南水北調中線工程河北省磁縣段飽和砂土液化渠基處理

付明軍

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

南水北調中線工程河北省磁縣段飽和砂土液化渠基處理

付明軍

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

南水北調中線工程河北省磁縣段渠道工程線路長，地質條件復雜，總干渠穿越砂土地震液化地基累計長度約2.351km，地震液化對渠道的安全運行產生嚴重危害。通過對砂土液化的機理、影響因素進行分析，對砂土液化地基依據液化層埋深、液化等級以及渠道安全等重要性因素，經過多方案比選，因地制宜，選擇開挖的泥礫料作為填料的復合載體夯擴樁的處理方案，節省了工程投資，具有較大的經濟效益和社會效益。

渠基處理 砂土地震液化 復合載體夯擴樁 南水北調

1 工程概述

南水北調中線工程總干渠河北省磁縣段線路以冀豫交界處的漳河北為起點（樁號為0+000），沿京廣鐵路西側的太行山東麓自南向北，渠段通過的地貌單元為平原和崗地，線路總長40.056km，其中渠道長38.896km，建筑物長1.07km，不良地質渠段長度包括砂土液化渠段，濕陷性黃土渠段以及膨脹土渠段等，其中砂土液化渠段長度為2.351km。

根據國家地震局對南水北調中線工程場地地震安全性評價以及地震烈度區劃邊界核定的結果《南水北調中線工程設計地震動參數區劃報告》（2004年4月），本渠段設計基本地震加速度值為0.15g，抗震設防烈度為7度。

總干渠為Ⅰ等工程，渠道為1級建筑物，明渠設計流量235m3/s，加大流量265m3/s。渠道為梯形斷面，底寬17.5～25.0m，設計水深6.0m，縱坡1／23000～1／26000。

2 砂土液化渠段工程地質條件

渠道樁號0+000～1+851,4+480～4+980，長度2.351km，位于漳河北岸河漫灘和一級階地，渠底及以下分布有飽和中砂及輕粉質壤土。樁號0+000～1+851，長度1851m，為填方段，平均填土高度10.0m左右，液化層為第四系全新統中砂，為中砂液化，埋深0～2m，厚度6.0m～9.0m，地下水埋深6.0m，透水性良好，下伏為強透水的卵石層。樁號4+480～4+980，長度約500m，為半挖半填段，最大填高6.50m，為輕粉質壤土液化，埋深10～12m，厚度3.0m～5.0m，地下水埋深10.0m，下伏為透水性卵石層。根據地質勘察報告，具輕微～中等液化地層。經標準貫入法檢測，貫入擊數均小于液化判別標準貫入錘擊數臨界值。

3 液化砂土的機理

松散的砂土受到震動時有變得更緊密的趨勢，在地震荷載作用下，飽和砂土內不同質量、不同排列方式的土粒受到大小不同、方向不同的慣性力作用，從而在土粒間的接觸點上引起新的應力，當這種應力超過一定量值時，就會破壞土粒間原有的聯結，土的結構可能突然崩潰，土粒之間脫離接觸。與此同時，由于荷載的循環作用，孔隙水來不及排出（相當于不排水條件），這就使原來的砂粒通過其接觸點所傳遞的壓力

（有效壓力）減小，孔隙水壓力升高，當有效壓力完全消失時，砂層會完全喪失抗剪強度和承載能力，處于沒有抵抗外荷載能力的懸浮狀態，產生了液化。砂土的抗剪能力主要依靠土粒間的接觸壓力和摩擦系數，飽和砂土發生液化的過程，也就是抗剪強度消失的過程。

總干渠渠道建成運行后，由于渠道滲漏使地下水位抬升、漳河在設計標準洪水等條件下，可使現處于非飽和狀態的砂土和輕粉質壤土呈現飽和狀態。在地震動荷載的反復作用下，砂層結構遭到破壞，并具有振密的趨勢，這種快速的密實趨勢使砂土中的孔隙水壓力逐步上升，土中有效應力減少。當土的有效應力完全消失時，砂土的抗剪強度為零。砂層失去強度呈液體狀，喪失承載能力，從而造成渠道的沉陷等破壞對工程的安全運行產生嚴重危害，因此，需采取處理措施防止土層液化。

