水工建筑物地基土地震液化處理措施

王方圓，劉 敏，王 新

（1.濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南250101；2.濟南水務(wù)學(xué)會，山東 濟南250000）

飽和無黏性土或少黏性土顆粒在地震動作用下趨于緊密，孔隙水壓力急劇上升，有效應(yīng)力迅速降低并趨近于零的現(xiàn)象，稱為地震液化，其典型的現(xiàn)象是噴水、冒砂和流動。

地基土的地震液化可引起水閘、泵站等建筑物產(chǎn)生沉降、傾斜，甚至沉陷、傾倒；可引起渡槽等跨河建筑物排架或槽墩等支承結(jié)構(gòu)形成沖剪，進而發(fā)生折斷、垮塌；可引起河道岸堤陷落、開裂或滑坡，或使兩岸岸坡向河中心移動，河道變窄、河底抬升、河道變形；可引起壩體陷落、開裂，甚至連同壩基一起滑坡。

1 影響地基土液化的主要因素

飽和無黏性土和少黏性土的地震液化機制包括先后發(fā)生的振動液化和滲流液化。結(jié)合土層特征和條件分析，影響地基土液化的主要因素有：土層特征、地震作用和其他條件。

1.1 土層特征

土層特征包括土的密實程度，土的顆粒級配，土的粒徑大小、透水性及黏粒含量。飽和無黏性土和少黏性土越松散，其抵抗液化能力越差，越容易發(fā)生液化；級配均勻的土比級配良好的土容易發(fā)生液化；通常不均勻系數(shù)小于10時易發(fā)生液化；土的顆粒越細、透水性越差、且黏粒含量越少，越容易發(fā)生液化。

1.2 地震作用

地震作用包括地震作用的強度和地震作用的持續(xù)時間。地震作用的強度越大（即烈度越高）、持續(xù)時間越長，土越容易發(fā)生液化。通常地震設(shè)計烈度為6°時，可采取適當?shù)目拐鸫胧?，而不進行抗震計算；地震設(shè)計烈度為7°及7°以上時，除應(yīng)分析地震作用和進行抗震設(shè)計外，尚應(yīng)采取安全可靠的抗震措施。根據(jù)有關(guān)試驗測定，能引起液化的地震歷時，一般都超過15 s。

1.3 其他條件

其他條件包括土層的形成年代和成因，埋藏條件、邊界排水條件等。地質(zhì)年代為第四紀晚更新世（Q3）或以前的土，可判為不液化土；歷次地震震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，液化土層多位于近代海相及河湖相沉積平原、河口三角洲，特別是洼地、河流的泛濫地帶、河漫灘、古河道、濱海地帶及人工填土地帶等；土層埋深越大，液化所需孔隙水壓力越高，液化難度也就越大，一般認為液化判別應(yīng)在地面以下15 m深度范圍內(nèi)，最大液化深度在20 m；地下水的存在是無黏性土和少黏性土發(fā)生液化的必要條件，地下水埋藏越淺，土層越容易發(fā)生液化；飽和無黏性土和少黏性土層厚越大，邊界排水條件越差，越不利于孔隙水壓力的消散，越容易發(fā)生液化。

2 處理措施

2.1 挖除置換法（換填墊層法）

挖除置換法（換填墊層法）適用于淺層液化地基土的處理。根據(jù)建筑物類型及其要求，可選擇壤土、灰土、水泥土、碎石土等做為換填材料，亦可采取將原土層翻壓密實處理措施。采取挖除置換法（換填墊層法）處理液化地基土層需注意：一是要保證換填土的密實程度，二是要保證換填土的范圍要超出建筑物基礎(chǔ)底面積范圍。

2.2 夯實法

夯實法包括強夯法和強夯置換法。強夯法適用于處理無黏性土和少黏性土等液化地基，強夯置換法適用于處理高飽和度的少黏性土等液化地基。當場地地下水位較高，影響施工或夯實效果時，應(yīng)采取降水或其他技術(shù)措施進行處理。采取夯實法處理液化地基土的范圍也應(yīng)超出建筑物基礎(chǔ)底面積范圍。

2.3 復(fù)合地基法

復(fù)合地基法包括振沖擠密碎石樁法、沉管砂石樁法和柱錘沖擴樁（夯擴樁）法等。采取復(fù)合地基法，一方面可使原來結(jié)構(gòu)松散的飽和無黏性土、飽和少黏性土變得密實，達到地基加固效果；另一方面，可使在地震作用下產(chǎn)生的孔隙水壓力通過具有強透水性的碎石樁等增強體迅速消散，由此兩方面作用使原來的可液化土成為非液化土。

