變電站中減飽和法液化地基處理的原理與方法

侍成 鄢博 陳俊杰

摘 要：地基液化會給建筑設施帶來災難性的影響，是巖土地震工程面臨的主要問題之一。傳統(tǒng)液化地基處理方法強夯法、擠密砂樁法、碎石樁和水泥土攪拌樁等在工程實踐中存在成本較高且技術復雜的問題。新型的液化地基處理方法減飽和法，相對于傳統(tǒng)液化地基處理方法具有成本低，簡單易操作等諸多優(yōu)勢。從加固機理、減飽和的幾種產(chǎn)氣方法、產(chǎn)生氣體的形態(tài)及穩(wěn)定性等幾方面對減飽和法進行介紹和分析，對變電站建設降低地基處理成本提供了技術支撐。

關鍵詞：地基液化;砂土;減飽和法

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0171-05

The Principle and Method of Liquefaction Foundation Treatment by Desaturation Method in Substations

Shi Cheng，Yan Bo，Chen Junjie

（Economic and Technical Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 210008，China）

Abstract：Foundation liquefaction will bring catastrophic effects on construction facilities， and it is one of the main problems in geotechnical seismic engineering. Traditional liquefied foundation treatment methods such as dynamic coMPaction method， coMPacted sand pile method， gravel pile and cement-soil mixing pile have high cost and complicated technology in engineering practice. The new type of liquefied foundation treatment method， the desaturation method， has many advantages， such as low cost， simple and easy operation， coMPared with the traditional liquefied foundation treatment method. Introduce and analyze the desaturation method from the aspects of reinforcement mechanism， several gas production methods for desaturation， the form and stability of the gas produced， and provide technical support for the construction of substations to reduce the cost of foundation treatment.

Key words： foundation liquefaction; sandy soil; desaturation method

0 引言

地震作為一種強烈的地質災害，會帶來巨大的災難。大量的地震災害調(diào)查表明，飽和土體液化導致的震陷和側向擴展能夠引起地上結構的不均勻沉降、倒塌、傾斜、道路開裂、地下結構上浮、破裂和其他形式的破壞等一系列嚴重的災害[1-3]。近年來，諸多地震發(fā)生時，也都伴隨有土體液化現(xiàn)象。例如，2011年的新西蘭克賴斯特徹奇地震，2011年的日本東北地區(qū)大地震和2008年的汶川地震[4]。如今，在我國基礎建設迅猛發(fā)展的新時期，如何有效處理地基液化問題是保證基礎建設安全的關鍵問題之一。地基液化通常容易發(fā)生在松散的飽和砂土和粉土地基當中。由于其顆粒松散且處于飽和狀態(tài)，在經(jīng)受一定強度的地震荷載作用后，土體中的水不能及時排出，土中超靜孔隙水壓力不斷上升，土顆粒間有效應力下降。最終，土體中有效應力降為零，此時土顆粒處于懸浮流動狀態(tài)，表現(xiàn)出類似于流體的性質，地基土失去承載力，進而導致基礎設施的沉降、位移、傾覆、結構損壞或其他形式的破壞。

目前，處理液化地基的傳統(tǒng)方法有強夯法，擠密砂樁法，碎石樁和水泥土攪拌樁等方法。工程實踐表明，這些傳統(tǒng)的地基處理方法可以有效地解決地基液化的問題。然而，這些傳統(tǒng)方法通常成本較高，往往無法在普通的建筑和結構中使用。并且，這些方法難以在已建成建筑的地基中使用。因此，我們迫切需要尋找廉價且有效的新型的液化地基處理方法。

飽和的松散砂土和粉土在地震作用下容易液化，研究發(fā)現(xiàn)松散砂土的不排水剪切強度和抗液化性能會隨著飽和度的降低而升高。在循環(huán)三軸和循環(huán)扭剪試驗中，如果飽和砂土的飽和度稍有降低，砂土的強度就會有較大的增強。在振動臺試驗中，一些學者同樣發(fā)現(xiàn)非飽和砂土的超靜孔隙水壓力和體積變形都小于飽和砂土。同時，在三軸固結不排水試驗中，當松砂的飽和度由100%降低至90%以下時，松砂的應力應變曲線會由應變軟化（液化）型變?yōu)橛不ǚ且夯┬?。這些試驗結果都表明降低土體飽和度可以有效解決或減輕液化問題。本文從作用原理，幾種土體減飽和方法，減飽和土體中氣體的形態(tài)，及氣體的穩(wěn)定性幾方面對減飽和法進行介紹和分析。