4 影響砂土液化的因素

砂土是否發生液化與諸多因素有關，其中主要因素有土的物理性質、起始應力狀態、動荷載特性以及排水條件等。

4.1 土的物理性質

土的物理性質主要表現在土粒級配和密實度兩方面。當其他條件相同時，細而均勻的砂比粗砂更易液化，這主要是粗砂的滲透性比細砂大，振動過程中產生的超靜孔隙水壓力比在細砂中更容易消散。因此，液化的可能性隨著砂粒的增粗而減小。級配均勻的砂比級配良好的砂更容易液化。這是因為級配良好的砂的排水能力大于級配均勻的砂。此外，顆粒形狀、粘粒含量也有一定的影響，如角礫比圓礫具有加大的動力穩定性。當粘粒含量增加到一定程度時，粘聚力在砂土的抗剪強度中占有一定比例時，產生液化的機理條件不具備時，砂土就不會液化。

4.2 起始應力狀態

起始應力狀態與液化土層的埋深和靜止側壓力系數的大小有關，液化土層埋深愈大，側限壓力愈大，愈不容易發生液化?！督ㄖ拐鹪O計規范規范》（GB50011-2010）對地面以下15m深度范圍內的液化土如何判別提出了具體的方法，對地面以下15m深度范圍以外的液化判別不做要求，也隱含著當液化土層埋深大于15m時，可判定為不液化情況。地震的調查結果也表明：在地面以下15m深度以外，即使是松砂也難以液化。

4.3 動荷載特性

動荷載的性質、大小、持續時間是影響飽和砂土液化的主要外因。地震荷載的大小與性質決定了地震剪應力的大小，當地震剪應力大于砂土抗液化剪應力時，則可能會液化。地震剪應力的大小與液化土的埋深、地面最大加速度有關，可依據Seed法進行計算，地震持續時間與應力循環次數有關，亦即與地震震級有關。 對某一種砂土，在地震時是否會發生液化, 主要決定于地震引起的應力或應變的大小以及地震持續時間的長短。

4.4 排水條件

地下水是砂土液化不可缺少的條件，沒有地下水也就無所謂液化。問題的關鍵在于動荷載作用下砂土的透水程度、排滲路徑、排滲的邊界條件如何。由于地震是突發性劇烈震動，飽和砂土中的孔隙水來不及排出，導致了孔隙水壓力上升。排水條件對砂土中的孔隙水壓力的大小有直接關系。也是決定砂土是否液化的主要條件。

5 砂土液化判別方法

（1）判別方法

砂土液化判別的方法較多，近半個世紀以來，國內外學者和科技人員曾進行了大量的研究，提出了多種判別準則和評定方法。如臨界孔隙比法、臨界振動加速度法、臨界標準貫入擊數法、抗液化剪應力法、靜力觸探法、綜合指標法以及統計法等。由于振動液化影響的因素甚多，每一種方法考慮因素的側重點不同，有時候同一問題采用不同的判別方法可能會得出不同的結論?！督ㄖ拐鹪O計規范》（GB50011- 2010）推薦的方法，采用飽和砂土實際標準貫入擊數與液化時的臨界標準貫入擊數進行對比的方法來判定飽和砂土是否液化，臨界標準貫入擊數是飽和土處于液化與不液化界限狀態時所具有的最小標準貫入試驗擊數，它與飽和砂土的埋深、地下水位高低、以及土的密實度、地震烈度等因素有關，是比較成熟的方法。

《建筑抗震設計規范》（GB50011- 2010）規定：在地面下15m深度范圍內的液化土應符

合下列要求：

式中，N63.5為飽和砂土標準貫入錘擊實測值（未經桿長校正）

Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值

N0為液化判別標準貫入擊數基準值

ds為飽和砂土標準貫入點深度（m）

dw為地下水位深度（m）

ρc為粘粒含量百分率，當小于3或砂土時，均應取3。

（2）應用該方法應注意的問題

該法基本反映了影響飽和砂土振動液化的主要因素，如飽和砂土埋深、地下水位、粘粒含量以及地震烈度等因素。方法簡單，可結合工程地質勘察同時進行。但對外荷載引起的附加應力沒有考慮。

