抗震平臺(tái)法在處理地基液化中的應(yīng)用

王先忠

(河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450008)

1 工程概況

河南省出山店水庫(kù)是淮河干流上的大型防洪控制工程，其上游河流長(zhǎng)度124km，控制流域面積2900km2，多年平均流量35.2m3/s，多年平均年徑流11.1億m3，多年平均懸移質(zhì)年輸砂量73.1萬(wàn)t，是一座以防洪為主、結(jié)合供水、灌溉、兼顧發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程，總庫(kù)容12.51億m3。水庫(kù)正常蓄水位為88.0m，汛期限制水位86.0m，死水位84.0m，5年一遇洪水位88.0m，20年一遇洪水位92.3m，防洪高水位(p=1%)94.80m，水庫(kù)按1000年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位為95.78m，10000年一遇洪水校核，校核水位98.12m，大壩型式為混合壩型，主壩軸線長(zhǎng)3694.57m，其中土壩段長(zhǎng)3265m，混凝土壩段長(zhǎng)429.57m(含連接壩段)，壩頂高程100.4m，最大壩高40.6m，迎水面半坡高程91.01m。河南省出山店水庫(kù)工程為Ⅰ等工程，主壩[土壩段、混凝土壩段(溢流壩段、底孔壩段、電站廠房壩段、南灌溉洞壩段、連接壩段)]、副壩、北灌溉洞等主要建筑物級(jí)別1級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，臨時(shí)建筑物施工圍堰及導(dǎo)流明渠為4級(jí)建筑物，電站廠房級(jí)別為5級(jí)。

導(dǎo)流明渠總長(zhǎng)1264.75km，明渠采用40cm的鉛絲石籠護(hù)砌。

Ⅰ級(jí)階地段長(zhǎng)1.1km、壩高19.4m，壩型為黏土心墻壩，結(jié)構(gòu)形式主要為黏土心墻與壩殼砂料之間鋪設(shè)反濾層，上游壩坡采用混凝土連鎖塊護(hù)砌、下游壩坡采用混凝土預(yù)制塊護(hù)砌。Ⅰ級(jí)階地段上游95m高程設(shè)22m寬壓重臺(tái)、下游95m高程設(shè)25m寬壓重臺(tái)。Ⅰ級(jí)階地存在壩基軟土穩(wěn)定問(wèn)題、壩基滲漏及滲透變形問(wèn)題、壩踵部位飽和砂土地震液化問(wèn)題，針對(duì)上述地質(zhì)問(wèn)題，采取防滲帷幕進(jìn)行垂直防滲、采取擠密砂樁進(jìn)行砂土地震液化處理及壩基軟土的排水固結(jié)及置換處理。

混凝土壩段壩基巖性為弱—微風(fēng)化加里東晚期中粗粒黑云母花崗巖，該層分布于礫石層之下。

混凝土壩段開(kāi)挖料涉及砂礫及花崗巖，花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度較薄，為0～13m，一般厚1.4～2.8m，預(yù)計(jì)開(kāi)挖料狀態(tài)呈碎塊—次塊狀；花崗巖弱風(fēng)化層呈塊狀。導(dǎo)流明渠位于壩址區(qū)土壩段南側(cè)，后期拆除料涉及砂礫、碎石、塊石等，鉛絲石籠塊石料約7萬(wàn)m3。

2 Ⅰ級(jí)階地地層結(jié)構(gòu)

Ⅰ級(jí)階地地層結(jié)構(gòu)整體屬土、巖雙層結(jié)構(gòu)，其中上部第四系地層具河流相二元結(jié)構(gòu)特征；下伏基巖主要為古近系紅色巖系，主要為紫紅色(砂質(zhì))黏土巖、砂巖、礫巖，在Ⅰ級(jí)階地前緣之古近系與花崗巖不整合接觸面之上，夾有斑脫巖，屬弱透水性。

