液化砂土處理措施在南水北調(diào)中線總干渠渠道設(shè)計中的應(yīng)用

□馮瑞軍 □李慶亮（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司）

□陳相龍（河南省水利水電工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)測監(jiān)督站）

一、工程概述

南水北調(diào)中線總干渠潮河段工程南起新鄭市梨園鄉(xiāng)馮莊村，向東經(jīng)龍王，中牟縣三官廟、張莊街，止于鄭州市魏莊學(xué)校東南，渠線全長45.85km，沿線地形變化較大，所經(jīng)地貌單元主要為松散土覆蓋崗地、河谷平原、沖洪積平原和砂丘、砂地等。渠道建成運行后，由于渠道滲漏使地下水位抬升等因素，可使現(xiàn)處于非飽和狀態(tài)的砂土和少粘性土將來呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。渠道沿線穿越地震液化段累計長度約30.63km，地震液化時，將造成渠道沉陷、明顯的傾斜甚至滑坡，并在岸坡后面產(chǎn)生沿岸的大裂縫或大量縱橫交錯的裂縫，對工程的安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重危害，因此，采用了多種處理措施防止土層液化。

二、液化砂土的機(jī)理

松散的砂土受到震動時有變得更緊密的趨勢。當(dāng)飽和砂土的孔隙全部為水充填時，這種趨于緊密的作用將導(dǎo)致孔隙水壓力的驟然上升，而在地震過程的短暫時間內(nèi)，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，這就使原來的砂粒通過其接觸點所傳遞的壓力（有效壓力）減小，當(dāng)有效壓力完全消失時，砂層會完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，變成像液體一樣的狀態(tài)，即通常所說的砂土液化現(xiàn)象。

三、影響砂土液化的因素

根據(jù)已有經(jīng)驗表明，影響砂土液化最主要的因素為：土顆粒粒徑、砂土密度、上覆土層厚度、地面震動強(qiáng)度和地面震動的持續(xù)時間及地下水的埋藏深度等。見影響液化因素表。

四、飽和砂土地震液化處理工程措施及影響分析

考慮到影響液化的因素，液化砂土的處理原則就是改善土質(zhì)條件和排除孔隙水的條件，提高土的密實度或透水性，從而提高其抗液化的能力。液化砂土處理的方法主要有：擠密砂樁法、強(qiáng)夯法、換填非液化土層法、填土壓重法、混凝土連續(xù)墻或其他方法圍封可液化地基。

上述方法均可解決砂土液化問題，設(shè)計中根據(jù)潮河段砂土的液化等級、液化深度及埋深、渠道與附近建筑物的相對位置以及渠道安全的重要性等因素，對沿線渠道選擇技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理的處理方案。

影響液化因素表

（一）擠密砂樁法

對于液化土層厚度或埋深〉7m的渠段，同時考慮液化渠段附件建筑物對施工條件的限制，如凈空不能滿足夯垂設(shè)計落距等，對部分液化深度較薄的渠段，均采用擠密砂樁法處理。潮河液化渠段中，液化土層主要為細(xì)砂、砂壤土及輕壤土等松散土層，擠密砂樁采用能使地基擠密更加均勻的等邊三角形布置形式。

松散粉土和砂土地基的樁徑根據(jù)擠密后要求達(dá)到的孔隙比e1來確定。等邊三角形布置

式中:s為砂石樁間距(m)；d為砂石樁直徑(m)；ξ為修正系數(shù)，當(dāng)考慮振動下沉密實作用時，可取1.1～1.2；不考慮振動下沉密實作用時，可取1.0；e0為地基處理前砂土的孔隙比，可按原狀土樣試驗確定，也可根據(jù)動力或靜力觸探等對比試驗確定；e1為地基擠密后要求達(dá)到的孔隙比；

emax、emin為砂土的最大、最小孔隙比，可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123的有關(guān)規(guī)定確定；

Dr1為地基擠密后要求砂土達(dá)到的相對密實度，可取0.70～0.85。

樁長及處理范圍：擠密砂樁的樁長穿過液化土層。其處理范圍在基礎(chǔ)外邊緣的擴(kuò)大寬度不小于液化土層的1/2，且≥5m。

擠密砂樁處理后，在增加了土體的密實度及不均勻系數(shù)的同時，改善了土體的排水條件，并通過部分置換，與土體形成復(fù)合地基，提高了土體的抗液化能力。

（二）強(qiáng)夯法

對于液化土層較薄或埋深〈7m的渠段，在不影響強(qiáng)夯范圍附近建筑物及構(gòu)筑物的安全及正常使用時，采用強(qiáng)夯法處理飽和砂土地震液化問題。

