某公路橋頭路基液化土地基分析及處治設(shè)計

李艷明

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

圖1 工程地質(zhì)斷面圖

某一級公路K0+210—K0+235段橋頭路基以填方形式穿越河漫灘，填方高度在3.1～3.5 m，河漫灘工程地質(zhì)巖組主要為松散土體類型，該巖組主要分布于項目區(qū)的河谷沖積平原區(qū)，包括第四系上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)地層。巖性主要由填土、粉土、砂土、卵礫石層組成，分別屬人工堆積、沖洪積成因，地形起伏不大，地勢平坦，由于路線方案沿黃河河漫灘展布，地下水位埋深較淺，且處在Ⅶ度震區(qū)范圍，所以影響路線方案的不良地質(zhì)主要為砂土液化，對路基及橋涵穩(wěn)定性有一定安全隱患。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和鉆探揭示（見圖1），由于路線均位于黃河漫灘和低階地地貌單元，地下水位埋深較淺，一般在3.6～5.0 m，屬潛水類型，由河流及大氣降水共同補給，地下水埋深與季節(jié)密切相關(guān)。土體在地下水的長期浸泡下，土質(zhì)松散濕軟，具較高壓縮性，較低承載力；砂類土呈松散、潮濕—飽和狀態(tài)，且處在Ⅶ度震區(qū)范圍，地表以下20 m深度范圍內(nèi)的Q4al+pl砂性土由于黏粒含量低，土質(zhì)疏松，當(dāng)這些土層位于地下水位以下時，在地震條件下易發(fā)生地基土層液化，造成地面沉降、塌陷[1]，直接影響地基穩(wěn)定性，易發(fā)生交通事故。為保證橋頭路基和橋頭路基地基的穩(wěn)定，擬對橋頭路基液化土地基進行處理。

2 液化土判別、液化指數(shù)計算分析及等級確定

2.1 液化土判別

擬建公路地面下20.0 m或15.0 m深度范圍內(nèi)存在有第四系全新統(tǒng)（Q4）沖洪積的飽和砂類土、飽和粉土層時首先進行液化初判，結(jié)合地質(zhì)鉆探及土工試驗綜合成果表，經(jīng)初判，該區(qū)間內(nèi)的飽和粉土黏粒含量7.0%～10.1%，部分飽和粉土存在液化可能，飽和砂土存在液化的可能。

2.2 液化指數(shù)計算分析及液化等級確定

根據(jù)初判可能液化的結(jié)果，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗法對橋頭路基地基液化土做進一步的液化判別，計算液化土的液化指數(shù)，確定液化等級，計算公式[2]如式（1）、式（2）：

式中：Ncr為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值（本項目區(qū)為Ⅶ度區(qū)，基本地震加速度為0.15g，基準(zhǔn)值取值10）；dw為地下水位深度，m；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3或為砂土?xí)r按3考慮；IlE為液化指數(shù)；n為在判別深度范圍內(nèi)每個鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點的總數(shù)；Ni為第i個點實測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；Ncri為第i個點標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；di為第i個點所代表的土層厚度；Wi為第i個點土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)。

根據(jù)式（1）、式（2）對 CZK1、CZK2、CZK3 鉆孔資料進行分析計算得，CZK1液化指數(shù)22.48，液化等級為嚴(yán)重；CZK2液化指數(shù)15.24，液化等級為中等；CZK3液化指數(shù)22.70，液化等級為嚴(yán)重，其液化指數(shù)及液化等級計算表見表1。

表1 液化指數(shù)級液化等級計算表

根據(jù)表1計算結(jié)果可知，K0+210—K0+235段橋頭路基地基土存在液化，液化指數(shù)為22.70，液化等級為嚴(yán)重，需對橋頭路基地基液化土進行處治，全部消除地基液化沉陷，保證橋頭路基的穩(wěn)定。

3 橋頭路基液化土地基處治設(shè)計

為防止地震條件下砂類土液化而造成路基沉降、塌陷，對于路基填土高度大于等于3 m、上覆非液化土層厚度或地下水位的深度小于5 m及對應(yīng)地面以下5 m深度內(nèi)液化土層的累計厚度大于2 m且路堤高度大于5 m的路段進行液化處理。考慮K0+210—K0+235段橋頭路基地基土為嚴(yán)重液化、橋頭路基填土高度3.1～3.5 mm、地下水位的深度4.8 m等因素，對橋頭路基地基液化土進行處治設(shè)計，全部消除地基液化沉陷，橋梁范圍內(nèi)液化土樁長計算時應(yīng)考慮樁側(cè)摩阻力的液化土折減。

3.1 處治方案設(shè)計

消除液化土沉陷主要處治措施有換填土法、振沖法、振動加密法、擠密碎石樁法、沖擊碾壓法、強夯法、同步爆擴法、預(yù)制樁法、樁基法[3-4]等。

本項目液化土厚21.2 m，考慮采用預(yù)制樁法進行處治，預(yù)制樁法通過打入的預(yù)制樁來擠密液化土，提高標(biāo)貫錘擊數(shù)而達(dá)到處治液化土的目的。預(yù)制樁一般不受樁長限制，它可以通過焊接形成較長的樁長，同時它施工方便、施工速度較快、處治效果較好、且不存在泥漿等環(huán)境污染等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛運用于軟土、液化土等地基處治。結(jié)合本項目液化土層厚較厚、液化等級嚴(yán)重的特殊性，且位于橋頭路基過渡段內(nèi)，綜合考慮采用預(yù)制管樁來對橋頭路基地基液化土進行處治。管樁按混凝土強度等級或有效預(yù)壓應(yīng)力分為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PC）、預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁（PHC）、預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁（PTC），同一樁徑條件下，PTC一般造價比PC和PHC相對便宜，考慮本項目處治長度在20 m左右及工程造價等原因，對K0+210—K0+235段橋頭路基液化地基土采用PTC進行處治。

3.2 預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁（PTC）設(shè)計

PTC采取正三形布樁，外直徑為40 cm，壁厚6 cm，管樁混凝土標(biāo)號采用C60，初擬樁間距1.0 m，并根據(jù)式（3）對間距進行核實是否滿足打樁后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)大于液化臨界準(zhǔn)貫入擊數(shù)[5]。

式中：N1為打樁后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)；Np為打樁前標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)；ρ為打入式預(yù)制樁的面積置換率。根據(jù)式（3）進行計算得出打樁處治后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)見表2。

表2 打樁處治后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)表 擊

由表2可知，橋頭液化土地基經(jīng)PTC處理后打樁后錘擊數(shù)均大于臨界錘擊數(shù)，初擬樁間距1.0 m滿足規(guī)范工程建設(shè)要求，防止了橋頭液化土地基在地震作用下的液化沉陷和路基的沉降變形，有效保證了公路的運營安全。

4 結(jié)語

針對液化土地基，設(shè)計時先應(yīng)進行初判，根據(jù)初判可能液化的結(jié)果進行復(fù)判，復(fù)判計算得出液化指數(shù)并確定液化等級，然后根據(jù)公路構(gòu)造物類別及地基液化等級確定液化土地基抗液化措施的要求即全部消除液化、部分消除液化、可不采取措施，考慮不同的措施要求采用合理的處治設(shè)計方案。