輸電線路消除地基液化措施初探

寧昭曄

（陜西省電力設(shè)計(jì)院，西安 710054）

1 土體液化的判別及形成機(jī)理

1.1 液化土的概念及危害

“液化”一詞的定義比較多，雖略有不同，但不存在原則上的分歧。1978年美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)巖土工程分會(huì)土動(dòng)力學(xué)委員會(huì)對(duì)“液化”一詞的定義是“液化——將任何物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的作用或過程”；美國(guó)的Seed H.B.對(duì)土體液化的概念性解釋為“峰值循環(huán)孔隙水壓力比（峰值循環(huán)孔隙水壓力與初始有效約束壓力之比）達(dá)到100%的初始液化”；汪聞韶給無黏性土液化的定義是“物質(zhì)從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)的行為和過程”?！耙夯焙暧^上表現(xiàn)為土體出現(xiàn)類似液體的狀態(tài)，主要在飽和無黏性砂土或稍具粘性的土中發(fā)生；微觀上表現(xiàn)為不排水條件時(shí)，在重復(fù)或單向動(dòng)荷載作用下，土體顆粒處于懸浮狀態(tài)，孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力減小，抗剪強(qiáng)度降低甚至消失，由固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)。這種受外力震動(dòng)作用具備土體液化條件的土體稱為液化土。土體液化后，地面?？赡艹霈F(xiàn)噴砂冒水和塌陷現(xiàn)象。

粉土、砂土液化的主要影響因素有：土的類型和性質(zhì)，飽和粉土、砂土的掩藏分布條件以及地震等動(dòng)荷載的強(qiáng)度和歷時(shí)。在粉土或砂土分布廣泛的地區(qū)，地震液化是導(dǎo)致地基失穩(wěn)和上部結(jié)構(gòu)受損的直接原因之一。

1.2 地基液化的機(jī)理

地基液化的危害早己為人熟知，強(qiáng)烈液化的宏觀標(biāo)志是“噴水冒砂”和建、構(gòu)筑物嚴(yán)重沉降、失穩(wěn)，但對(duì)液化機(jī)理的認(rèn)識(shí)，卻有2種明顯不同的觀點(diǎn)。

一種觀點(diǎn)從液化的應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，液化條件為土的法向有效應(yīng)力滓'越0，土體已不具有任何抵抗剪切的能力。這種觀點(diǎn)以Seed為代表，認(rèn)為當(dāng)土在動(dòng)荷載作用下的任何一個(gè)瞬間開始出現(xiàn)這種應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，即達(dá)到了初始液化狀態(tài)。此后，在往復(fù)荷載的持續(xù)作用下，周圍土體輪番出現(xiàn)初始液化狀態(tài)，使土的動(dòng)變形逐漸積累，最后出現(xiàn)土的整體強(qiáng)度破壞或超過實(shí)際容許值的變形失穩(wěn)。這種過程均需有初始液化狀態(tài)的出現(xiàn)，否則將不會(huì)有液化破壞。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，液化的研究將著重于確定飽和砂土達(dá)到初始液化的可能性及其范圍，同時(shí)視初始液化的點(diǎn)或范圍內(nèi)的土具有零強(qiáng)度值，來分析土體的應(yīng)力、應(yīng)變以及穩(wěn)定性。

另一種觀點(diǎn)從土體位移、變形的角度出發(fā)，認(rèn)為土體不必達(dá)到初始液化的應(yīng)力條件，卻由于結(jié)構(gòu)破壞和孔壓上升而引起強(qiáng)弱化，出現(xiàn)具有液化狀態(tài)的流動(dòng)破壞，就認(rèn)為土體已經(jīng)液化。

1.3 砂土液化的影響因素

液化在砂土、粉土甚至礫石中都可能發(fā)生，影響液化的因素有：1）顆粒級(jí)配，包括粘粒、粉粒含量，平均粒徑在D50；2）透水性能；3）相對(duì)密度；4）結(jié)構(gòu)；5）飽和度；6）動(dòng)荷載，包括振幅、持時(shí)等。

