不考虑震陷的影响。
    对少黏性土的液化判别,我国学者最早给出了判别方法。1980年汪闻韶院士提出根据液限、塑限判别少黏性土的地震液化,此方法在国内已获得普遍认可,在国际上也有一定影响。我国水利和电力部门的地质勘察规范已将此写入条文。虽然近几年国外学者[Bray et al.(2004)、Seed et al.(2003)、Martin et al.(2000)等]对此判别方法进行了改进,但基本思路和框架没变。本次修订,借鉴和考虑了国内外学者对该判别法的修改意见,及《水利水电工程地质勘察规范》GB 50478和《水工建筑物抗震设计规范》DL 5073的有关规定,增加了软弱粉质土震陷的判别法。
    对自重湿陷性黄土或黄土状土,研究表明具有震陷性。若孔隙比大于0.8,当含水量在缩限(指固体与半固体的界限)与25%之间时,应该根据需要评估其震陷量。对含水量在25%以上的黄土或黄土状土的震陷量可按一般软土评估。关于软土及黄土的可能震陷目前已有了一些研究成果可以参考。例如,当建筑基础底面以下非软土层厚度符合表5中的要求时,可不采取消除软土地基的震陷影响措施。