水工建筑物液化砂土地基處理方法淺析

張曉斐，苗　磊，胥維纖

(陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710000)

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水工建筑物液化砂土地基處理方法淺析

張曉斐，苗磊，胥維纖

(陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710000)

在水工建筑中經(jīng)常遇到地基液化問題，對液化砂土地基處理進行探討，以西安某處水工建筑物為例，采用不同方法對地基液化處理的設計、施工及相關檢測等進行討論，結(jié)果表明，振沖碎石樁處理液化性砂土地基是可行的，對液化深度較淺的砂層液化處理建議采用換填法。

振沖碎石樁；強夯；換填；砂土液化；地基

處理地基液化問題常用方法有換填法、振沖擠密碎石樁、強夯[1]等方式處理，對于大面積處理較深的可液化土而言，強夯法和振沖碎石樁法是首選的處理手段。

振沖法是在振沖器水平振動和高壓水的共同作用下，使松散碎石土、砂土、粉土、人工填土等土層振密；或在碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土、淤泥土等土層中成孔，然后回填碎石等粗粒料形成樁，和原地基土組成復合地基。

強夯法是通過一般8-30t的重錘(最重可達200 t)和8～20 m的落距，對地基土施加很大的沖擊能，一般能量為500～8 000 kn·m，在地基土中所出現(xiàn)的沖擊波和動應力，可以提高地基土的強度、降低土的壓縮性、改善砂土的抗液化條件、消除濕陷性黃土的濕陷性等。同時，夯擊能還可提高土層的均勻程度，減少將來可能出現(xiàn)的差異沉降。

換填法是當液化層厚度不大時將基礎底面以下處理范圍內(nèi)的土層部分或全部挖去，然后分層換填砂、碎石或其它性能穩(wěn)定、無侵蝕性等材料，并壓實至要求的密度為止。

1　工程概況

工程區(qū)位于關中盆地中部，渭河流經(jīng)盆地偏南部位，灃河在渭河一級階地上建造了河槽，工程涉及灃河河槽、漫灘及渭河一級階地，工作區(qū)內(nèi)灃河漫灘沿灃河展布，高程約392～398 m。工程設計建筑物主要是沿河道修建橡膠壩蓄水工程，在橡膠壩一端設調(diào)節(jié)閘及通航船閘。

工程地處于河床及兩側(cè)漫灘,因其特殊的工程條件，依據(jù)相關要求采用標準貫入試驗擊數(shù)進行地基土液化判定，判定正常運用(橡膠壩蓄水后，地基土含水率飽和)條件時場地土的液化性，試驗結(jié)果顯示：在正常運用時，各液化土層的液化指數(shù)4.9

2　地基處理方法選擇及設計

基礎地層勘察結(jié)果表明工程區(qū)液化地層底界起伏較大，但隨著鉆孔的加密呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性：由于擬建工程地基橫跨一級階地及河漫灘、河槽等不同地貌單元，地層時代不同，沖積物密實度不同，造成液化土層分布深度差異，總體來說，一級階地下(此區(qū)域主要布置調(diào)節(jié)閘、船閘工程)液化土層深度3.3～5.2 m，液化砂層底標高為376.05～377.1 m；河漫灘地帶(主要布置橡膠壩右半段工程)，液化土分布深度在9.2 m，分布標高在372.9 m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，船閘、調(diào)節(jié)閘及橡膠壩區(qū)域根據(jù)基礎地層地質(zhì)、液化深度等變化，可分別采用不同的基礎處理方案。船閘基礎處理既要解決地基液化問題，還要提高地基的承載力；調(diào)節(jié)閘和橡膠壩區(qū)域地基承載力滿足要求，只需解決地基液化問題。

2.1地基處理方案的選擇

1)船閘區(qū)域處理方案

船閘區(qū)域地層液化底標高為376.05～377.1 m，基礎處理標高為376.00 m，船閘基礎底高程為379.6～380.1 m，需處理深度為3.6～4.1 m。

船閘區(qū)域地基處理段較長，處理區(qū)域較近范圍內(nèi)無村莊，無重要構(gòu)造物，采用強夯法是比較理想的地基處理方法，強夯處理方式可以消除地震液化的影響，然后在強夯完后的地基土上采用CFG樁進行處理，提高船閘基底土的承載力。碎石換填法是將船閘區(qū)域中的船閘閘室、上下游閘首、引航道采用碎石進行換填，將液化砂土層換填為碎石，置換底標高為376.0 m，相對密度不小于0.75，試驗結(jié)果須滿足Cu≥5， Cv=1～3，確保碎石級配良好，換填后要求地基承載力不小于300 kPa。

以上方案均能很好解決地基土液化和承載力不足等問題，各個方案的施工工藝均比較成熟。但強夯方案需要經(jīng)過現(xiàn)場試驗來確定施工參數(shù)，且施工時會產(chǎn)生較大噪音，試驗歷時較長，可能會對工期造成一定影響，而振沖碎石樁樁長不宜短于4 m[4]，相比較而言，換填方案施工速度快，工期較短。