1 減飽和法的加固機理和力學性能

1.1 減飽和法的加固機理

減飽和法是通過在飽和土體中注入性質穩(wěn)定且不溶于水的氣泡，降低土體飽和度，增強地基抗液化性能的一種新型液化地基處理技術。減飽和處理后的地基受到一定強度的動荷載時，地基中的氣泡能夠有效地減緩土體內(nèi)超靜孔隙水應力u的增長，從而使土體有效應力σ'不為0，仍能保留一定的強度保證地基不會發(fā)生液化現(xiàn)象。減飽和法的加固效果可以通過有效應力原理及有效剪切強度的計算公式加以證明：

公式中σ '為土體總應力;τ '為有效剪切強度;c'為土體有效黏聚力;φ'為土體有效內(nèi)摩擦角。

從公式中可以看出，當土體內(nèi)超靜孔隙水應力u的增長減緩，其有效應力σ' 將大于0，所以土體始終保持一定的剪切強度，以抵抗地基液化現(xiàn)象的發(fā)生。而減飽和法正是通過降低土體的飽和度，減緩超靜孔隙水應力的增長，以達到抗液化的效果。

1.2 減飽和法對土體力學性能的影響

近年的試驗研究表明，降低液化土體的飽和度能夠有效地改善土體的抗液化性能。例如，Martin、Fin 和Seed等通過試驗發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)荷載作用下，孔隙率為40%的試樣飽和度降低1%時，其超靜孔隙水壓力增量下降28%。Chaneyd等研究發(fā)現(xiàn)，當土體的飽和度由100%降低至90%時，其抗液化強度會提高兩倍。之后， Xia 等人對飽和度不同的砂樣進行抗液化試驗，結果表明土體抗液化的強度隨著飽和度的降低而顯著增大，當飽和砂樣的飽和度降至97.8%時，其抗液化強度升高30%，圖1為循環(huán)加載次數(shù)與循環(huán)應力比之間的關系。Ishihara等人發(fā)現(xiàn)土體抗液化強度也會隨著孔隙水應力系數(shù)B值的減小而增大 。三軸試驗中的孔隙水應力系數(shù)B值是土體飽和度的反映，B值隨著飽和度的降低而降低。

振動臺試驗顯示，不飽和砂土的抗液化性能明顯高于飽和砂土。飽和砂土的孔隙水壓力系數(shù)接近1，幾乎完全液化（孔隙水壓力系數(shù)在這里定義為超靜孔隙水壓力和初始有效應力的比值）;不飽和砂土的孔隙水壓力增長和體積應變均遠小于飽和砂土;且位于不飽和砂土上的結構物模型幾乎沒有沉降，而位于飽和砂土上的結構物模型發(fā)生了明顯的沉降。當砂樣的飽和度由100%降為87.5%時，其剪切強度明顯增大，應力應變關系也由應變軟化型變?yōu)橛不?。并且，砂樣的超靜孔隙水壓力也隨著飽和度的降低而減小。

2 減飽和的產(chǎn)氣方法

減飽和法是通過向地基土內(nèi)部加入氣體，降低土體飽和度，來實現(xiàn)增強地基抗液化性能的液化地基處理新技術。處理過程中，向地基內(nèi)部加入的氣體必須滿足以下基本要求：①通過注氣量可以準確地控制土體飽和度;②氣體在土中的分布應較為均勻;③氣體在土中能夠儲存較長的時間（選擇在水中的溶解性低、化學性質穩(wěn)定、可長時間埋于地下的氣體）。只有滿足這些要求，減飽和法在工程中才具有可行性?，F(xiàn)有的減飽和產(chǎn)氣方法具體包括以下5種：

（1）直接注氣法。Okamura等人在2011年利用直接注氣法進行了液化地基現(xiàn)場加固試驗研究[16]。試驗場地為靠近碼頭的一處液化地基。現(xiàn)場預先將鉆有小孔的塑料管插入地面以下，空氣注入點布置在可液化層底部附近，空氣通過接在塑料管一端的軟管注入。試驗結果表明，在離注入點4m的范圍內(nèi)土體的飽和度均有降低。注氣后，土體的飽和度降為68%～98%，其循環(huán)剪切強度變?yōu)樵瓉淼膬杀?。為保證氣泡進入土體，注氣壓力應大于靜水壓力和毛細管壓力之和。同時，應小于有效應力（以豎向或水平方向最小者為準），避免注氣點周圍土體破壞。氣體流速與注氣壓力成線性關系。Catney 和Lynch（2001）的試驗結果顯示[17]：（a）較低注氣壓力下，土體非飽和區(qū)面積增加較快，當注氣壓力增大時，土體非飽和區(qū)面積增加速率降低;（b）較小的注氣孔有助于產(chǎn)生較小的氣泡，形成更穩(wěn)定的非飽和區(qū);（c）為避免注氣壓力過大造成地基液化，注氣前應在地基上部進行堆載。以上結論對直接注氣抗液化技術的實施具有一定參考價值。