上覆上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)地層，具二元結(jié)構(gòu)，總厚度11～16m，局部達(dá)18m。其中上部為厚2～4m的第四系全新統(tǒng)黏性土層，地層巖性為黃色-褐黃色低液限黏土(重粉質(zhì)壤土)，屬弱透水性。中部為厚8～10m的第四系全新統(tǒng)砂層，巖性為褐黃-黃色-灰黃色級(jí)配不良砂(細(xì)砂、中粗砂、含礫砂層)，屬中等-強(qiáng)透水性；級(jí)配不良砂細(xì)化分為三層：上層顆粒以細(xì)砂為主，中層顆粒以中粗砂為主，下層顆粒以含礫中粗砂為主。土、砂層之間及砂層中局部夾有灰色、含有機(jī)質(zhì)的軟土層，極軟-軟；該層上疊于上更新統(tǒng)之上，構(gòu)成Ⅰ級(jí)階地。中下部為1.5～5m的第四系上更新統(tǒng)礫石層，局部卵石含量較高，含量達(dá)10%以上，該層多級(jí)配良好，局部級(jí)配不良，層底局部為卵石層。下部為未揭穿的由古近系毛家坡組(Em)磚紅、紫紅色粘土巖與砂質(zhì)黏土巖互層，夾有薄層礫巖及礫質(zhì)砂巖層等紅色巖系。

3 地震動(dòng)參數(shù)

出山店水庫(kù)庫(kù)區(qū)未發(fā)生過(guò)有歷史記錄的地震，在其周邊40km以內(nèi)也只發(fā)生過(guò)次數(shù)不多的5級(jí)6度的地震；根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，水庫(kù)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度6°；地震專業(yè)部門進(jìn)行了專門地震評(píng)價(jià)，確定地震基本烈度為6°。

根據(jù)GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，該水庫(kù)工程抗震設(shè)防類別為甲類，因此可將水庫(kù)工程主體建筑物的設(shè)計(jì)烈度在基本烈度的基礎(chǔ)上提高1°，采用7°。

4 壩址區(qū)液化判別

砂土的液化機(jī)制：松散的砂土受到震動(dòng)時(shí)有變得更緊密的趨勢(shì)，但飽和砂土的孔隙全部為水充填，因此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(guò)程的短暫時(shí)間內(nèi)，驟然上升的孔隙水壓力來(lái)不及消散，這就使原來(lái)由砂粒通過(guò)其接觸點(diǎn)所傳遞的壓力(有效壓力)減小，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，變成像液體一樣，即通常所說(shuō)的砂土液化現(xiàn)象。根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄P，地震時(shí)飽和無(wú)黏性土和少黏性土的液化判別，應(yīng)根據(jù)土層的天然結(jié)構(gòu)、顆粒組成、松密程度、地震前和地震時(shí)的受力狀態(tài)、邊界條件和排水條件以及地震歷時(shí)等因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)綜合分析判定。

壩址區(qū)Ⅰ級(jí)階地中部砂層為第四系全新統(tǒng)飽和少黏性土，經(jīng)初判可能產(chǎn)生地震液化問(wèn)題，復(fù)判采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法。

根據(jù)GB 50487—2008附錄P，符合下式要求的土應(yīng)判為液化土：

N

(1)

式中,N—工程運(yùn)行時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度ds(m)處的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)，擊；Ncr—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值，擊。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度和地下水位在試驗(yàn)地面以下的深度，不同于工程正常運(yùn)用時(shí)，實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)值應(yīng)按式(2)進(jìn)行校正，并應(yīng)以校正后的擊數(shù)N作為復(fù)判依據(jù)。

(2)

校正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)和實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)均不進(jìn)行鉆桿長(zhǎng)度修正。

液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值根據(jù)式(3)計(jì)算。

(3)

式中,ρc—土的黏粒含量質(zhì)量百分率,%，當(dāng)ρc<3時(shí)，ρc取3；N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，擊，取值6；ds—當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在地面以下5m以內(nèi)深度時(shí)，應(yīng)采用5m計(jì)算。

根據(jù)上述規(guī)定，工程運(yùn)用時(shí)選取不同位置判別，由于埋深和水位的不同，就可能造成判別結(jié)果較大差異。據(jù)此，根據(jù)壩體的結(jié)構(gòu)形狀，本水庫(kù)壩址區(qū)Ⅰ級(jí)階地中部的第四系全新統(tǒng)砂層液化判別復(fù)判計(jì)算時(shí)選取壩頂、迎水面半坡、迎水面壩踵等三種不同典型位置來(lái)進(jìn)行液化判別計(jì)算。以Ⅲ1- 28號(hào)孔為判別代表孔進(jìn)行計(jì)算(地面高程81.62m，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)地下水位埋深8.1m)，經(jīng)計(jì)算，壩頂及迎水坡半坡位置不液化，而在壩踵位置存在飽和砂土地震液化問(wèn)題，見(jiàn)表1。

