0 引言
由地震產生的地基土液化危害已被工程界普遍认识和接受，地基土的液化是造成各类工程地基失效的首要原因。地震时，饱和砂土的液化表现为喷砂冒水、地面变形、开裂下沉、滑移等，常引起建筑物的沉降、倾斜、甚至毁灭性的破坏。判定地基土的液化可能性已成为工程勘察设计中的一项重要工作。
为了减轻建筑物的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失，对地基液化产生的灾害应以预防为主，在地震易发区及强震区，应慎重选择建筑场地。一般情况下，建筑场地应尽量避开可能液化的土层分布地段，应以地形平坦、液化土层及地下水埋藏较深、上覆非液化土层较厚的地段作为建筑场地。
1 砂土的液化机理及影响因素 1.1 砂土液化机理
饱和的疏松砂土体在地震或其他外力作用下，颗粒间的位置必然产生调整，以最终达到稳定的紧密排烈状态，饱和砂土要变密实就必须排水。在地震过程的短暂时间内，由于孔隙水压力急剧增大，来不及消散，当孔隙水压力大到总应力值时，饱和砂土就丧失了抗剪强度，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生液化[1]。
1.2 影响砂土液化的主要因素
地震液化是由多种因素综合作用的结果，包括内因（土的颗粒组成、密度、埋深条件、地下水位、沉积环境和地质历史等）和外因（地震动强度和持续时间等）[2]。
（1）土性条件：主要包括土的颗粒组成、颗粒形状、土的密度等。土的颗粒越粗，平均粒径越大，稳定性就越高。因此粗、中、细、粉砂的液化可能性逐级增大。同一级砂土中，颗粒的级配越好，即不均匀系数 Cu越大，稳定性就越高。砂土的密度是影响动力稳定性的根本因素，土的密度越高，液化的可能性越小。
（2）埋藏条件：液化砂层埋藏较深，当上覆以较厚的非液化粘性土层时，由于受到较大的覆盖层自重压力和侧压力，孔隙水压力很难上升到足以克服覆盖
层压力的程度，因而抑制了液化，而直接出露于地表的饱水砂层最易于液化。排水条件良好的，有利于孔隙水的消散，不易于液化。
（3）动荷条件：主要指震动强度、持续时间等。地震的强度和历时是砂土液化的动力。地震越强、历时越长，则越易引起砂土液化，而且波及范围越广，破坏越严重。
2液化判别的方法
标准贯入试验判别是建筑抗震设计规范中首推的判别液化的方法，也是建筑工程中最常用的方法。其以地震现场实测资料为基础建立起的经验公式，提出了在一定地震烈度条件下，场地饱和砂土发生液化时对应的原位测试临界值。该方法考虑了近震与远震的不同影响，并考虑了粘粒含量对液化的影响。
2.1 初判
进行液化判别时，首先应进行初判，但在工作中很多人没有引起注意。规范中规定：
（1）抗震设防6度区一般情况下不进行液化判别；北京地区除昌平、密云、怀柔、门头沟抗震设防烈度为7度外，其余地区抗震设防烈度为8度，均需进行液化判别。
（2）地质年代为第四纪晚更新世及以前时，在抗震设防烈度7、8度时可判为不液化。
（3）当粉土的粘粒含量（粒径小于0.005mm 的颗粒）百分率，在抗震设防烈度 7 度、8 度和 9 度分别不小于 10、13 和 16 时，可判为不液化土；砂土的粘粒含量均按3计算。
（4）采用天然地基的建筑，上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合以下三个条件之一时，可不考虑砂土液化的影响。
> + -2； > + -3；
+ >1.5 +2 -4.5
其中： -地下水位深度； -上覆盖非液化土层厚度； -基础埋置深度（不超过2m时应采用2m）； -液化土特征深度，抗震设防烈度为8度时粉土取7m，砂土取8m [3]。
2.2 详判
经过初步判别认为有液化的可能性时，需进一步判别。浅基础判别地面下15m深度范围内土的液化，深基础和桩基判别地面下20m深度范围内土的液化。
判别公式如下： （ 15m） ；（公式1） （15m 20m）；（公式2） 当 小于 时，判为液化土。
式中： -液化判別标准贯入试验锤击数临界值； ―液化判别标准贯入试验锤击数的实测值；
-液化判别标准贯入试验锤击数基准值，按表1取值； -饱和土标准贯入试验点深度（m）； -地下水位深度（m）；
-粘粒含量百分率（小于3或为砂土时，采用3）[3]。 表1 标准贯入锤击数基准值
Table 1 Standard reference value of SPT 设计地震分组 7度 8度 9度 第一组 6（8） 10（13） 16 第二、三组 8（10） 12（15） 18
注：括号内数值用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。 3 液化判别的影响因素
通过工程实例及工程经验总结，进行液化判别时，应考虑以下几个因素的影响。
3.1 场地整平
以北京某工程为例，拟建场地地层以粉细砂为主， 标高位于自然地面标高以上3m。取某钻孔标准贯入试验点深度1.3m进行说明。
场地整平前，当按照自然地面标高进行液化判别时，标贯锤击数为5击。当填方3m，场地整平密实后，仍在原测试点试验，贯入点深度变为4.3m，此时，标贯锤击数为6击。