（2）電解法。為增強地基抗液化性能，Yegian 等[8]采用應變控制式振動臺模型試驗對飽和、非飽和的砂土進行試驗研究，探究電解水法降低土體飽和度的可行性。試驗采用模型箱尺寸為20cm×30cm×29cm。當兩個電極之間存在電勢時，陰極產(chǎn)生氫氣，陽極產(chǎn)生氧氣，具體反應方程式如下：

陰極：

陽極：

試驗過程中，陰極位于模型盒底部，陽極位于頂部。通過觀察模型箱內(nèi)水位的變化，計算土體的飽和度。在525MA的電流作用下，通電3～5.5h后，土體飽和度由100%降至96.3%，并且在動荷載作用下，土體的抗液化性能顯著增強。

（3）化學法?；瘜W法是一種將化學試劑注入液化地基中，使其在土中擴散并通過自身化學反應產(chǎn)生氣泡以降低土體飽和度的方法。通過該方法產(chǎn)生的氣體，以氣泡的形式存在于土體孔隙中，使土體達到引氣減飽和的目的。

Eseller-Bayat利用NaBO3在水中反應產(chǎn)生的O2進行了地基抗液化的室內(nèi)試驗研究。試驗中NaBO3首先與水反應產(chǎn)生H2O2，之后H2O2在水中自行分解產(chǎn)生O2，具體反應化學方程如下：

第一步：

第二步：

通過以上反應，最終在土體孔隙中產(chǎn)生一定量穩(wěn)定的氧氣氣泡，從而降低了土體的飽和度。Eseller-Bayat通過試驗還指出，土體飽和度與加入NaBO3的質量有密切關系，即可以通過改變加入NaBO3的多少來控制土體的飽和度，并且生成的氣泡可以均勻的分布在土體中。

（4）微生物法。微生物法是通過微生物生化反應產(chǎn)生不溶于水的穩(wěn)定性氣體，降低土體飽和度，提高地基抗液化性能的新型抗液化方法。微生物反硝化過程是實現(xiàn)這一目標的一個理想選擇。反應過程中，NO3- 在反硝化細菌作用下，逐步還原成N2[19]，降低土體飽和度，最終達到提高抗液化能力的效果。性質穩(wěn)定且難溶于水。

何稼等利用乙醇作為電子供體，通過反硝化細菌中酶的作用將NO3-還原產(chǎn)生N2：

試驗在自行設計的模具中進行，以便于觀測非飽和土體在動荷載作用下超靜孔隙水壓力和上部結構物沉降量的變化。試驗對比分析了飽和土體和飽和度為90%的土體的動力特征，結果表明反硝化細菌產(chǎn)氣減飽和后，土體抗液化能力明顯增強。

（5）擠密砂樁法。擠密砂樁法是一種傳統(tǒng)的液化地基加固方法，其通過施工擠密作用，降低土體孔隙率，提高土顆粒間有效應力，達到加固液化地基的效果。相關研究發(fā)現(xiàn)，在擠密砂樁施工過程中，會向周邊土體引入氣泡，降低土體飽和度，起到引氣減飽和的作用，有利于地基抗液化能力的提升。并且，Okamura 等[21]人通過試驗指出這些氣泡性質穩(wěn)定，能夠在土體中儲存較長時間。

3 氣體形態(tài)

地基減飽和處理的過程伴隨著氣泡的產(chǎn)生，然而，我們?nèi)庋垭y以觀察氣泡在土體內(nèi)部的分布形態(tài)。何稼等人通過CT技術對利用微生物減飽和形成的非飽和砂土進行觀察分析。試驗所用CT設備采用高分辨率數(shù)字攝影和計算機斷層掃描系統(tǒng)。CT技術產(chǎn)生的圖像中，密度高的材料成像較亮，密度低的材料成像較暗。試驗中兩個砂樣的CT圖像如圖2所示。飽和砂樣的孔隙分布均勻（圖a，圖b）;非飽和砂樣（飽和度為94%），在橫向和豎向都存在少量顏色較暗區(qū)域（圖c，圖d），且尺寸略大于沙粒（沙粒的平均尺寸為0.4mm）。這些較暗的區(qū)域是由氣體或者汽水混合物組成。