2.4 設(shè)置壓重平臺法

設(shè)置壓重平臺法，即通過增加上覆荷載使飽和無黏性土層和少黏性土層頂面的有效壓重大于產(chǎn)生液化的臨界壓重，進而使場地原來可液化土成為非液化土。壓重平臺的范圍、厚度應(yīng)根據(jù)液化地基土層的分布、層厚及埋深確定。

2.5 圍封法

采用連續(xù)墻體將建筑物基底可液化土層圍封，以切斷連續(xù)墻外側(cè)液化土層對地基的影響，增加地基內(nèi)土層的側(cè)向壓力，限制其側(cè)向變形。建筑物以下被圍封起來的飽和無黏性土和飽和少黏性土因建筑物的壓力大于有效覆蓋層壓力而不致液化。圍封墻體根據(jù)場地條件等因素可選擇混凝土連續(xù)墻、鋼筋混凝土連續(xù)墻、水泥土攪拌樁連續(xù)墻、振動沉模連續(xù)墻和板樁等。

2.6 注漿法

通過注漿改變建筑物基底可液化土層的結(jié)構(gòu)，使其成為非液化土，注漿材料可選擇水泥漿、水泥黏土漿等。

2.7 深基礎(chǔ)法

采用樁基或沉井等深基礎(chǔ)形式時，樁端或沉井端部應(yīng)穿過可液化土層，進入非液化土層足夠的長度。采用樁基礎(chǔ)時，應(yīng)分析可液化土層地震液化情況下樁基的側(cè)向穩(wěn)定性。

3 工程實例

3.1 圍封法處理可液化地基

廟廊節(jié)制閘工程位于邢家渡引黃灌區(qū)主干渠樁號23+700處，設(shè)計引水流量50 m3/s，建筑物級別為3級。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，在地震動峰值加速度0.10 g條件下，場地地面以下15 m深度范圍內(nèi)分布的第①層砂壤土、第②1層砂壤土、第③層砂壤土和第⑤1層砂壤土均屬可液化土層。

場地位于黃河下游沖積平原，地基土為新近沉積土，允許承載力低；持力層第①層砂壤土具中等透水性，存在滲漏和滲透穩(wěn)定問題；下臥層第②層黏土具高壓縮性，存在沉降和抗滑穩(wěn)定問題。綜合評價認為：新建廟廊節(jié)制閘工程不應(yīng)采用天然地基。

結(jié)合同地區(qū)以往工程建設(shè)經(jīng)驗，工程采取水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理，其外圍采用水泥土攪拌樁連續(xù)墻進行圍封，一是可改善地基土的工程地質(zhì)性質(zhì)，提高地基土層的承載力，二是可改善地基土層的水文地質(zhì)性質(zhì)，三是可通過圍封減輕地震帶來的液化問題。

3.2 設(shè)置壓重平臺法處理可液化地基

白云水庫工程位于濟南市章丘區(qū)高官寨與白云湖街道辦交界處，水庫總庫容1 641萬m3，水庫規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，圍壩建筑物級別為3級。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告顯示，在地震動峰值加速度0.10 g條件下，場地地面以下15 m深度范圍內(nèi)分布的第①層砂壤土和第②2層砂壤土均屬于可液化土層。

場地位于黃河沖積平原與山前沖洪積平原的交互帶，上部地基土為新近沉積土，持力層第①層砂壤土具中等透水性，存在滲漏和滲透穩(wěn)定問題；下臥層第①1層裂隙黏土具高壓縮性及典型的失水干裂、遇水軟化特征，存在沉降和抗滑穩(wěn)定問題，并且易沿壩腳位置產(chǎn)生剪切破壞。

結(jié)合同地區(qū)以往工程建設(shè)經(jīng)驗，圍壩工程采取設(shè)置壓重平臺法，同時控制施工速率不應(yīng)過快，一是可改善壩基土的工程地質(zhì)性質(zhì)，使沉降大部分發(fā)生在施工期，減少工后沉降，二是可增強壩基土層的滲透穩(wěn)定性，三是可通過設(shè)置壓重平臺增強大壩的抗滑穩(wěn)定性和減輕地震帶來的液化問題。

4 結(jié)語

通常，液化最先發(fā)生在基底下外側(cè)的區(qū)域，因此液化地基的處理范圍一般要超出建筑物基礎(chǔ)底面積范圍。水工建筑物液化地基的處理，應(yīng)根據(jù)建筑物體型、結(jié)構(gòu)特點、場地條件等結(jié)合建筑物地基承載力、沉降、抗滑穩(wěn)定性、滲漏及滲透穩(wěn)定性等工程地質(zhì)問題綜合考慮，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟比選后確定，以期在保證安全和質(zhì)量的前提下，達到節(jié)約投資、提高效益的最佳效果。