表1 工程正常運(yùn)行時(shí)Ⅰ級(jí)階地中部砂層地震液化判別表(位置：壩踵)

表2 工程正常運(yùn)行時(shí)Ⅰ級(jí)階地中部砂層擠密砂樁施工后地震液化判別表(位置：壩踵)

5 可液化壩基的處理

Ⅰ級(jí)階地地層中，土、砂層之間及砂層中局部夾有灰色、含有機(jī)質(zhì)的軟土層，呈極軟—軟狀，存在壩基軟土穩(wěn)定問(wèn)題。結(jié)合壩基軟土穩(wěn)定問(wèn)題及飽和砂土地震液化問(wèn)題，壩基采用擠密砂樁處理方案，上下游側(cè)壩基處理邊界分別至上、下游壩腳線外10m之間全斷面布置、深度為清表后地面以下10m。擠密砂樁布置以防滲墻中心線為基準(zhǔn)，分別向上下游布置，采用等邊三角形布置，防滲墻中心線至上下游壓重平臺(tái)壩基范圍內(nèi)樁間距為2.0m、樁徑0.5m，壓重平臺(tái)外至上下游坡腳線外10m范圍內(nèi)樁間距為1.5m、樁徑0.5m。其中，樁間距為2.0m的擠密砂樁主要處理壩基軟土穩(wěn)定問(wèn)題；樁間距為1.5m的擠密砂樁以處理飽和砂土地震液化問(wèn)題為主，并在處理飽和砂土地震液化問(wèn)題的同時(shí)，亦解決了壩基軟土穩(wěn)定問(wèn)題。

6 抗震平臺(tái)法處理液化問(wèn)題的提出

Ⅰ級(jí)階地地層中，振動(dòng)沉管成樁法擠密砂樁施工前，根據(jù)要求，對(duì)樁徑0.5m的成樁工藝、樁間距2.0m及樁間距1.5m的成樁擠密進(jìn)行了試驗(yàn)。其中，成樁擠密試驗(yàn)采用了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和重型動(dòng)力觸探進(jìn)行檢測(cè)，重型動(dòng)力觸探檢測(cè)其成樁效果，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)樁間土擠密效果，根據(jù)樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)對(duì)地基液化問(wèn)題的處理效果進(jìn)行了檢測(cè)。

樁徑0.5m、樁間距2.0m的擠密砂樁試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的砂樁施工后檢測(cè)成果以鉆孔GH- 2為判別代表孔進(jìn)行敘述(地面高程81.56m，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)地下水位埋深7.9m)，見(jiàn)表2。

樁徑0.5m、樁間距1.5m的擠密砂樁試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的砂樁施工后檢測(cè)成果以鉆孔GH- 6為判別代表孔進(jìn)行敘述(地面高程81.67m，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)地下水位埋深7.9m)，見(jiàn)表3。

經(jīng)計(jì)算，按2.0m及1.5m的樁間距進(jìn)行擠密砂樁施工后，下部砂土的液化問(wèn)題已處理完畢，但上部4m深度內(nèi)的液化問(wèn)題仍然存在，需重新考慮該區(qū)域的壩基液化處理問(wèn)題。

根據(jù)砂土的液化機(jī)制及工況下液化判別校正的因素，對(duì)于本水庫(kù)工程而言，能人為作用的影響砂土液化主要因素為：顆粒組成、砂土密度、砂土的埋藏深度。

顆粒組成因素：由于該水庫(kù)工程土壩為1級(jí)建筑物，段長(zhǎng)1.1km，表層為2～4m黏性土層，液化深度10m，現(xiàn)狀地下水埋藏較淺、砂土的滲透性為中等-強(qiáng)透水性，若采用改變液化土層的顆粒組成的方法——換填法(用非液化土層替換全部液化土層)進(jìn)行處理，則存在工程量大、降排水困難、處理深度大等問(wèn)題，無(wú)論從工程造價(jià)及施工難度而言，該方法都不適宜于本工程。

表3 工程正常運(yùn)行時(shí)Ⅰ級(jí)階地中部砂層擠密砂樁施工后地震液化判別表(位置：壩踵)