Eseller-Bayat等人還通過顯微相機拍照技術拍攝了NaBO3反應產(chǎn)生的氣泡在土體內(nèi)部的分布情況。由圖3可知，NaBO3反應產(chǎn)生的氣泡在土體中的分布較為均勻。

4 氣體穩(wěn)定性

大量試驗證明，減飽和液化地基處理技術可以有效提高地基的抗液化性能，但地基中氣泡的穩(wěn)定性是另一個值得關注的問題。何稼等人利用如圖4的裝置，探究在靜水、向上水流和向下水流3種情況下，非飽和土體中氣泡的穩(wěn)定性。飽和度隨時間的變化通過砂柱質量的變化計算得到（試驗過程中砂柱內(nèi)的氣泡被水取代）。通過測量砂柱內(nèi)水的流速而得到的滲透率也可以間接反映出砂柱飽和度的變化。試驗中，對砂柱的孔隙比進行實時監(jiān)測。

減飽和處理后的3組砂柱的氣泡含量基本相同，僅砂柱上表面溢出少量氣泡。試驗測試結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，在靜水條件下，10d內(nèi)，砂柱的飽和度基本不變。然而，在向上水流或向下水流的條件下，砂柱中的氣泡會逐漸排出。4d后，砂柱的飽和度由89%變?yōu)?00%。并且，在砂柱飽和度變化的過程中伴隨著孔隙比的變化，如圖6所示。

砂柱滲透性的改變同樣可以反映飽和度的變化。圖7所示。在靜水條件下，10d內(nèi)，砂柱的滲透性保持不變，但在水流條件下，砂柱的滲透性逐漸增大，基本與砂柱飽和度的變化一致。以上試驗結果表明，靜水條件下，氣泡在地基中較為穩(wěn)定;動水條件下，氣泡不穩(wěn)定易消散。本試驗所得結果與Okamura等人的試驗結果一致。Okamura等人的試驗顯示，土體中的氣泡在靜水條件下可以穩(wěn)定存在超過20年，但在水流的影響下，土體中的氣泡將會逐漸消失。所以，當非飽和區(qū)存在水流時，應采取一定的措施阻斷水流通道，保證氣體的穩(wěn)定性。

5 結語

減飽和法作為一種新型的液化地基處理方法，是通過向液化地基中引入穩(wěn)定且不溶于水的氣泡，降低土體飽和度來提高地基抗液化性能的方法。文章主要從加固機理，減飽和的幾種產(chǎn)氣方法，產(chǎn)生氣體的形態(tài)及穩(wěn)定性進行介紹和分析，并在文末指出了各種產(chǎn)氣方法在施工過程中所面臨的一些問題。

對于一些全敞開電氣布置的變電站工程，場地上多為電氣設備基礎，無建筑物或建筑多為單層布置，荷載較小，對地基承載力要求較低。但在液化地區(qū)也需要進行液化處理以保證地震時的地基承載力要求。

與傳統(tǒng)的液化地基處理方法相比，減飽和法處理液化地基具有明顯優(yōu)勢。例如，該方法簡單易操作且成本較低，可應用于已建成建筑物的液化地基中，且具有一定的環(huán)境和生態(tài)優(yōu)勢。但是，減飽和液化地基處理技術仍停留在理論研究階段，離系統(tǒng)的工程應用還有一定距離，需要更多的試驗研究和試點應用來實現(xiàn)大面積推廣。

參考文獻

[1]R.Dobry，S.Thevanayagam，C.Medina，et al.Mechanics of Lateral Spreading Observed in a Full-Scale Shake Test[J].Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering，2011，137（2）：115-129.

[2]劉松玉，朱志鐸，方磊，等.高速公路液化地基處理原則與方法[J].巖土工程學報，2001，23（2）：135-138.

[3]黃雨，于淼，BHATTACHARYA.2011年日本東北地區(qū)太平洋近海地震地基液化災害綜述[J].巖土工程學報，2013，35（5）：834-840.

[4]Miloslav ?imek，Linda J???ová，David W Hopkins.What is the so-called optimum pH for denitrification in soil？[J].Soil Biology and Biochemistry，2002，34（9）：1227-1234.