汾河流域液化地基處理技術分析探討

方翠

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

汾河流域液化地基處理技術分析探討

方翠

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

以汾河流域中的汾河三期工程和中游核心區(qū)段生態(tài)修復工程為例，從機理、設計、施工和效果方面闡述強夯法、碎石樁法和圍封法三種常用的處理可液化地基土的地基處理方法。

液化地基；地基處理；強夯法；碎石樁；圍封

1 引言

汾河為黃河的一級支流，是山西省境內(nèi)的第一條大河。已建和在建的汾河流域生態(tài)修復工程包括：汾河太原段32 km長的蓄水景觀生態(tài)區(qū)和60 km長的汾河中游核心區(qū)，共建有24座壅水閘壩，治理總長度約32 km，蓄水總量約4 330萬m3。

汾河流域的地基主要為全新統(tǒng)洪沖積粉細砂、低液限黏土（粉土），工程地質特性較好，主要存在地基液化、地基承載力和地基滲漏等問題。

2 地基液化及其危害

發(fā)生液化現(xiàn)象的土體多是松散的砂土和粉土，而汾河流域的地基土大部分是粉細砂，在地震情況下容易發(fā)生液化。地基液化對地表的影響表現(xiàn)在噴砂冒水、堤岸滑塌、地面開裂、不均勻沉降等，對其上建筑物造成很大危害。

3 液化土地基處理

液化地基處理的基本原則是提高土層密實度和改善排除孔隙水的條件，增大其透水性，從而提高其抗液化能力。抗液化措施有兩類：一是可液化土層全部或部分處理，或是采用樁基礎（或深基礎）將建筑物荷載穿過可液化土層傳到下面非液化土層上；二是不作地基處理，著重增加上部結構的整體剛度和均衡對稱性以及加強基礎的融化性和剛性，以提高建筑物抗不均勻沉降的能力，減少液化的危害。

3.1 汾河三期建筑物選擇處理液化方法

根據(jù)地質勘察資料，建筑物基礎均坐落在粉細砂地層上，不均勻，標準貫入實測擊數(shù)4～12擊，濕—飽和，松散—中密，為嚴重液化土，暗涵地基承載力100～120 kPa，壅水閘壩地基承載力100～120 kPa。壅水閘壩位于主河道，地下水位較高。暗涵建基面多位于地下水位以下，或地下水位附近。建議采取適當?shù)奶幚泶胧p弱或消除地基土的液化問題。

對砂性土地基最常用、經(jīng)濟、有效、成熟的處理方法有換填、強夯和擠密樁等處理措施。暗涵建設距離長，場地地下水高，換填地基的工期長、難度大、不經(jīng)濟；碎石樁處理地基工期長，工程直接費高達3 300元/m；采用強夯處理地基以消除部分液化、提高地基承載力、減小地基不均勻性最為合理、可行，工程直接費為1 100元/m，較為經(jīng)濟。另外，在一、二期工程實施過程中，暗涵地基采用了強夯法，處理后的效果基本達到了設計要求。經(jīng)比較，暗涵采用強夯處理液化。

壅水閘壩包括液壓壩、沖砂閘和船閘，考慮其地基承載力要求高、地基面積小，且位于主河道內(nèi)，地下水高。故壅水閘壩采用碎石樁處理液化。

3.2 汾河中游核心區(qū)段壅水壩選擇處理液化方法

汾河中游核心區(qū)段生態(tài)修復工程主要任務為通過在河道內(nèi)設置蓄水閘壩、抬高河道水位、攔蓄洪水，增補地下水，為堤外蓄水濕地提供水源。通過在各壅水閘壩基礎下設置垂直河道的水泥土地連墻進行截滲，壅高地下水。

該工程壅水壩采用液壓壩，液壓壩整體結構對地基承載力要求較低，根據(jù)地質資料，液壓壩地基的承載力均在80～90 kPa，滿足液壓壩基底應力的要求。為壅高水位，在液壓壩下設置一道截滲墻。液壓壩地基位于汾河主河道內(nèi)，地下水位高，故地基液化直接結合截滲墻采用圍封法處理。

