南水北調(diào)中線工程河北省磁縣段飽和砂土液化渠基處理

付明軍

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

南水北調(diào)中線工程河北省磁縣段飽和砂土液化渠基處理

付明軍

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

南水北調(diào)中線工程河北省磁縣段渠道工程線路長，地質(zhì)條件復(fù)雜，總干渠穿越砂土地震液化地基累計(jì)長度約2.351km，地震液化對(duì)渠道的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重危害。通過對(duì)砂土液化的機(jī)理、影響因素進(jìn)行分析，對(duì)砂土液化地基依據(jù)液化層埋深、液化等級(jí)以及渠道安全等重要性因素，經(jīng)過多方案比選，因地制宜，選擇開挖的泥礫料作為填料的復(fù)合載體夯擴(kuò)樁的處理方案，節(jié)省了工程投資，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

渠基處理 砂土地震液化 復(fù)合載體夯擴(kuò)樁 南水北調(diào)

1 工程概述

南水北調(diào)中線工程總干渠河北省磁縣段線路以冀豫交界處的漳河北為起點(diǎn)（樁號(hào)為0+000），沿京廣鐵路西側(cè)的太行山東麓自南向北，渠段通過的地貌單元為平原和崗地，線路總長40.056km，其中渠道長38.896km，建筑物長1.07km，不良地質(zhì)渠段長度包括砂土液化渠段，濕陷性黃土渠段以及膨脹土渠段等，其中砂土液化渠段長度為2.351km。

根據(jù)國家地震局對(duì)南水北調(diào)中線工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)以及地震烈度區(qū)劃邊界核定的結(jié)果《南水北調(diào)中線工程設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃報(bào)告》（2004年4月），本渠段設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，抗震設(shè)防烈度為7度。

總干渠為Ⅰ等工程，渠道為1級(jí)建筑物，明渠設(shè)計(jì)流量235m3/s，加大流量265m3/s。渠道為梯形斷面，底寬17.5～25.0m，設(shè)計(jì)水深6.0m，縱坡1／23000～1／26000。

2 砂土液化渠段工程地質(zhì)條件

渠道樁號(hào)0+000～1+851,4+480～4+980，長度2.351km，位于漳河北岸河漫灘和一級(jí)階地，渠底及以下分布有飽和中砂及輕粉質(zhì)壤土。樁號(hào)0+000～1+851，長度1851m，為填方段，平均填土高度10.0m左右，液化層為第四系全新統(tǒng)中砂，為中砂液化，埋深0～2m，厚度6.0m～9.0m，地下水埋深6.0m，透水性良好，下伏為強(qiáng)透水的卵石層。樁號(hào)4+480～4+980，長度約500m，為半挖半填段，最大填高6.50m，為輕粉質(zhì)壤土液化，埋深10～12m，厚度3.0m～5.0m，地下水埋深10.0m，下伏為透水性卵石層。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，具輕微～中等液化地層。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)貫入法檢測(cè)，貫入擊數(shù)均小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。

3 液化砂土的機(jī)理

松散的砂土受到震動(dòng)時(shí)有變得更緊密的趨勢(shì)，在地震荷載作用下，飽和砂土內(nèi)不同質(zhì)量、不同排列方式的土粒受到大小不同、方向不同的慣性力作用，從而在土粒間的接觸點(diǎn)上引起新的應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力超過一定量值時(shí)，就會(huì)破壞土粒間原有的聯(lián)結(jié)，土的結(jié)構(gòu)可能突然崩潰，土粒之間脫離接觸。與此同時(shí)，由于荷載的循環(huán)作用，孔隙水來不及排出（相當(dāng)于不排水條件），這就使原來的砂粒通過其接觸點(diǎn)所傳遞的壓力

（有效壓力）減小，孔隙水壓力升高，當(dāng)有效壓力完全消失時(shí)，砂層會(huì)完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，處于沒有抵抗外荷載能力的懸浮狀態(tài)，產(chǎn)生了液化。砂土的抗剪能力主要依靠土粒間的接觸壓力和摩擦系數(shù)，飽和砂土發(fā)生液化的過程，也就是抗剪強(qiáng)度消失的過程。

