軟土震陷研究現(xiàn)狀綜述

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

軟土震陷研究現(xiàn)狀綜述

管榮強(qiáng)

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

地基的抗震能力及加固技術(shù)一直以來是人們非常關(guān)心的問題。軟土地基在地震荷載作用下會產(chǎn)生可恢復(fù)變形和不可恢復(fù)變形，從而造成建筑工程的破壞，帶來經(jīng)濟(jì)損失。因此，準(zhǔn)確的預(yù)測軟土地基在地震荷載作用下的變形及對軟土地基進(jìn)行有效的加固就顯得非常重要。本文綜述了軟土的定義、軟土震陷機(jī)理、軟土震陷分析方法、軟土地基加固技術(shù)，并對今后的研究提出了筆者的看法，對工程人員提出了設(shè)想。

軟土震陷；定義；機(jī)理；分析方法；加固技術(shù)

0 引言

近幾十年來，國內(nèi)外地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，給人民的生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失。軟土震陷是地震直接災(zāi)害的主要形式之一。軟土一般指包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭質(zhì)土等在內(nèi)的水下天然沉積的飽和粘性土。這種土一般在沿海沿河的地域常見，例如天津、上海就屬于典型這類土。在強(qiáng)烈的地震力作用下，軟土震陷破壞的主要特征是，孔隙壓力增大，孔隙水排出，土體產(chǎn)生周期性可恢復(fù)變形和不可恢復(fù)殘余變形[1]。對于建筑物和構(gòu)筑物來說，土體的變形會引起均勻沉陷或者不均勻沉陷，不均勻的沉陷會引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力的重新分布，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的坍塌。1906年舊金山地震和1923年日本關(guān)東地震，由于軟土震陷導(dǎo)致了地下管線的破壞，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)導(dǎo)致地震的次生災(zāi)害。另外1975年遼寧海城7.3級地震、1976年唐山7.8級地震、1985年墨西哥7.8級地震均產(chǎn)生了由于軟土震陷而引起上部結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象，2008年汶川8.0級地震都江堰電信大樓臺階最大沉降量達(dá)到8cm。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，例如，京津唐地區(qū)、長江三角洲、珠江三角洲等已經(jīng)成為我國社會財富聚集地，人口相對來說集中，而這些地域是軟土的分布地帶。還有隨著城市的發(fā)展，地下管線越來越多，也對一個城市越來越重要。地下輸油、輸氣、輸水、輸電對震后發(fā)生次生災(zāi)害還有震后人們自救和重建都至關(guān)重要，這些都對如軟土震陷防災(zāi)減災(zāi)提出了更高的要求。

1 軟土的定義

土的組成成分是由固體顆粒、水、氣，又分別稱為固相、液相、氣相，土中的這三相各自的性質(zhì)和比例關(guān)系有影響著土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。軟土是土的一種一般具有孔隙比高、含水率高、壓縮性高、承載能力低的特性。那么怎么定義軟土，各種規(guī)范給出了量化指標(biāo)。

（1）國家標(biāo)準(zhǔn)：《巖土工程勘察規(guī)范》( GB 50021 -2001) 第6.3.1條規(guī)定：“天然孔隙比大于或等于 1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土應(yīng)判定為軟土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等?！?/p>

（2）國家標(biāo)準(zhǔn)：《巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)GB/T50279-98中第3.2.29條為：軟粘土天然含水率大呈軟塑到流塑狀態(tài)，具有壓縮性高、強(qiáng)度低等特點的粘土。

（3）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》( GB 50007 -2002) 第4.1.12 條規(guī)定：“淤泥為在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于 1.5 的粘性土。當(dāng)天然含水量大于液限而天然孔隙比小于1.5 但大于或等于1.0 的粘性土或粉土為淤泥質(zhì)土?！?/p>

（4）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》( GB 50011 -2010) 中也指出：“軟弱粘性土層是指7度、8度和9度時，地基承載力特征值分別小于80、100 和120kPa的土層?！?/p>