在現場確定標貫試驗的鉆孔數應有一定的代表性，不宜少于規范要求的數量。且應特別注意盡量不要對原狀土進行擾動。

6 砂土地震液化處理工程措施

6.1 常規處理方法存在的問題

消除地震液化的處理措施有強夯法、振沖法、圍封法、深層爆炸法和沉管擠密法等。強夯法適用于加固淺層地基土，處理深度較淺，施工中噪音較大，對周圍環境影響較大。

沉管擠密法因工藝原因形成的樁徑有限，處理液化效果不佳，當土層中含

有密實度較高的硬夾層時，造孔極為困難，但對粉細砂和粉土，使用振動沉管法則可獲得較一般振沖法更好的豎向振實效果和更強烈的預振動效應。

振沖法處理液化土層具有機理明確，設備簡單，不用三材，造價低廉，技術效果好等優點，但其最適用的土層為疏松的接近中砂的細砂、中粗砂和粗砂，對可液化的粉細砂和粉土，由于施工中土粒流失較大，成樁困難，技術效果并不明顯，同時振沖碎石樁施工過程中需要大量的清水，施工過程中還產生大量的泥漿需要處理，嚴重污染環境，而且成本較高。

圍封是用板樁把可能液化的范圍包起來，防止或減輕建筑物下方液化土層因側向流動而產生不均勻沉陷。由于磁縣段液化渠段較長，沿線斷續分布的液化土層在液化深度、液化等級等方面差異較大，板樁圍封后，可能截斷渠道兩側地下水的聯系，對渠道兩側的生態環境產生較大的影響，因此，板樁圍封方案不適用于南水北調渠道飽和砂土地震液化處理。

深層爆炸法對處理深層液化的松砂效果較好，由于施工簡單而迅速，費用也較少，因而較多地用于基礎處理。該法的缺點和局限性在于爆炸處理后的基礎不均勻，對中粗砂的加固效果好，對于細砂特別是粉細砂加固效果較差，對于表層有粘土層、凍土層和排水不良層，則不宜使用該法。

6.2 復合載體夯擴樁法

等能量等變形夯擴擠密碎石樁以重錘做自由落體運動所形成的強大夯擊能量成孔到設計標高，使樁端及樁身周圍土體得到第一次擠密；填碎石料后，以填料為載體，通過重錘對填料的夯擊作用，使原狀松散或軟弱的土體中的空氣和孔隙水強行排出，使土體結構重新固結，實現土體的第二次擠密擠密（快速固結）。在填料夯擊的過程中，由于每次提升重錘高度相同，故每次夯擊能量相同（簡稱等能量），在地基無側向擠出或隆起的情況下，通過夯擊使土體達到最大限度地擠密加固，并以一擊的貫入量作為達到擠密效果的控制指標（一擊的貫入量控制標準為等變形）。自樁底設計深度處開始，每一施工段均按照等貫入度進行控制，逐段填料和夯擊形成自下而上由多個擠密層組成的樁體。碎石樁樁身在受力過程中既起到分擔荷載作用，又能作為孔隙水消散的通道的作用，并且在成樁過程中振動和擠密作用下土顆粒重新排列，消除了原地基土的液化。利用此工法可有效消除砂土液化可能性，提高地基土的承載力和壓縮模量，減少地基土的壓縮變形。

等能量等變形夯擴擠密碎石樁屬于干法作業，在施工過程中不需要清水，也不產生泥漿，其加固效果較好。

依據磁縣段砂土液化渠段的基本特征，選擇復合載體夯擴樁進行渠基液化土層處理，復合載體夯擴樁樁徑550mm，等邊三角形布置，樁間

距1.8m×1.8m，可見樁長7.0m，處理至下伏卵石層頂面。填料利用渠道開挖的泥礫，每次填料量不大于0.1～0.15m3，三擊貫入度不大于15cm。

處理寬度約為130m，長度2351m，處理總面積23.9萬m2，布樁數量約7.4萬根，總填料量約為12.3萬m3。

7 處理效果檢測

經過地基處理后，砂土得到了擠密，經過原位檢測，滿足設計要求。砂土液化取樣點標準貫入法檢測結果表見表1。

表1 砂土液化取樣點標準貫入法檢測結果表

8 結語

飽和砂土液化處理的方法有多種，每種方法都有一定的局限性，根據磁縣段渠道的液化等級、液化深度及埋深，因地制宜選擇復合載體夯擴樁法處理液化地基，最大限度地利用了磁縣段開挖的泥礫土料，且施工簡單，不產生泥漿，對周邊環境影響較小，施工質量容易控制，處理效果滿足設計要求。相比強夯法和擠密砂樁法等其他處理措施，節省投資約30%。

1 《建筑抗震設計規范》.（GB50011- 2010）.中國建筑工業出版社,2010.

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.014

TV223.2

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1672-2469(2014)12-0040-04

付明軍（1970年—），男，教授級高級工程師。