總干渠渠道建成運(yùn)行后，由于渠道滲漏使地下水位抬升、漳河在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水等條件下，可使現(xiàn)處于非飽和狀態(tài)的砂土和輕粉質(zhì)壤土呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。在地震動(dòng)荷載的反復(fù)作用下，砂層結(jié)構(gòu)遭到破壞，并具有振密的趨勢(shì)，這種快速的密實(shí)趨勢(shì)使砂土中的孔隙水壓力逐步上升，土中有效應(yīng)力減少。當(dāng)土的有效應(yīng)力完全消失時(shí)，砂土的抗剪強(qiáng)度為零。砂層失去強(qiáng)度呈液體狀，喪失承載能力，從而造成渠道的沉陷等破壞對(duì)工程的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重危害，因此，需采取處理措施防止土層液化。

4 影響砂土液化的因素

砂土是否發(fā)生液化與諸多因素有關(guān)，其中主要因素有土的物理性質(zhì)、起始應(yīng)力狀態(tài)、動(dòng)荷載特性以及排水條件等。

4.1 土的物理性質(zhì)

土的物理性質(zhì)主要表現(xiàn)在土粒級(jí)配和密實(shí)度兩方面。當(dāng)其他條件相同時(shí)，細(xì)而均勻的砂比粗砂更易液化，這主要是粗砂的滲透性比細(xì)砂大，振動(dòng)過程中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力比在細(xì)砂中更容易消散。因此，液化的可能性隨著砂粒的增粗而減小。級(jí)配均勻的砂比級(jí)配良好的砂更容易液化。這是因?yàn)榧?jí)配良好的砂的排水能力大于級(jí)配均勻的砂。此外，顆粒形狀、粘粒含量也有一定的影響，如角礫比圓礫具有加大的動(dòng)力穩(wěn)定性。當(dāng)粘粒含量增加到一定程度時(shí)，粘聚力在砂土的抗剪強(qiáng)度中占有一定比例時(shí)，產(chǎn)生液化的機(jī)理?xiàng)l件不具備時(shí)，砂土就不會(huì)液化。

4.2 起始應(yīng)力狀態(tài)

起始應(yīng)力狀態(tài)與液化土層的埋深和靜止側(cè)壓力系數(shù)的大小有關(guān)，液化土層埋深愈大，側(cè)限壓力愈大，愈不容易發(fā)生液化?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》（GB50011-2010）對(duì)地面以下15m深度范圍內(nèi)的液化土如何判別提出了具體的方法，對(duì)地面以下15m深度范圍以外的液化判別不做要求，也隱含著當(dāng)液化土層埋深大于15m時(shí)，可判定為不液化情況。地震的調(diào)查結(jié)果也表明：在地面以下15m深度以外，即使是松砂也難以液化。

4.3 動(dòng)荷載特性

動(dòng)荷載的性質(zhì)、大小、持續(xù)時(shí)間是影響飽和砂土液化的主要外因。地震荷載的大小與性質(zhì)決定了地震剪應(yīng)力的大小，當(dāng)?shù)卣鸺魬?yīng)力大于砂土抗液化剪應(yīng)力時(shí)，則可能會(huì)液化。地震剪應(yīng)力的大小與液化土的埋深、地面最大加速度有關(guān)，可依據(jù)Seed法進(jìn)行計(jì)算，地震持續(xù)時(shí)間與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)，亦即與地震震級(jí)有關(guān)。 對(duì)某一種砂土，在地震時(shí)是否會(huì)發(fā)生液化, 主要決定于地震引起的應(yīng)力或應(yīng)變的大小以及地震持續(xù)時(shí)間的長短。

4.4 排水條件

地下水是砂土液化不可缺少的條件，沒有地下水也就無所謂液化。問題的關(guān)鍵在于動(dòng)荷載作用下砂土的透水程度、排滲路徑、排滲的邊界條件如何。由于地震是突發(fā)性劇烈震動(dòng)，飽和砂土中的孔隙水來不及排出，導(dǎo)致了孔隙水壓力上升。排水條件對(duì)砂土中的孔隙水壓力的大小有直接關(guān)系。也是決定砂土是否液化的主要條件。