（5）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：《軟土地區(qū)工程地質(zhì)勘察規(guī)范》( JGJ 83 -1991) 第2.0.1條規(guī)定“軟土判別應(yīng)符合下列要求： 一、外觀以灰色為主的細(xì)粒土；二、天然含水量大于或等于液限；三、天然孔隙比大于或等于1。”并按工程性質(zhì)結(jié)合地質(zhì)地理環(huán)境劃分出我國軟土的3 個主要分布區(qū)。

（6）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》JTJ064-98中2.0.16中敘述為：濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0，壓縮系數(shù)不大于0.5MPa-1，不排水抗剪強(qiáng)度小于30KPa的細(xì)粒土。

（7）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：《道路工程術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》124-88中第6.2.8條軟土定義為：主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成的土。

由上可見軟土的判別一般是從土的外觀，土體的一些物理指標(biāo)來判斷，例如液限、含水率、孔隙比等。軟土在成因上看，土體在靜水或者流速較緩的水流下沉積形成的，其中一般含有大量的粘土物質(zhì)，有的還含有較多的有機(jī)物；軟土在力學(xué)角度看，具有高壓縮性、承載能力低，土體易變性。

2 軟土震陷的機(jī)理及其分析方法

筆者查閱國內(nèi)外學(xué)者們關(guān)于軟土震陷的相關(guān)資料，將軟土震陷產(chǎn)生的原因歸結(jié)為以下幾點。

（1）土體的再固結(jié)變形

于洪治[2]等人在黃河三角洲粉土、鞍山原狀粘土、福建標(biāo)準(zhǔn)砂、遼寧臺山粉質(zhì)粘土的靜態(tài)與動態(tài)的三軸試驗中分析認(rèn)為軟土震陷不僅有震動軟化應(yīng)變，也有震動慣性應(yīng)變。并且他們還認(rèn)為“飽和砂土的震陷具有類似砂土液化的突變性，相應(yīng)突變軟化的孔壓比值隨砂的圍壓增大及固結(jié)比減小而增加。”和“飽和軟土的震陷為逐步發(fā)展積累的；軟化的程度與快慢除隨震動荷載、初始應(yīng)力狀態(tài)外。還隨土而異，土的塑性指數(shù)愈大軟化現(xiàn)象亦愈明顯；靜孔壓軟化試驗測繪的土軟化曲線皆近似符合雙曲線型。且變形模量隨孔壓上升而衰減，具有良好的規(guī)律性?！?/p>

土體的固結(jié)在變形是指軟土的地震荷載的作用下，土體還產(chǎn)生超孔隙水壓力，但是這種壓力極其不容易消散，在地震荷載消失后，在其他的荷載作用下，這種壓力慢慢的消散，從而引起土體的固結(jié)。

（2）結(jié)構(gòu)效應(yīng)

軟土是具有一定的結(jié)構(gòu)性的，這種結(jié)構(gòu)性一旦遭受到破壞，軟土的物理力學(xué)性質(zhì)就會發(fā)生破壞，而且這種破壞在短期內(nèi)還無法得到恢復(fù)。

張虎臣[3]在研究淤泥地基地震時認(rèn)為，在發(fā)生地震時，軟土淤泥的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生破壞，從而造成軟土的抗剪強(qiáng)度降低、承載能力下降。張虎臣在其研究中發(fā)現(xiàn)，對于淤泥的地基在7?；蛘叽笥?。地震時，淤泥的強(qiáng)度減少一半以上，承載能力快速下降，淤泥可能發(fā)生觸變而失穩(wěn)。

（3）軟化效應(yīng)和慣性效應(yīng)

土的軟化效應(yīng)是指土體在地震荷載的作用下，土的靜模量降低。飽和軟粘土在地震荷載的作用下，由于其滲透性比較差，土內(nèi)孔壓不斷增大，造成有效應(yīng)力不斷的減小，土的抗剪強(qiáng)度降低，使得土的靜模量降低。另外砂土液化也可認(rèn)為是土體軟化的一種。G.R.Thiers等人[4]根據(jù)動三軸試驗研究發(fā)現(xiàn)，土體在動荷載的作用下，作用后的土體靜模量會小于作用前的，而且隨著動荷載幅值的增大，土體的靜模量降低的愈明顯。