砂土液化的必要條件是：

1）距荷載中心較近，且震級(jí)大于5級(jí)；

2）地下水位較高，地層中有飽和粉土、砂土層；

3）土顆粒直徑為0.21耀1.00 mm。

表1～4給出了地基液化與各種因素的關(guān)系。

表1 震動(dòng)液化層的粒徑與級(jí)配

表2 液化層觀察資料

注：噴出的顆粒比地基液化砂土顆粒細(xì)，可能是由于噴出過程中帶出了上覆土層細(xì)粒土的緣故。我國(guó)常見的液化土層為飽和中砂、細(xì)砂、粉砂和黏性土（黏粒含量<15%～20%，塑性指數(shù)<3）。

表3 飽和粉土、砂土相對(duì)密度與振動(dòng)液化關(guān)系

表4 上覆壓力與振動(dòng)液化關(guān)系

從形成砂土液化的條件可以看出，砂土的相對(duì)密度和粗度及級(jí)配是產(chǎn)生砂土液化的必要條件。要防治液化現(xiàn)象，就主要從增加砂土相對(duì)密度、改變顆粒級(jí)配入手，消除土層形成液化的條件，即一是降低砂土層的空隙率，減少孔隙水，使孔隙水形不成巨大的空隙壓力液化砂土層；二是在砂土層中摻入粗顆粒，減少顆粒浮動(dòng)，改變液化條件。

1.4 液化土的判別方法

我國(guó)規(guī)范[1]根據(jù)1971年以前8次大地震的數(shù)據(jù)，參考美國(guó)、日本的有關(guān)研究成果，給出了以臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為指標(biāo)的粉土、砂土液化判別公式。現(xiàn)行規(guī)范[2]通過對(duì)海城、唐山地震的系統(tǒng)研究，結(jié)合國(guó)外大量資料，對(duì)原規(guī)范進(jìn)行了修改，采用了兩步評(píng)判原則，并對(duì)臨界標(biāo)貫擊數(shù)公式進(jìn)行了修改，使之更符合實(shí)際。在國(guó)標(biāo)[3]中，對(duì)此又進(jìn)行了補(bǔ)充，給出了液化比貫入阻力臨界值和液化剪切波速臨界值公式，用來進(jìn)行液化判別?，F(xiàn)階段工程建設(shè)中，基本上沿用上術(shù)兩步評(píng)判原則，采用了臨界標(biāo)貫擊數(shù)判別方法，現(xiàn)行規(guī)范[2]給出了臨界標(biāo)貫擊數(shù)的計(jì)算公式。這些規(guī)范在我國(guó)工程界得到了廣泛應(yīng)用。

液化判別是指地基是否會(huì)發(fā)生液化，液化危害程度是指地基液化程度。傳統(tǒng)液化判別和危害程度評(píng)價(jià)方法多是在宏觀地震災(zāi)害現(xiàn)象資料、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)、分析、統(tǒng)計(jì)得出的規(guī)律。目前液化危害程度評(píng)價(jià)的量化公式較少，常用液化指數(shù)法、概率分析方法以及震陷值方法來綜合評(píng)價(jià)液化等級(jí)。國(guó)內(nèi)外用于砂土液化的判別方法種類繁多，但由于砂土液化問題的復(fù)雜性，每種方法都有一定的運(yùn)用范圍和局限性。

傳統(tǒng)液化判別方法大致可歸納為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)對(duì)比、動(dòng)力分析4大類。

1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法。其判別的基本原理是：在宏觀地震液化和非液化區(qū)域，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得判別指標(biāo)的數(shù)據(jù)，通過分析、統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，建立與宏觀地震災(zāi)害資料之間的關(guān)系，得出經(jīng)驗(yàn)公式或液化分界線來判別液化與否。主要為標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界擊數(shù)判別法（SPT），當(dāng)飽和砂土或飽和粉土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N63.5實(shí)測(cè)值小于Ncr確定的臨界值時(shí)，應(yīng)判定為液化土。

式中，Ncr為液化判別標(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，按表5取值；ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)點(diǎn)深度，m；dw為地下水位深度，m；籽c為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，均應(yīng)采用3。

表5 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值

此方法比較直觀，且可以考慮多個(gè)影響飽和砂、土液化的因素，許多建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范都是采用此類方法，避免了室內(nèi)試驗(yàn)中土樣擾動(dòng)等問題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。