5 砂土液化判別方法

（1）判別方法

砂土液化判別的方法較多，近半個(gè)世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者和科技人員曾進(jìn)行了大量的研究，提出了多種判別準(zhǔn)則和評(píng)定方法。如臨界孔隙比法、臨界振動(dòng)加速度法、臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法、抗液化剪應(yīng)力法、靜力觸探法、綜合指標(biāo)法以及統(tǒng)計(jì)法等。由于振動(dòng)液化影響的因素甚多，每一種方法考慮因素的側(cè)重點(diǎn)不同，有時(shí)候同一問題采用不同的判別方法可能會(huì)得出不同的結(jié)論?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011- 2010）推薦的方法，采用飽和砂土實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與液化時(shí)的臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)進(jìn)行對(duì)比的方法來判定飽和砂土是否液化，臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)是飽和土處于液化與不液化界限狀態(tài)時(shí)所具有的最小標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)，它與飽和砂土的埋深、地下水位高低、以及土的密實(shí)度、地震烈度等因素有關(guān)，是比較成熟的方法。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011- 2010）規(guī)定：在地面下15m深度范圍內(nèi)的液化土應(yīng)符

合下列要求：

式中，N63.5為飽和砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊實(shí)測(cè)值（未經(jīng)桿長校正）

Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值

N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值

ds為飽和砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度（m）

dw為地下水位深度（m）

ρc為粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或砂土?xí)r，均應(yīng)取3。

（2）應(yīng)用該方法應(yīng)注意的問題

該法基本反映了影響飽和砂土振動(dòng)液化的主要因素，如飽和砂土埋深、地下水位、粘粒含量以及地震烈度等因素。方法簡(jiǎn)單，可結(jié)合工程地質(zhì)勘察同時(shí)進(jìn)行。但對(duì)外荷載引起的附加應(yīng)力沒有考慮。

在現(xiàn)場(chǎng)確定標(biāo)貫試驗(yàn)的鉆孔數(shù)應(yīng)有一定的代表性，不宜少于規(guī)范要求的數(shù)量。且應(yīng)特別注意盡量不要對(duì)原狀土進(jìn)行擾動(dòng)。

6 砂土地震液化處理工程措施

6.1 常規(guī)處理方法存在的問題

消除地震液化的處理措施有強(qiáng)夯法、振沖法、圍封法、深層爆炸法和沉管擠密法等。強(qiáng)夯法適用于加固淺層地基土，處理深度較淺，施工中噪音較大，對(duì)周圍環(huán)境影響較大。

沉管擠密法因工藝原因形成的樁徑有限，處理液化效果不佳，當(dāng)土層中含

有密實(shí)度較高的硬夾層時(shí)，造孔極為困難，但對(duì)粉細(xì)砂和粉土，使用振動(dòng)沉管法則可獲得較一般振沖法更好的豎向振實(shí)效果和更強(qiáng)烈的預(yù)振動(dòng)效應(yīng)。

振沖法處理液化土層具有機(jī)理明確，設(shè)備簡(jiǎn)單，不用三材，造價(jià)低廉，技術(shù)效果好等優(yōu)點(diǎn)，但其最適用的土層為疏松的接近中砂的細(xì)砂、中粗砂和粗砂，對(duì)可液化的粉細(xì)砂和粉土，由于施工中土粒流失較大，成樁困難，技術(shù)效果并不明顯，同時(shí)振沖碎石樁施工過程中需要大量的清水，施工過程中還產(chǎn)生大量的泥漿需要處理，嚴(yán)重污染環(huán)境，而且成本較高。

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(dòng)而產(chǎn)生不均勻沉陷。由于磁縣段液化渠段較長，沿線斷續(xù)分布的液化土層在液化深度、液化等級(jí)等方面差異較大，板樁圍封后，可能截?cái)嗲纼蓚?cè)地下水的聯(lián)系，對(duì)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。

深層爆炸法對(duì)處理深層液化的松砂效果較好，由于施工簡(jiǎn)單而迅速，費(fèi)用也較少，因而較多地用于基礎(chǔ)處理。該法的缺點(diǎn)和局限性在于爆炸處理后的基礎(chǔ)不均勻，對(duì)中粗砂的加固效果好，對(duì)于細(xì)砂特別是粉細(xì)砂加固效果較差，對(duì)于表層有粘土層、凍土層和排水不良層，則不宜使用該法。