慣性效應(yīng)[5]是指在地震慣性力的作用下，土體的沿著一個滑動面有限次的滑動，滑動產(chǎn)生的塑性變形和土體極限平衡區(qū)域的擴(kuò)大的塑性變形，最終會產(chǎn)生沉陷。

軟土震陷的分析方法主要有兩大類，一：包括整體變形和滑體變形在內(nèi)的確定性殘余應(yīng)變；二：包括整體位移隨機(jī)反應(yīng)分析和滑體位移隨機(jī)反應(yīng)分析在內(nèi)的非確定性殘余應(yīng)變。第一類相對來說已經(jīng)成熟。第二類國內(nèi)外學(xué)者各自提出了自己的分析方法，但主要是兩種：一：軟化模量法；二：等效結(jié)點法。

3 軟土地基加固技術(shù)

軟土地基由于承載能力低下，不能滿足工程的抗震要求，這就需要對軟土地基進(jìn)行加固。加固后的軟土地基要滿足地基的穩(wěn)定條件和地基沉降要求，以確保工程在使用中的安全和地震荷載作用下的安全。本文討論的軟土地基加固方法有如下幾大類。

(1)軟土地基的置換法

置換法是指將軟土挖除，再用好土或者砂土填充。置換法一般適用于在表面一定深度范圍內(nèi)的軟土，因為軟土如果太深或者太厚，就很難挖除，而且不經(jīng)濟(jì)，通常情況下超過3m的軟土就不用此方法。置換法回填的土最好為砂土，中砂就更適合。軟土中的淤泥不好挖除時，高速水流切割法可以快速挖除淤泥。高速水流切割法就是排除淤泥上面水后，在淤泥中間用射水泵沖出一條溝，在溝的低端去挖個集泥坑，該坑放泥漿泵，淤泥層另一端用射水泵射出高速水流，一層一層的切割淤泥，淤泥和射水泵射出的水混合為泥漿，流向集泥坑被泥漿泵抽走。

(2)強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是指一個夯錘從一定的高度下落，在夯錘落地的瞬間會產(chǎn)生巨大的沖擊能，這種沖擊能能夠看成一個點振源，該振源會產(chǎn)生表面波、壓密波、剪切波三種波，這三種波會在一個半無限體中傳播，其中只有壓密波和剪切波會壓密軟土。強(qiáng)夯法在加固軟土地基時具有經(jīng)濟(jì)、施工簡單、作用顯著的特點，但是強(qiáng)夯法使用是有一定的條件，地基需要具有一個硬殼層；如果使用在無法排水的軟土層上，需要設(shè)置排水通道，例如袋裝砂井。

(3)排水加固技術(shù)

排水加固技術(shù)是指通過排除土體孔隙中的水，使土體壓縮、固結(jié)從而使土體的強(qiáng)度得到提高。將土體中水排走通常有三個途徑。其一：排水預(yù)壓加固。在擬建工程的地基上，預(yù)先施加一個略大于設(shè)計荷載的壓力，在足夠的時間內(nèi)土體排水固結(jié)。施加的壓力荷載通常通過堆土或者用水來實現(xiàn)。有時為了加快排水的速度，在土體內(nèi)設(shè)置砂井或者打入塑料板形成排水通道。其二：真空預(yù)壓排水加固。該途徑是利用大氣壓力來代替堆載預(yù)壓的荷載。真空預(yù)壓排水加固技術(shù)在地基上鋪砂墊層，在地基中打足夠數(shù)量的砂井或者其他排水通道，在砂墊層鋪設(shè)抽真空管道，最后在砂墊層上鋪不透氣的塑料，四周密封。該工序完成后，用射流泵抽取不透氣塑料下的水和空氣，造成塑料下內(nèi)外的大氣壓差，從而實現(xiàn)對地基壓力。另外土體內(nèi)的水和空氣被抽走，也會造成土體的固結(jié)，提高地基承載力。真空預(yù)壓排水技術(shù)有四個特點。（1）土體的孔隙水壓降低但土體的總應(yīng)力沒有升高；（2）不需要大量的堆載材料；（3）能抽出土中一些溶于水的封閉的氣泡，加快固結(jié)速度。（4）不易發(fā)生地基土向外擠而使地基失穩(wěn)的事故。其三：電滲排水法。水分子是極性分子，在地基土體中形成一個電勢差，驅(qū)動水分子向特定的方向移動，從而將水排走。