由公式 可以看出，当标准贯入锤击数基准值N0和粘粒含量百分率ρc为定值时，标准贯入锤击数的临界值仅与标准贯入点深度和地下水位深度的差值有关。经分析， - = （ +3 ）- （ +3）= - ，场地整平前后标准贯入点深度和地下水位深度的差值相等，即 = ，场地整平前后的标准贯入锤击数的临界值不变。
而场地填方整平后，相当于对自然地面进行了加载，上覆土压力发生变化，产生附加压力，使得下部土体被压密实，由于土的相对密度与标准贯入锤击数N 之间存在直接联系，故标准贯入锤击数有所提高。
钻孔的液化等级依据液化指数划分为轻微、中等、严重三个等级。液化指数的计算公式为： （公式3）
式中： -液化指数；
n-判别深度范围内每个钻孔标准贯入试验点的总数；
、 -分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时取临界值的数值；
-i点所代表的土层厚度，可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水为深度，下界不深于液化深度；
-i土层单位土层厚度的层位影响权函数值。若判别深度为15m，当该层中点深度不大于5m时应采用10，等于15m时应采用0值，5～15m时应按线性内插法取值；若判别深度为20m，当该层中点深度不大于5m时应采用10，等于20m时应采用0值，5～20m时应按线性内插法取值[3]。
表2 液化等级
Table 2 The classification of liquefaction 液化等级 轻微 中等 严重
判别深度为15m时的液化指数 0< 5 5< 15 >15
判别深度为20m时的液化指数 0< 6 6< 18 >18
示例钻孔在场地整平前、后的液化等级计算见表3、表4。 表3 场地整平前钻孔的液化等级计算表
Table 3 liquefaction grade calculation table of a drilling before Site leveling 标准贯入试验点的深度（m） 标准贯入试验实测值 标准贯入试验临界值 土层厚度（m） 权函数（m-1） 单层液化指数 液化
指数 液化 等级
1.3 5 9.3 1.3 10.0 6.0 7.9 中等 3.3 11 11.3 1.75 10.0 0.5 4.8 12 12.8 2.35 10.0 1.5
表4 场地整平后某钻孔的液化等级计算表
Table 4 liquefaction grade calculation table of a drilling after Site leveling 标准贯入试验点的深度（m） 标准贯入试验实测值 标准贯入试验临界值 土层厚度（m） 权函数（m-1） 单层液化指数 液化
指数 液化 等级
4.3 6 9.3 1.3 10.0 4.6 5.8 轻微
6.3 12 11.3 1.75 / / 7.8 12 12.8 2.35 8.0 1.2
从整个场地来看，场地填方整平前的液化区如图1所示，场地填方整平后的液化区如图2所示。
图1 场地整平前液化区示意图
Fig.1 Liquefaction zone before leveling the site 图2 场地整平后液化区示意图
Fig.2 Liquefaction zone after eveling the site
地基土液化判别目的是针对建筑物建成后，对发生地震时产生液化的可能性进行判断。如果按照填方前进行设计，必然造成工程上的浪费，反之，如以挖方前进行设计，工程又偏于不安全。因此建议，场地液化判别应以场地平整后的地面标高进行液化判别计算。
3.2 地下水位取值
进行液化判别时，地下水位深度 的确定往往比较含糊。
仍以上述工程为例，钻探时测量钻孔的地下水位为3m，如果按钻孔钻探时测量的水位进行液化判别：
=（6+ ） （1）
但是，北京地区每年7至9月份为大气降水的丰水期，潜水的地下水位自7月份开始上升，9至10月份达到当年最高水位，随后逐渐下降，至次年的6月份达到当年的最低水位，平均年变幅约为2至3m。如果钻探在枯水季节施工，测量的潜水水位比年内最高水位至少要低2～3m。因此，按钻孔测量水位取值地下水位深度是不合理的。
上述工程场地的近期内年最高地下水位深度为1m，按此取值： =（8+ ） （2）
通过式（1）与式（2）的比较可知，式（2）的临界值明显大于式（1）的临界值。所以，地下水位深度按钻孔的测量水位取用是偏于不安全的，宜按规范
要求，地下水位埋深按设计基准期内年平均最高水位采用，或按近期内年最高水位采用。
3.3 试验误差
标准贯入试验就是用一定质量（63.5kg）的穿心錘、以76cm的落距、采用自动脱钩的自由落锤法将标准规格的贯入器竖直打入土中，先自钻孔底部预打15cm，记录再打入 30cm 的锤击数 N。在施工操作过程中，影响标准贯入锤击数的因素主要有：
（1）施工工艺的影响