砂土密度因素：對(duì)于本水庫(kù)工程而言，壩基中上部土、砂層之間及砂層中局部夾有灰色、含有機(jī)質(zhì)的軟土層，存在壩基軟土穩(wěn)定問(wèn)題，采取樁徑0.5m、樁間距2.0m的擠密砂樁進(jìn)行處理——排水固結(jié)法結(jié)合置換法；故采用擠密砂樁處理壩基液化問(wèn)題是必選方法，即增高樁間砂土密度的方法——加密法。從擠密砂樁的擠密效果理論上講，擠密砂樁間距越小，擠密效果越好；從施工角度而言，擠密砂樁間距越小，施工難度越大。從本次試驗(yàn)結(jié)果可知，樁間距1.5m的擠密砂樁施工后，液化深度同為4m，若樁間距調(diào)為1.0m，鄰樁間的振動(dòng)等影響越大、施工難度增大，從而難以解決上部砂性土的液化問(wèn)題。

砂土的埋藏深度因素：前述的工程正常運(yùn)用時(shí)壩頂、迎水面半坡等典型位置的液化復(fù)判，雖為壩體填筑，亦為加大砂土的埋藏深度的方法消除液化問(wèn)題的措施，故在現(xiàn)狀條件下判別為液化的區(qū)域，在壩體填筑后，其壩頂、迎水面半坡等典型位置因標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)貫入點(diǎn)深度的增加，而在進(jìn)行工程正常運(yùn)用時(shí)條件下判別為不液化。若采用加大砂土的埋藏深度的方法——本水庫(kù)工程為擴(kuò)大壩體斷面法進(jìn)行處理，以Ⅲ1- 28號(hào)孔為判別代表孔進(jìn)行敘述，見(jiàn)表4，至少需擴(kuò)大壩體斷面高程為91m，壩體91m高程位置至壩踵上游坡腳線外10m的距離為39.5m，增加斷面面積365m2，1.1km的Ⅰ級(jí)階地需增加40萬(wàn)m3的壩體填筑。存在工程量大、擴(kuò)大斷面高等問(wèn)題。

如前所述，對(duì)于本水庫(kù)工程能人為作用的影響砂土液化的三個(gè)因素中，顆粒組成因素不適宜本工程，砂土密度因素為必選因素，砂土的埋藏深度因素為可考慮因素。根據(jù)擠密砂樁的試驗(yàn)結(jié)果，樁徑0.5m、樁間距1.5m的擠密砂樁施工后，下部液化問(wèn)題已消除，液化深度均為4m，若調(diào)小間距，鄰樁間的振動(dòng)等影響越大、施工難度增大，從而難以解決上部砂性土的液化問(wèn)題。若要解決該問(wèn)題，目前還有一可考慮因素，考慮在壩踵上游增設(shè)一上覆土層，加大砂土的埋藏深度，以處理擠密砂樁施工后上部4m的液化問(wèn)題。至此，提出抗震平臺(tái)法處理液化問(wèn)題理念。

樁徑0.5m、樁間距2.0m的擠密砂樁施工后，在壩踵上游增設(shè)一上覆至85m高程的抗震平臺(tái)(壓重平臺(tái))處理擠密砂樁施工后上部4m的液化問(wèn)題，檢測(cè)成果以鉆孔GH- 2為判別代表孔進(jìn)行敘述，見(jiàn)表5。

樁徑0.5m、樁間距1.5m的擠密砂樁施工后，在壩踵上游增設(shè)一上覆至85m高程的抗震平臺(tái)(壓重平臺(tái))處理擠密砂樁施工后上部4m的液化問(wèn)題，檢測(cè)成果以鉆孔GH- 6為判別代表孔進(jìn)行敘述，見(jiàn)表6。

表5 工程正常運(yùn)行時(shí)Ⅰ級(jí)階地中部砂層擠密砂樁施工后增設(shè)抗震平臺(tái)地震液化判別表(位置：壩踵)

表6 工程正常運(yùn)行時(shí)Ⅰ級(jí)階地中部砂層擠密砂樁施工后增設(shè)抗震平臺(tái)地震液化判別表(位置：壩踵)

從表5—6的液化判別結(jié)果可知，在增設(shè)至85m高程的抗震平臺(tái)后，樁間距2.0m及樁間距1.5m的擠密砂樁施工后的上部4m未消除的液化問(wèn)題均全部消除。

綜上所述，針對(duì)Ⅰ級(jí)階地壩基軟土穩(wěn)定問(wèn)題及飽和砂土地震液化問(wèn)題的處理方案調(diào)整為，上游側(cè)壩基處理邊界至上游壩腳線外10m之間全斷面布置，深度為清表后地面以下10m，采用等邊三角形布置，樁徑0.5m，樁間距2.0m；針對(duì)壩基液化問(wèn)題，在上游增設(shè)至85m高程的抗震平臺(tái)，平臺(tái)頂面邊界至上游壩腳線外10m，然后按1∶3坡度向上游順延至原始地面。