(4)振沖法

振沖法是指在軟土地基中成孔，在孔中填入粗粒料，然后將粗粒料振沖，該粗粒料會形成以根巨大的樁體，該樁體一般稱為碎石樁和原有地基土形成復(fù)合地基，從而提高地基的承載能力。碎石樁有如下特點：（1）碎石樁的剛度比鋼筋混凝土的要小低，但是比其周圍的地基土的強(qiáng)度高。其能適應(yīng)較大的變形屬于柔性樁。（2）樁的直徑比較大。（3）樁的直徑是可變的，在沿樁軸向方向，當(dāng)遇到地基土比較軟時，樁的直徑會擴(kuò)大，反之會減小。

(5)深層攪拌法

深層攪拌法是指通過攪拌機(jī)攪拌地基土和膠結(jié)材料，從而形成樁體，提高地基承載能力。膠結(jié)材料主要是指水泥和石灰，但是由于石灰存在產(chǎn)量少，不易運輸?shù)热秉c，水泥用的更多。深層攪拌法又有槳噴和粉噴之分，一般認(rèn)為在含水率較高的軟土中采用粉噴，反之采用槳噴。經(jīng)深層攪拌法處理過的地基土?xí)@著的提搞地基的承載能力、穩(wěn)定性，降低地基的沉降。

4 結(jié)語

（1）對于軟土的定義雖然各個規(guī)范給出了定義，但是每個規(guī)范量化軟土的指標(biāo)不都相同，這就需要工程人員自主選著，帶來不確定性。另外對于土這種材料有著復(fù)雜的情況，對于軟土更是如此，還需要工程人員進(jìn)一步積累工程資料和經(jīng)驗。

（2）雖然目前對于軟土震陷的分析有了一定的進(jìn)展，但是由于軟土存在太多的不確定性，仍有許多值得研究的課題。軟土震陷的非確定性殘余應(yīng)變雖然有不少學(xué)者提出了自己分析方法，但是仍需進(jìn)一步的明確、簡化計算模型，以方便工程應(yīng)用。

（3）為了降低地震對軟土地基的損害，減小經(jīng)濟(jì)損失，有著各種的加固地基的方法。但是由于軟土地基變化比較復(fù)雜，各類的軟土物理力學(xué)指標(biāo)千差萬別，對于某個具體的工程要求又不一樣，如果單純的套用某一工程的經(jīng)驗或者工法，就沒法保證工程的質(zhì)量。這就需要工程人員因地制宜選擇軟土加固技術(shù)。

[1]郁壽松，石兆吉. 土壤震陷試驗研究［J］. 巖土工程學(xué)報，1989，11(4)：35 ～44。

[2]于洪治，何廣訥，楊斌. 軟土震陷特性的試驗研究［J］. 大連理工大學(xué)學(xué)報，1996，36(1)：76 ～82。

[3]張虎臣. 淤泥地基地震觸變研究［J］. 巖土工程學(xué)報，1989，11(3)：78 ～ 85。

[4]Thiers G R，Seed H B. Strength and Stress-StrainCharacteristics of Clays Subjected to Seismic LoadingConditions Vibration Effects of Earthquake on Soil andFoundation［J］. ASTM，April，1969.

[5]李冬，陳培雄，呂小飛，陳小玲.軟土地震震陷研究現(xiàn)狀綜述[J].土木工程抗震與加固改造,2011,33(2);130～135.

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1007-6344（2017）04-0309-02