2)調(diào)節(jié)閘及橡膠壩處理方案

調(diào)節(jié)閘與橡膠壩區(qū)域場地砂土層普遍存在液化，地基土承載力能滿足設計要求，所以該段區(qū)域僅需消除地基處理深度范圍內(nèi)土層的液化問題，液化深度從現(xiàn)有地面至底標高4.2～9.2 m,液化底標高為376.7～372.9 m。

考慮調(diào)節(jié)閘與橡膠壩區(qū)域場地液化深度較深，且建筑物位于主河槽內(nèi)，施工時受地下水位的干擾，采用碎石換填法開挖深度較深且投資較大，強夯方案需要經(jīng)過現(xiàn)場試驗來確定施工參數(shù)，且施工時會產(chǎn)生較大噪音，試驗歷時較長，可能會對工期造成一定影響，相比較而言，采用振沖碎石樁方案消除液化效果較好，建議采用振沖碎石樁法進行處理。

2.2振沖碎石樁計算

振沖碎石樁依靠振沖器的水平振動力和側(cè)向擠壓作用，在外加填料時通過填料使砂層側(cè)向擠壓，使砂土的密實度增加，孔隙率減少，干密度和內(nèi)摩擦角增大，提高承載力，改善砂層的抗液化性能，在設計時需考慮樁位的布置形式和樁徑大小，并確定合理的樁間距。

由于本工程基礎擬采用條形基礎且屬于可液化地基，所以加固范圍在基礎處邊緣應擴大2～4排樁，樁徑根據(jù)土質(zhì)情況和成樁設備等因素來確定，當采用75 kW振沖器成樁時，碎石樁的樁徑為0.7～1.0 m，本工程采用0.80 m的樁徑，工程當中采用的樁體材料為級配碎石，材料粒徑為20～50 mm，且含泥量不得大于5%。根據(jù)振沖碎石樁的設計要求，樁頂均較設計樁頂超打0.50 m，在樁體施工完成準備施工上部結(jié)構(gòu)時統(tǒng)一將超打碎石樁削至設計樁頂高程。樁距根據(jù)下列公式確定：

式中：e0為天然孔隙比；e1為處理后要求的孔隙比；d為樁的直徑；L為樁間距。由上式計算出樁距為2 000 mm。

地基擠密后要求達到的孔隙比e1由工程對地基承載力要求或下式求得：e1=emax-Dr(emax-emin)。式中emax和emin分別為砂土的最大和最小孔隙比，Dr為地基擠密后要求砂土達到的相對密度，本次可取0.70～0.85，本次取0.75。

振沖施工結(jié)束后，在規(guī)定時間內(nèi)對已實施的振沖樁進行檢測。要求：碎石樁與地基土形成的復合地基要求內(nèi)摩擦角φ>19.8°，擠密后砂層相對密度應在0.8以上，單樁承載力標準值不小于265 kPa，復合地基承載力標準值不小于150 kPa。

3　施工及施工后的檢測

1)施工

施工中振沖設備采用先采用了75 kW振沖器，根據(jù)試樁結(jié)果將振沖器調(diào)整為130 kw，在施工過程中避免對周圍建筑物基礎產(chǎn)生振動．在振沖擠密法施工過程中質(zhì)量檢驗的關鍵是填料量、密實電流和留振時間，這三者實際上是相互聯(lián)系和保證的．留振時間是指振沖器在地基中某地深度處停下振動的時間，水量的大小是保證地基中的砂土充分飽和．砂土只要在飽和狀態(tài)下受到振動便會產(chǎn)生液化，足夠的留振時間是讓地基中的砂土完全液化和保證有足夠大的液化區(qū)砂土經(jīng)過液化在振沖停止后，顆粒便會慢慢重新排列，這時的孔隙比將較原來的孔隙比為小，密實度相應增大，這樣就可達到加固的目的。

2)施工后檢測

施工結(jié)束后，于2014年3月分別采用靜載試驗法、標準貫入試驗法、動力觸探試驗對樁體承載力、樁間土密實度、樁體密實程度進行了檢測，進行檢測，經(jīng)檢測荷載試驗結(jié)果表明，振沖碎石樁單樁承載力及復合承載力均能滿足設計要求，標準貫入試驗結(jié)果表明，經(jīng)振沖碎石樁處理后，處理深度范圍內(nèi)樁間土呈中密-密實狀態(tài)，液化效應已消除；重型動力觸探試驗結(jié)果表明，樁身填料基本處于中密狀態(tài)；碎石換填部分承載力可以滿足設計要求。

4　結(jié)語

通過該工程實踐證明振沖碎石樁處理液化性砂土地基可行，對液化深度較淺的砂層液化處理可以采用換填法。

[1]碾壓式土石壩設計規(guī)范.

[2]GB50011-2001,建筑抗震設計規(guī)范.

[3]GB50007-2011,建筑地基基礎設計規(guī)范.

[4]葉觀寶，葉書麟.地基加固新技術.機械工業(yè)出版社.1999.

2016-03-14

張曉斐(1984-)，男，山西臨汾人，工程師，主要從事水利水電工程設計工作。

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