2）室內(nèi)試驗(yàn)法。這類方法根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)條件，確定土體的抗液化強(qiáng)度，同時(shí)用設(shè)計(jì)地震資料計(jì)算地震動(dòng)應(yīng)力指標(biāo)，比較兩者大小，判別液化與否。研究人員采用的主要室內(nèi)試驗(yàn)有：各種類型的循環(huán)三軸壓縮試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)、循環(huán)剪切、循環(huán)扭剪、振動(dòng)臺(tái)、離心機(jī)模型試驗(yàn)。這類方法以Seed和Idriss提出的抗液化剪應(yīng)力法為代表，還包括以后改進(jìn)的一系列方法以及基于其基本思想提出的其他判別法。

此類方法主要用于判別在大型建筑物地基中和土工結(jié)構(gòu)物中的飽和砂土的液化。它可根據(jù)建筑物的具體形狀、場(chǎng)地邊界、排水條件等，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)果給予修正。此類方法存在取樣困難、應(yīng)力釋放和試樣應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際差異較大等缺陷。試驗(yàn)參數(shù)確定以及如何更好地模擬土體的現(xiàn)場(chǎng)情況是提高室內(nèi)試驗(yàn)方法判別可靠度的關(guān)鍵。

3）經(jīng)驗(yàn)對(duì)比法。根據(jù)宏觀震害總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，提出液化判別標(biāo)準(zhǔn)。例如Seed和水利水電工程地質(zhì)勘察部門提出的相對(duì)密度判別法。

4）動(dòng)力分析法。動(dòng)力分析方法主要有等效線性總應(yīng)力動(dòng)力分析法和有效應(yīng)力動(dòng)力分析法2種。前者不考慮孔隙水壓力的升高對(duì)土動(dòng)力特性的影響，后者則反之。為了考慮土的非線性特性，主要采用有限元法評(píng)價(jià)土體的液化特性。

動(dòng)力分析方法適用于自由場(chǎng)地，也適用于判別重要建筑物地基中和土工結(jié)構(gòu)中飽和土體液化 (土體的受力狀態(tài)和幾何邊界比較復(fù)雜，需要單獨(dú)的試驗(yàn)研究和計(jì)算分析)。它綜合考慮了地震動(dòng)力特性、地形地質(zhì)條件、荷載作用、邊界條件等多種因素的影響，還可以研究地震過程中及以后液化區(qū)的發(fā)生、發(fā)展過程。動(dòng)力分析方法需要由室內(nèi)試驗(yàn)確定土的若干動(dòng)力特性參數(shù)以及復(fù)雜的計(jì)算分析，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少，目前只在一些重大工程中適用。

工程中多建議采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法,此種方法簡(jiǎn)便，且有操作性強(qiáng)，能夠很好結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)地震液化資料，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、土動(dòng)力試驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)公式得到液化指標(biāo)。

2 土體液化地基處理措施

液化地基處理恰當(dāng)與否，關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量、投資和進(jìn)度，其重要性已越來越多地被人們所認(rèn)識(shí)。根據(jù)液化地基的影響，改善建、構(gòu)筑物抗液化能力的方法也分為2類：一是處理地基，使其不液化；二是提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,降低液化的影響，如采用深基礎(chǔ)穿透可液化土層等。在輸電線路工程中，除沙漠地區(qū)外，一般線路可液化地基分布并不廣，桿塔位不多，考慮工程外部條件和施工條件，強(qiáng)夯法和干振碎石樁法是首選的地基處理手段，當(dāng)基礎(chǔ)外緣較近范圍內(nèi)無重要構(gòu)筑物且運(yùn)輸方便時(shí)，強(qiáng)夯法是最理想的地基處理方法。

2.1 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法處理地基是20世紀(jì)60年代末Menard技術(shù)公司首先創(chuàng)立的，該方法將80～400 kN重錘從落距6耀40 m處自由落下（見圖1），給地基以沖擊和振動(dòng)，從而提高地基土的強(qiáng)度并降低其壓縮性。強(qiáng)夯法常用來加固碎石、砂土、粘性土、雜填土、濕隱性黃土等各類地基土。由于其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、施工速度快、適用范圍廣、節(jié)約三材、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過20多年來的應(yīng)用與發(fā)展，強(qiáng)夯法處理地基受到各國(guó)工程界的重視，并得以迅速推廣，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖1 強(qiáng)夯法施工

由于強(qiáng)夯處理的對(duì)象(即地基土)非常復(fù)雜，一般認(rèn)為不可能建立對(duì)各類地基土均適合的具有普遍意義的理論，但對(duì)地基處理中經(jīng)常遇到的幾種類型土，還是有規(guī)律可循的。實(shí)踐證明，用強(qiáng)夯法加固地基，一定要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和工程要求，正確選用強(qiáng)夯參數(shù)，一般通過試驗(yàn)來確定以下強(qiáng)夯參數(shù)。