6.2 復(fù)合載體夯擴(kuò)樁法

等能量等變形夯擴(kuò)擠密碎石樁以重錘做自由落體運(yùn)動(dòng)所形成的強(qiáng)大夯擊能量成孔到設(shè)計(jì)標(biāo)高，使樁端及樁身周圍土體得到第一次擠密；填碎石料后，以填料為載體，通過重錘對(duì)填料的夯擊作用，使原狀松散或軟弱的土體中的空氣和孔隙水強(qiáng)行排出，使土體結(jié)構(gòu)重新固結(jié)，實(shí)現(xiàn)土體的第二次擠密擠密（快速固結(jié)）。在填料夯擊的過程中，由于每次提升重錘高度相同，故每次夯擊能量相同（簡(jiǎn)稱等能量），在地基無側(cè)向擠出或隆起的情況下，通過夯擊使土體達(dá)到最大限度地?cái)D密加固，并以一擊的貫入量作為達(dá)到擠密效果的控制指標(biāo)（一擊的貫入量控制標(biāo)準(zhǔn)為等變形）。自樁底設(shè)計(jì)深度處開始，每一施工段均按照等貫入度進(jìn)行控制，逐段填料和夯擊形成自下而上由多個(gè)擠密層組成的樁體。碎石樁樁身在受力過程中既起到分擔(dān)荷載作用，又能作為孔隙水消散的通道的作用，并且在成樁過程中振動(dòng)和擠密作用下土顆粒重新排列，消除了原地基土的液化。利用此工法可有效消除砂土液化可能性，提高地基土的承載力和壓縮模量，減少地基土的壓縮變形。

等能量等變形夯擴(kuò)擠密碎石樁屬于干法作業(yè)，在施工過程中不需要清水，也不產(chǎn)生泥漿，其加固效果較好。

依據(jù)磁縣段砂土液化渠段的基本特征，選擇復(fù)合載體夯擴(kuò)樁進(jìn)行渠基液化土層處理，復(fù)合載體夯擴(kuò)樁樁徑550mm，等邊三角形布置，樁間

距1.8m×1.8m，可見樁長7.0m，處理至下伏卵石層頂面。填料利用渠道開挖的泥礫，每次填料量不大于0.1～0.15m3，三擊貫入度不大于15cm。

處理寬度約為130m，長度2351m，處理總面積23.9萬m2，布樁數(shù)量約7.4萬根，總填料量約為12.3萬m3。

7 處理效果檢測(cè)

經(jīng)過地基處理后，砂土得到了擠密，經(jīng)過原位檢測(cè)，滿足設(shè)計(jì)要求。砂土液化取樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入法檢測(cè)結(jié)果表見表1。

表1 砂土液化取樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入法檢測(cè)結(jié)果表

8 結(jié)語

飽和砂土液化處理的方法有多種，每種方法都有一定的局限性，根據(jù)磁縣段渠道的液化等級(jí)、液化深度及埋深，因地制宜選擇復(fù)合載體夯擴(kuò)樁法處理液化地基，最大限度地利用了磁縣段開挖的泥礫土料，且施工簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生泥漿，對(duì)周邊環(huán)境影響較小，施工質(zhì)量容易控制，處理效果滿足設(shè)計(jì)要求。相比強(qiáng)夯法和擠密砂樁法等其他處理措施，節(jié)省投資約30%。

1 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》.（GB50011- 2010）.中國建筑工業(yè)出版社,2010.

2 胡存亮.等能量等變形夯擴(kuò)擠密樁在高速公路地基處理中的應(yīng)用,《交通標(biāo)準(zhǔn)化》,2007.4.

3 朱惠偉,朱義鐵.等能量等變形夯擴(kuò)擠密矸石樁在處理煤田塌陷區(qū)地基中的應(yīng)用.施工技術(shù),2007.1.

4 符德軍.等能量等貫入度擠密碎石樁.山西建筑，2007,12.

5 許蕓蕓等.夯擴(kuò)擠密碎石樁在沿海高速公路砂土液化地基中的應(yīng)用.鐵道建筑,2007,4.

6 薛春明,李鳳霞.擠密樁在處理濕限性黃土地基處理中的應(yīng)用.山西建筑,2006,4.

7 曹厚明.重型動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在振動(dòng)擠密碎石樁復(fù)合地基檢測(cè)中的應(yīng)用.探礦工程-沿途鉆掘工程，2004,2.

8 范乘余.高速公路可液化沙土地基處理.安徽地質(zhì)，2006,2.

9 趙珍等.砂土液化及處理措施.東北水利水電,2005,8.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.014

TV223.2

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1672-2469(2014)12-0040-04

付明軍（1970年—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。