根據(jù)該調(diào)整方案，擠密砂樁將減少2.8萬(wàn)根，減少擠密砂樁擠密砂量5.5萬(wàn)m3；增設(shè)抗震平臺(tái)需增加填筑料9.7萬(wàn)m3，其填筑料可選取混凝土壩段開(kāi)挖料及導(dǎo)流明渠鉛絲石籠拆除料，亦可解決水庫(kù)部分開(kāi)挖棄渣料的安置問(wèn)題。

7 抗震平臺(tái)法在水利行業(yè)的適用性

根據(jù)GB 50487—2008附錄P，增設(shè)抗震平臺(tái)，工況下加大了標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，當(dāng)校正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)大于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值，復(fù)判為不液化地層。有抗震要求的堤壩，堤壩體自身已起到抗震平臺(tái)的作用，若堤壩本身能消除地基液化問(wèn)題，或采取其他地基液化處理措施后仍需結(jié)合壩體本身才能全部消除地基液化問(wèn)題時(shí)，在其坡腳處最為不利，可采取擴(kuò)大設(shè)計(jì)斷面處理(當(dāng)?shù)躺硐鄬?duì)不高，一般不會(huì)出現(xiàn)堤裙處理方式，且堤裙形式影響美觀與協(xié)調(diào)，建議采用擴(kuò)大設(shè)計(jì)斷面處理)；若增設(shè)非液化土平臺(tái)的高度較低時(shí)，可采用抗震平臺(tái)(以壩裙的方式)進(jìn)行液化處理，在基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度為應(yīng)超過(guò)基礎(chǔ)底面以下處理深度的1/2，且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5。根據(jù)水工建筑物過(guò)水性能，除堤壩建筑物外，其他水工建筑物基礎(chǔ)一般位于地面以下，不適宜于采用抗震平臺(tái)法進(jìn)行地基處理。

抬升建筑地面標(biāo)高及加大填筑體設(shè)計(jì)斷面處理地基液化問(wèn)題，亦是抗震平臺(tái)理念的一種體現(xiàn)，但實(shí)際使用中，卻體現(xiàn)不出抗震平臺(tái)的效應(yīng)。但對(duì)于大壩工程，若增設(shè)非液化土平臺(tái)的高度要求較低時(shí)，以壩裙的形式進(jìn)行飽和砂土地震液化處理，此時(shí)，抗震平臺(tái)理念得以充分體現(xiàn)。因此，抗震平臺(tái)(亦稱壓重平臺(tái))，適用于允許地面抬升的建筑物地基及堤防、大壩等工程的地基液化處理，最適宜于大壩工程的壩基液化處理。

8 結(jié)論與建議

本文的重點(diǎn)內(nèi)容為提出抗震平臺(tái)法理念，為地基液化處理時(shí)打開(kāi)一種思維，為開(kāi)挖棄料提供一種處理方向。

通過(guò)本文論述，形成以下結(jié)論：

(1)通過(guò)該工程實(shí)例，針對(duì)性提出“抗震平臺(tái)法”處理液化問(wèn)題設(shè)計(jì)理念。

(2)抗震平臺(tái)處理土的地震液化問(wèn)題的原理為：有抗震要求的建筑物，其填筑體根據(jù)設(shè)計(jì)、填筑標(biāo)準(zhǔn)必為非液化土層，以增設(shè)上覆壓重平臺(tái)的方法達(dá)到地基液化處理。

(3)抬升建筑地面標(biāo)高及加大填筑體設(shè)計(jì)斷面處理地基液化問(wèn)題，亦是抗震平臺(tái)理念的一種體現(xiàn)，但實(shí)際使用中，卻體現(xiàn)不出抗震平臺(tái)的效應(yīng)。但對(duì)于大壩工程，若增設(shè)非液化土平臺(tái)的高度要求較低時(shí)，以壩裙的形式進(jìn)行飽和砂土地震液化處理，此時(shí)，抗震平臺(tái)理念得以充分體現(xiàn)。

(4)增設(shè)抗震平臺(tái)最適宜于大壩工程的壩基液化處理，亦與其他地基液化處理的方法相結(jié)合。