5.5.3 沙土液化的工程评价及防治措施

5.5.3 沙土液化的工程评价及防治措施

实际液化后地面的位移受场地条件、动荷载特性及土性等条件的影响。在土体内或其下部土层中,如果发生了液化,整个土体就会流动或向没有支撑的一边作侧向移动,即流滑。流滑是地面大位移中危害性最大的一种。土体的不均匀性、土层的分层现象是导致液化土层滑动和变形的主要因素,而重力场和地形条件则是流滑的诱发因素。流滑具有较大的侧向移动特点,坡度较缓甚至小于1°的海床也可发生侧移破坏。

当海床表层液化,由于波浪及海流作用,液化后土体易形成泥流,悬浊体扩散至较远距离;当液化发生在海床以下某些土层,孔隙水压力消散较陆地缓慢地多,强度恢复较慢,使得侧移规模较大,若转化为泥流将引起更大规模的滑移。动荷能量和可能液化土体的赋存条件影响液化流滑的剧烈程度和不同的流滑形式,顺坡方向的沙土层可能会导致滑坡,若可液化的土体以透镜体状存在,则可能会导致泥石流或粉沙流。

1)液化的工程影响

(1)对地下管线的影响。

液化土中管线破坏主要表现为管线下沉、上浮、侧向位移、拉压等几种形式。液化时地基土将逐渐丧失强度,埋设其中的管道将处于无支撑的悬跨状态,当管线受结构物牵连、管线附近有大量喷砂冒水孔造成土层松动或地面陷落,或者管线周围液化土体密度小于管线密度,管线将发生下沉;而当管线单位体积重量小于液化土的容重时,管段将以一定速率向上浮起。管线下沉或上浮的位移、速度等受管端约束条件、埋设深度、液化区长度等多种因素影响。液化产生的浮力使得管线产生垂直位移,侧向扩展使得管线产生水平位移,但由于管线存在约束,管线在非液化层与液化层之间或在管线约束端会产生较大的应变,使得管线产生轴向拉伸、弯曲或压缩,最后导致管线破裂或断裂。管线表现为何种形式的破坏、破坏程度如何,主要取决于动荷载、地基土土性、管线所处的地形地貌及管材管径等因素。从多年液化场地管线破坏的统计资料来看因管线下沉而造成的破坏较管线上浮或侧向位移造成的破坏少。

(2)对桩基的影响。

桩基是海洋工程构筑物常用的基础形式之一。研究表明,地震液化引起的桩基破坏是不容忽视的。液化地基对桩基的震害可分为两种:液化无扩展地基上的桩基破坏及液化侧向扩展地基中的桩基破坏。

液化无扩展地基上桩基破坏主要表现为:地震后桩基普遍突出地面,液化层与非液化层交界面刚性突变处桩身均有全断面的水平裂缝;由于流动的土体对桩的侧向压力,桩身在液化底层和液化层中部出现剪切破坏和弯曲破坏;桩顶嵌固,在地震惯性力作用下发生弯剪破坏;上部结构因桩身折断而产生不同程度的不均匀沉降,海洋工程构筑物则因重心处水平位移大,产生较大的附加弯矩。无侧向扩展的液化一般较有侧向扩展的液化对桩的危害较轻,上部结构危害亦较轻。

液化地基对桩基的破坏形式除受液化有无侧向扩展影响之外,还受到桩类型的影响。钢管桩的破坏主要是水平位移过大所致,混凝土桩易压坏,而木桩、钢桩及一般实心钢筋混凝土桩抗压较好。从震害事例来看,液化引起桩头大变形位移的破坏占第一位,桩头压坏占第二位,其次是剪坏及弯曲破坏,而上部结构损害主要是倾斜与不均匀下沉。

2)沙土液化防治措施

要减小沙土液化所带来的各种损失,必须弄清沙土液化的产生条件及其后效。通常避免海洋工程构筑物因液化造成不必要的损失有两种方法:提高液化预测精度和采取正确的防治措施。

提高液化预测精度主要有两种方法:提高测试方法和液化计算方法。随着现代科技的发展,应大力提高原位测试技术(如静力触探)和取样技术及室内测试技术(如离心机试验),同时改进和提高解释原位资料的经验或半经验关系式及数值模拟方法。随着计算技术的进步,人们越来越倾向于采用符合各种荷载作用特性的弹塑性本构模型来预测液化可能性。

在海床液化的工程防护措施上,对海底管线工程而言,可采取的措施有:选择变形适应能力强的管材与接头;避免管线穿过液化层或其上的覆盖层,改变管线走向或局部加大埋深;当必须穿越液化层侧向扩展地段时,管线宜埋在液化层的底部,以减少竖向应变和水平应变;用锚将土体液化段的管线紧固;回填填料采用不会液化的材料、土体液化段采用石块堆在土层上等方法。

对于桩基工程而言,由于受到海床侧向位移的影响,在液化层及软硬交接处桩身承受很大的弯矩和剪力,容易在液化层及软硬交界处发生弯剪破坏。因此,在液化侧向扩展基础上的防治措施既要对潜在发生大位移的地基进行处理,也要在桩基构造方面采取积极的措施,才能真正确保桩身的安全。

对桩基结构方面应采取的措施,主要是加强桩头与承台的连接,由于液化土中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与承台连接处及承台下的桩身上部,由压、拉、剪压等导致破坏。

解决方案有:增加桩头埋入承台的长度不小于桩径;桩内钢筋要深入桩头相当大长度且在基础内,围绕桩头伸入基础的钢筋或钢材加配竖向钢筋,以使桩头嵌固较好;增大桩身截面的配筋和材料强度,并使桩端进入非液化层一定深度。