当采用冲击钻进方法施工时，孔底土体在冲击能的作用下受扰动，变得松散，导致标贯击数偏小，造成工程上的浪费。故应选取回转钻进的方法进行标准贯入试验，采用泥浆护壁，可防止涌砂或塌孔；另外，提起钻杆钻具时也会扰动孔底土层或者致使侧壁土滑落，在孔底形成虚土，如果直接进行贯入试验，将导致击数偏低。应缓慢放下钻具，并在测试前清除孔底残土，预贯15cm，然后再进行试验。
（2）地下水的影响
当地层中存在地下水时，水对砂土将有一定的浮托作用，在孔底产生涌砂现象，使砂土趋于松散，影响标准贯入的实测击数，造成工程上的浪费。故应保持钻孔内水位高出地下水位一定高度，保持孔底土处于平衡状态。
（3）锤击速度的影响
锤击速度同样影响试验的准确性，若落锤速度过快，在惯性力的作用下，将导致贯入器自行向下，使锤击数偏小，造成工程上的浪费。故规范中规定，锤击速度不应超过30击/min。
（4）套管的影响
钻探时如果使用了套管，则套管深度不能超过试验标高，否则，在标贯器的贯入过程中，套管的存在将对土体产生围压，使土体变得密实，标准贯入锤击数将偏高，使工程偏于不安全。
（5） 土质条件
标准贯入试验过程中，经常会发现个别击数异常偏小或偏大，此时应检查标贯器采集的试样中是否存在粘性土夹层或者含砾石颗粒的现象，或者是试验位置是否恰好位于砂土与粘性土或碎石土交界的变层部位，计算时应剔除夹层厚度，根据砂层实际厚度和对应锤击数反算出正确的标贯锤击数，或者剔除本次数据重新进行试验。
另外地层厚度划分的准确性、标贯试验操作的规范性、钻杆长度的准确性及钻杆的型号等也是影响采用标准贯入试验法进行液化判别准确性的因素。
因此，工作过程中要仔细认真，提高责任心，严格遵守作业规范，避免错误和误差[4]。
4 液化等级的确定
砂土液化判别的目的是判定拟建场地土的液化可能性，并确定在15m或20m深度范围内的液化等级，以采取相应的处理措施。
液化等级的计算方法参见4.1节。
由于地基土的沉积环境不同，导致土层性质差异较大，常常使同场地内各钻孔的液化等级不一致，甚至跨度非常大。有时设计人会以最危险的情况考虑，全场按最高等级进行设计，造成极大的浪费，这是不可取的。可以根据各钻孔的液化判别结果，按同等级的钻孔进行分区，综合评价，再根据各区液化等级大小进行设计，这样既节约工程造价，又能保证工程安全。
5 抗液化措施
地基抗液化措施应根据建筑的重要性、地基的液化等级，结合具体情况综合确定。
当液化范围不大时，可采用挖除法，挖去可液化的土，用非液化土置换。加密法是比较常用的处理方法之一，如振冲，挤密碎石桩，强夯等，加密后桩间土的标准贯入锤击数应大于临界值。上述工程实例中采用的消除液化沉陷的方法即为振冲碎石桩挤密法，效果比较明显。
当采用桩基时，桩基端深入液化深度以下稳定土层中的长度应按计算确定。对碎石，砾、粗、中砂，坚硬粘性土不应小于0.5m。
另外，设计时也可采用防液化结构构造措施，如选择合适基础埋深，调整基础底面积，减少基础偏心；采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形基、加设基础
圈梁等加强基础的整体性和刚度；增强上部结构整体均匀对称性，合理设置沉降缝；管道穿过建筑物应预留尺寸或采用柔性接头等。
6 北京地区的液化区
北京地区在地貌上分为山区、冲洪积扇和冲积平原。在潮白河、温榆河、泃河、永定河和小中河等河流的中下游沿岸地区，河流历次泛滥改道，古河道较多，地势低洼，沉积物新、结构疏松，且地层以粘性土、粉土、砂土和卵石互层为主，地下水赋存条件良好，因此地震液化区主要分布于上述地区。区域涉及通州、顺义、大兴、平谷、延庆等，液化深度在2～10m。因此，在上述地区从事工程的勘察设计工作时，应对砂土液化问题引起高度注意。
7 结论
1、为了减轻建筑物的地震破坏，建筑场地应尽量避开可能液化的土层分布地段，应以地形平坦、液化土层及地下水埋藏较深、上覆非液化土層较厚的地段作为建筑场地。
2、进行液化判别时，应以场地整平后的地面标高进行计算，地下水位埋深按设计基准期内年平均最高水位或近期内年最高水位采用，且规范标准贯入试验的操作，否则将造成工程上的浪费，或使工程偏于不安全。
3、同一场地应综合评定地基土的液化等级，结合具体情况采取抗液化措施，既节约工程造价，又能保证工程安全。
参考文献
[1] 《工程地质手册》编委会；工程地质手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2007，595.
[2]李空军，杨勇新，林建华，等.饱和砂土液化机理分析及其抗液化措施[J].基建优化，2006，84～85.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局； （GB50011-2010）.《建筑抗震设计规范》[M].北京：中国建筑工业出版社，2010，23～25.
[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局； （GB50021-2001，2009版）《岩土工程勘察规范》[M].北京：中国建筑工业出版社， 2002， 285～286.
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