1）有效加固深度。有效加固深度既是選擇地基處理方法的重要依據(jù)，又反映了處理效果。

2）單擊夯擊能。單擊夯擊能越錘重伊落距。

3）最佳夯擊能。從理論上講，在夯擊能作用下，地基土中的孔隙水壓力達(dá)到土的自重壓力，這樣的夯擊能稱最佳夯擊能。在砂土中，孔隙水壓力增長(zhǎng)及消散過程僅為幾分鐘，因此孔隙水壓力不能隨夯擊能增加而疊加，可根據(jù)最大孔隙水壓力增量與夯擊次數(shù)關(guān)系來確定最佳夯擊能。

夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)，可按現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定，其應(yīng)同時(shí)滿足下列條件：淤夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大隆起；于不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難；盂每擊夯沉量不能過小，過小無加固作用。夯擊次數(shù)也可參照夯坑周圍土體隆起的情況予以確定，就是當(dāng)夯坑的豎向壓縮量最大，而周圍土體的隆起最小時(shí)的夯擊數(shù)。對(duì)于飽和細(xì)粒土，擊數(shù)可根據(jù)孔隙水壓力的增長(zhǎng)和消散來決定，當(dāng)被加固的土層將發(fā)生液化時(shí)的擊數(shù)即為該遍擊數(shù)，以后各遍擊數(shù)也可按此確定。

4)夯擊遍數(shù)。夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)確定，地基土滲透系數(shù)低，含水量高，需分3～4遍夯擊，反之可分2遍夯擊，最后再以低能量“搭夯”1遍，其目的是將松動(dòng)的表層土夯實(shí)。

5)間歇時(shí)間。所謂間歇時(shí)間，是指相鄰2遍夯擊之間的時(shí)間間隔。Menard指出，一旦孔隙水壓力消散，即可進(jìn)行新的夯擊作業(yè)。

6)夯點(diǎn)布置和夯點(diǎn)間距。為了使夯后地基比較均勻，對(duì)于較大面積的強(qiáng)夯處理，夯擊點(diǎn)一般可按等邊三角形或正方形布置夯擊點(diǎn)，這樣布置便于強(qiáng)夯施工。由于基礎(chǔ)的應(yīng)力擴(kuò)散作用，強(qiáng)夯處理范圍應(yīng)大于基礎(chǔ)范圍，其具體放大范圍，可根據(jù)構(gòu)筑物類型和重要性等因素考慮確定。

夯點(diǎn)間距根據(jù)所要求加固的地基土性質(zhì)和要求處理深度而定。當(dāng)土質(zhì)差、軟土層厚時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大夯點(diǎn)間距；當(dāng)軟土層較薄而又有砂類土夾層或土夾石填土等時(shí)，可適當(dāng)減少夯距。若夯距太小，相鄰夯點(diǎn)的加固效應(yīng)將在淺處疊加而形成硬層，影響夯擊能向深部傳遞。

強(qiáng)夯法理論計(jì)算較為復(fù)雜，參數(shù)取值不易得到，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，強(qiáng)夯容易造成局部隆起，地基不易密實(shí)，加之輸電線路桿塔基礎(chǔ)范圍較小，強(qiáng)夯法工程應(yīng)用相對(duì)較少，缺少相對(duì)成熟的經(jīng)驗(yàn)，所以輸電線路一般不采用。

2.2 振沖碎石樁

振沖碎石樁是以起重機(jī)吊起振沖器，啟動(dòng)潛水電機(jī)帶動(dòng)偏心塊，使振沖器產(chǎn)生高頻振動(dòng)，同時(shí)開動(dòng)水泵，通過噴嘴噴射高壓水流。在振動(dòng)和高壓水流的聯(lián)合作用下，振沖器沉到土中的預(yù)定深度，然后經(jīng)過清孔工序，用循環(huán)水帶出孔中稠泥漿，此后就可從地面向孔中逐段添加填料（碎石或其他粗粒料），每段填料均在振動(dòng)作用下被振擠密實(shí)，達(dá)到所要求的密實(shí)度后提升振沖器；再于第二段重復(fù)上述操作，如此直至地面，從而在地基中形成一根大直徑的密實(shí)樁體，與周圍土共同工作，形成復(fù)合地基。