夯錘技術(shù)參數(shù)按下式計算:

式中:Z為消除液化土層的厚度（m）；Q為夯錘質(zhì)量（t）；H為夯錘落距（m）；a為因土質(zhì)而異的修正系數(shù)，一般取0.3～0.5。

強(qiáng)夯處理范圍：基礎(chǔ)處理范圍超出基礎(chǔ)外緣的寬度，每邊不宜小于處理土層厚度的1/2，并不應(yīng)〈3m。

強(qiáng)夯處理后，增加了土體的密實度及超固結(jié)比，提高了土體的抗液化能力。

（三）換填法

對于液化土層較薄且埋藏深度相對較淺渠段，采用換填非液化土層，處理砂土液化問題。其填筑標(biāo)準(zhǔn)用設(shè)計填筑干密度和設(shè)計填筑含水量控制。

基礎(chǔ)處理范圍超出基礎(chǔ)外緣的寬度，每邊不宜小于處理土層厚度的1/2，并不應(yīng)〈3m。換填土中粘性土含量增大，提高了土體的抗液化能力。

（四）填土壓重法

潮河段部分渠段為填方渠段，液化土層上方局部填高可達(dá)12m，在7度地震起，當(dāng)上覆土層厚度〉7m時，不必進(jìn)行特殊的液化處理，因此可僅對上覆土層未達(dá)到7m的渠基采用其他措施進(jìn)行處理，如下圖。

填土壓重法處理方案典型斷面圖

但上述措施中，填土壓重處理范圍內(nèi)，雖然不會發(fā)生噴水冒砂等宏觀液化現(xiàn)象，但可能發(fā)生微觀液化，降低地基的強(qiáng)度。渠道可能由于在不均勻基礎(chǔ)上沉降的差異，產(chǎn)生沉降裂縫，致使渠道防滲失效，進(jìn)而發(fā)生滑坡、潰堤，對工程的安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此，填土壓重方案不適于潮河段填方渠道飽和砂土地震液化處理。

（五）混凝土連續(xù)墻或其它方法圍封可液化地基

圍封是用板樁把可能液化的范圍包起來，防止或減輕建筑物下方液化土層因側(cè)向流動而產(chǎn)生不均勻沉陷。由于潮河段液化渠段較長，沿線斷續(xù)分布的液化土層在液化深度、液化等級等方面差異較大，圍封效果很難控制且投資較大；另一方面，板樁圍封后，可能截斷渠道兩側(cè)地下水的聯(lián)系，對渠道兩側(cè)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，因此，板樁圍封方案不適用于南水北調(diào)渠道飽和砂土地震液化處理。

（六）綜合處理方案

潮河段渠線較長，沿渠液化土層采用單一處理措施，技術(shù)可行，效果明顯，但采用多種處理方案相結(jié)合的措施，其處理效果同樣顯著，且更加經(jīng)濟(jì)合理。如對液化土層深約8m的渠段，采用先開挖1m后，再強(qiáng)夯，然后回填至基面的工程措施，相對擠密砂樁處理措施投資節(jié)省約30%。

五、結(jié)語

蓋重法、擠密砂樁法雖然已在工程中得到廣泛的應(yīng)用，但是有關(guān)強(qiáng)夯等處理方法的機(jī)理研究，至今尚未取得滿意的結(jié)果，還沒有形成一套成熟的設(shè)計計算方法；填土壓重下方液化土層在經(jīng)過地震液化后，土層的沉降量還沒有一套成熟可信計算方法。上述問題還需要經(jīng)過長時間的試驗、研究及觀測，前期的工作周期將會延長，影響工程的通水目標(biāo)。鑒于南水北調(diào)工程的重要性及渠道破壞后的危害性，暫不考慮填土壓重的影響，并對強(qiáng)夯、擠密砂樁等處理措施，在施工前需選擇有代表性的渠段進(jìn)行試驗，選擇合適的施工參數(shù)進(jìn)行施工，確保工程的長期安全可靠運行。