4 強夯法

4.1 處理原理

強夯加固地基主要是強大的夯擊能在地基產(chǎn)生強烈的沖擊波和動應力對土體進行加固。

4.2 排水暗涵強夯法設計

汾河三期工程東、西暗涵各長12 km，采用C30鋼筋混凝土結構，為箱形結構。風峪河和許坦渠入口以上斷面凈尺寸3 m×3.5 m（寬×高），邊墻厚0.4 m，頂板厚0.3 m，底板厚0.5 m。風峪河和許坦渠入口以下斷面凈尺寸4.0 m×3.5 m（寬×高），邊墻、頂板厚度均為0.4 m，底板厚0.5 m。為增加墻體的穩(wěn)定，底板兩側均向外懸挑0.8 m，底板延伸后的基礎總寬分別為5.4 m和6.4 m。

通過地質勘探資料，工程區(qū)地基土屬嚴重液化，建筑物抗震設防類別為丙類，應全部或部分消除液化沉陷。在地下水位埋深較深地段，建議采用強夯法進行地基處理，單擊夯擊能為2 000～3 000 kN·m。在地下水位埋深較淺地段，建議采用振動擠密碎石樁或振沖置換樁對地基進行處理，處理深度7～11 m為宜。

4.2.1 加固深度及范圍的確定

根據(jù)暗涵的工程等級（丙類建筑）及運行情況，按《建筑抗震設計規(guī)范》，地基部分消除液化沉陷的深度，需滿足處理后的地基的液化指數(shù)不大于4。根據(jù)前兩期經(jīng)驗，處理深度確定為6 m，并要求在建基面以下3 m深度范圍內(nèi)消除液化。

處理范圍：根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》，處理寬度應超出基礎邊緣以外，超出寬度應超過基礎底面以下處理深度的1/2且不小于基礎寬度的1/5。暗涵基礎設計寬度6.4 m，基礎處理深度不小于6.0 m，故確定處理寬度按超出基礎邊緣以外3.0 m設計。

4.2.2 單點夯擊能和有效加固深度

單點夯擊能是指單位面積上所施加的總夯擊能，當夯擊能滿足有效加固深度要求時，有效加固深度會在一定范圍內(nèi)隨單點夯擊能的增加而增大。單點夯擊能重錘的落距可由擬加固土層的厚度及施工設備能力，并結合三期工程的實際情況和施工經(jīng)驗確定。采用下式估算。

式中：H——地基有效加固深度，取6.0 m；

α——經(jīng)驗系數(shù)，α＝0.34～0.8，粉細砂地基，取0.45；

M——夯錘質量，kN；

h——落距，m。

經(jīng)計算，夯擊能為1 778 kN·m，設計夯擊能取2 000 kN·m。

4.2.3 夯點布置及間距

夯點的布置應根據(jù)建筑物的類型、地基土的性質以及有效加固深度等因素確定。夯點布置的合理與否將直接影響強夯的處理效果和施工費用。對于三期工程長距離、大面積的強夯處理，夯擊點采用梅花型布置。根據(jù)國內(nèi)外的工程實踐經(jīng)驗，第一遍夯擊點的間距宜選5～9 m，或取加固深度、或取夯錘直徑或邊長的2倍，以后各邊的夯擊點間距可與第一遍夯擊點間距相同，也可適當減小。并參照二期工程強夯的布樁型式，夯點設計間距5 m，梅花型布置。

4.2.4 夯擊遍數(shù)

根據(jù)前兩期工程經(jīng)驗，汾河三期暗涵地基處理設計夯擊遍數(shù)為三遍：第一遍10擊，第二遍8擊，最后低錘滿夯兩遍，滿夯的作用是加固表層土，要求最后兩擊的平均夯沉量不大于50 mm。但最終的夯擊遍數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場的試夯參數(shù)確定。

因此，2013年8月進行了試夯試驗，暗涵地基試夯長60 m。根據(jù)試夯前后的標貫試驗成果對比分析，終夯面以下2 m范圍內(nèi)基本消除了液化，但尚不滿足設計要求。經(jīng)分析，試夯時地下水較高，影響了強夯效果。為滿足地基處理要求，2013年11月再次進行了試夯試驗，強夯前進行降水。采用井點降水，井深10～15m，井點間距15 m，梅花型布置在強夯面兩側，每次強夯前降水至本遍強夯結束，同時保證夯坑內(nèi)不出水，單遍強夯排水持續(xù)時間4 d。根據(jù)試夯前后標貫試驗成果對比分析，強夯效果較為明顯，3 m范圍內(nèi)完全消除液化、6 m范圍內(nèi)液化等級降為中等。