2.2.1 擠密作用

在施工過程中通過高壓水流的沖擊，使松散軟砂土處于飽和狀態(tài)，砂土在強(qiáng)烈的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)下產(chǎn)生液化，并使顆粒重新排列致密；且在樁孔中填充粗骨料后，粗骨料被強(qiáng)大的水平激振力擠入周圍砂土中，這種強(qiáng)制擠密使砂土的密實(shí)度增加，空隙比降低，干密度和內(nèi)摩擦角增大，土的物理力學(xué)性能得到改善，使地基土承載力大幅度提高，抗液化的性能得到改善。

2.2.2 排水減壓作用

振沖碎石樁加固砂土?xí)r，樁孔內(nèi)填卵石等過濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能好的人工豎井排水減壓通道，可有效地消除和防止超孔隙水壓力的增高，從而使砂土產(chǎn)生液化，并可加快地基土的排水固結(jié)。

2.2.3 砂基預(yù)震效用

有研究表明，經(jīng)過預(yù)震液化后重新固結(jié)的砂土，其抗液化能力比未經(jīng)預(yù)震的砂土要高。在采用振沖法施工時(shí)，振沖器以1 450次/min的高頻率振動(dòng)，使砂土在被擠密的同時(shí)獲得強(qiáng)烈的預(yù)震，這對(duì)砂土增強(qiáng)抗液化能力是極為有利的。

某輸電線路工程采用振沖碎石樁布置（見圖2），單樁尺寸和樁間距（見圖3），處理范圍為鐵塔基礎(chǔ)底板向外4.5 m，碎石樁樁徑0.4 m，碎石樁間距1.3 m，呈網(wǎng)格狀布置。

圖2 振沖碎石樁平面布置圖

圖3 振沖碎石樁垂直拋面布置圖

振沖碎石樁是消除地基液化最有效的方法之一。采用振沖碎石樁處理液化地基與其他方法相比，施工快，節(jié)約投資，因此，是輸電線路常用的液化地基土處理方法。

2.3 聯(lián)梁樁基礎(chǔ)

聯(lián)梁樁基礎(chǔ)是一種常見的深基礎(chǔ)型式，把樁身用混凝土梁連接起來是為了提高基礎(chǔ)的整體剛度，更好地抵御外力作用，消除地基液化對(duì)基礎(chǔ)的影響。當(dāng)液化土層較厚時(shí)，樁身可穿透全部液化土層，并將樁底設(shè)置在較為堅(jiān)硬的非液化土層上。對(duì)碎石土、礫、粗、中砂，堅(jiān)硬粘性土和密實(shí)粉土，樁端深入深度不應(yīng)小于0.5 m，對(duì)其他非巖石土不小于1.5 m。

聯(lián)梁樁基礎(chǔ)是輸電線路工程常用的基礎(chǔ)型式，設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富。對(duì)于厚度較大且埋藏較深的液化土層，一般采用鉆孔灌注樁的方法來消除液化土層對(duì)基礎(chǔ)的影響，缺點(diǎn)是樁基造價(jià)較高，且對(duì)施工設(shè)備和施工場(chǎng)地的要求較高。

3 小結(jié)

規(guī)程規(guī)定[4]，大跨越桿塔及特殊重要的桿塔基礎(chǔ)，當(dāng)位于地震烈度為7度及以上的地區(qū)，且場(chǎng)地為飽和砂土和飽和粉土?xí)r，或?qū)?20 kV及以上的耐張型轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)，當(dāng)位于地震烈度為8度以上時(shí)，均應(yīng)考慮地基液化的可能性，并采取必要的穩(wěn)定地基或基礎(chǔ)的抗震措施。在輸電線路工程建設(shè)中，應(yīng)根據(jù)荷載大小、線路重要性、工程投資、施工環(huán)境等因素綜合考慮，選擇最有效的地基處理方法和基礎(chǔ)型式，消除地基液化對(duì)工程的影響。

[1]國(guó)家基本建設(shè)委員會(huì)建筑科學(xué)研究院.TJ11-78工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1984.

[2]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2001.

[3]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50021-94巖土工程勘察規(guī)范[S].1994.

[4]東北電力設(shè)計(jì)院.DL/T 5219-2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)電力出版社，2005.