4.2.5 施工起夯面的確定

為減少工程投資，提高夯擊效率，并參照前兩期工程經(jīng)驗，對夯擊面采用預留或回填土層的措施，確定強夯的起夯面高出設計建基面1.7 m，對于地下水位較高的地段，起夯面在地下水位（可采取井點降水）以上不應小于1.0 m，夯坑內(nèi)不能形成積水。待強夯完成，經(jīng)檢驗滿足設計要求后，再清理至設計建基面高程，不允許出現(xiàn)夯擊終結面低于設計建基面。

強夯的設計參數(shù)包括起夯面、夯擊能，以及擊數(shù)、夯擊遍數(shù)、夯點間距等，最終需由現(xiàn)場夯擊試驗修訂后才能實施。

5 碎石樁

碎石樁處理液化地基屬于物理加固方法，其原理是通過下沉樁管并灌注碎石，起到擠密液化土體的作用，從而提高地基的抗剪強度和抗液化性能。

5.1 布置范圍

對于液化地基，碎石樁的布置范圍應在基礎外緣擴大到2～4排樁，且不小于可液化土層深度的1/2，并不小于5m。樁的布置形式采用正三角形，擠密效果好。

5.2 樁長確定

碎石樁樁長應處理至液化深度下界，且有效樁長不小于4 m和8～10倍樁徑的較大值。由于汾河太原段閘基礎坐落在不良沙層上，地基土嚴重液化，1號閘壩地基承載力100～120 kPa，現(xiàn)狀地面以下液化土層厚14 m；2號閘壩地基承載力90～100 kPa，現(xiàn)狀地面以下液化土層厚15 m。根據(jù)地質報告的建議，參照前兩期工程經(jīng)驗，有效樁長設計為10.0 m。

5.3 樁徑及樁距

經(jīng)計算，碎石樁樁徑0.6 m，樁距2.0 m時，復合地基承載力為146 kPa，滿足壅水閘的地基應力要求。5.4 碎石填料

碎石樁的充盈系數(shù)為1.3，樁頭與壅水閘壩基礎之間設置30 cm后的碎石層。樁體材料采用碎石，其含泥量不大于5%，常用的粒徑為2～5 cm，一般不大于8 cm，填料時要求具有一定的顆粒級配，顆粒級配好，則樁體的密實性高，擠密速度快。

碎石樁為透水地基，考慮蓄水池的防滲，在壩底板段前端垂直河道設有一道垂直防滲墻，伸入相對不透水層0.5 m?？紤]到該地基為碎石樁處理后的復合地基，防滲墻擬采用高壓旋噴樁型式，樁徑0.8 m，樁距0.6 m，并與蓄水池兩側縱向防滲墻“T”接。

6 圍封法

根據(jù)汾河中游核心區(qū)段生態(tài)修復工程地勘資料，該工程壅水壩基礎坐落在粉砂和低液限粉土上，地基承載力80～90 kPa，地基為液壓場地?？紤]壩閘閘孔較寬，孔間止水對地基的不均勻變形要求較為嚴格，對地基承載力要求較低，針對地基土的特性及壩基抗?jié)B穩(wěn)定要求，為滿足地基承載力、消除地基震動液化，地基處理措施如下：

為滿足壩基礎冬季施工要求，考慮防滲體系的可靠性，結合地基土的特性，壩體段采用圍封處理地基液化，并兼作防滲墻的形式，即垂直河道方向設兩（三）道垂直防滲墻（多軸攪拌水泥土地連墻）伸入相對不透水層0.5 m，深4～21 m；與順河道方向間距6 m的水泥土地連墻形成網(wǎng)格狀圍封結構。圍封結構上部換填500 mm厚3∶7灰土。水泥土地連墻采用深層攪拌法處理液化土地基，達到加固地基，消除地基液化給壅水閘壩帶來的震害。

TU44

C

1004-7042（2017）01-0033-03

方翠（1983-），男，2006年畢業(yè)于太原理工大學水利水電工程專業(yè)，工程師。

2016-11-12；

2016-12-23