廣州某輸氣管道工程處理液化土地基的實(shí)例分析

周孔沛

(中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司成都分公司，四川 成都 610000)

1 液化土的研究現(xiàn)狀

1.1 概 念

液化一般是指飽和的砂土在地震動(dòng)荷載作用下孔壓增大，土體間有效應(yīng)力減小，且土體強(qiáng)度隨之降低，當(dāng)孔壓上升到等于有效圍壓力，即孔壓比等于1時(shí)砂體強(qiáng)度幾乎為0，完全喪失承載力，其形態(tài)類似于液體，由此稱為砂土液化。

液化的宏觀現(xiàn)象是指在地震作用下場(chǎng)區(qū)發(fā)生的噴水冒砂、滑移、房屋下沉等現(xiàn)象，是檢驗(yàn)液化的標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1.2 對(duì)建筑物的影響

對(duì)液化土層進(jìn)行地基液化等級(jí)劃分是為了將預(yù)估的液化危害程度定量化以便采取相應(yīng)的抗液化措施。通常來說，液化土層的厚度越大、埋深越小，其液化危害程度則越大。按照液化指數(shù)(地面下20 m深范圍內(nèi))的大小可分為輕微、中等和嚴(yán)重三個(gè)等級(jí)，各級(jí)的液化指數(shù)、地面噴水冒砂情況以及建筑物遭受的危害程度見表1。

表1 液化等級(jí)以及建筑物遭受的危害程度

1.3 處理液化的常規(guī)方式

依據(jù)建筑抗震設(shè)防類別的高低不同，基于擬建場(chǎng)區(qū)液化土的嚴(yán)重程度，各種基本抗液化措施可按照表2中要求來選用。

表2 抗液化措施

1.3.1 全部消除液化沉陷的處理方式

1)將全部液化土層進(jìn)行換填，或者在液化土上方人為增加非液化土層厚度。

2)采用穿透液化土層的樁基礎(chǔ)，樁端應(yīng)進(jìn)入液化土層之下穩(wěn)定土層(一般為堅(jiān)硬土層或基巖)內(nèi)足夠的長(zhǎng)度，從而徹底保證上部建筑單體不受液化土層的影響。

3)深埋基礎(chǔ)從而規(guī)避上方液化土層的影響，一般要求埋入液化土層之下的穩(wěn)定土層中0.5 m以上[2]。

4)采用復(fù)合地基方式進(jìn)行加固，如振沖碎石樁、水泥土攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁CFG樁、灰土擠密樁等，但要求處理深度必須達(dá)到液化土層之下。

1.3.2 部分消除液化沉陷處理方式：

1)僅處理部分深度的液化土層，但能保證其地基液化指數(shù)降至5以下。

2)采用復(fù)合地基方式進(jìn)行加固，如振沖樁、CFG樁、擠密碎石樁等。

3)在液化土上方增加一定厚度非液化土層，或者優(yōu)化場(chǎng)地周圍的排水情況。

1.3.3 對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理的方式

1)選擇合適的基礎(chǔ)埋置深度。

2)調(diào)整基礎(chǔ)底面積，減少基礎(chǔ)偏心。

3)通過采用筏型基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)或加設(shè)基礎(chǔ)圈梁等方式，以加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度。

4)合理設(shè)置沉降縫或者減少上部荷載作用，增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和均勻?qū)ΨQ性，或者優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式(避免采用對(duì)不均勻沉降敏感的結(jié)構(gòu)形式)等。

2 擬建場(chǎng)區(qū)地層情況及液化判別

本輸氣管道工程位于廣東省廣州市，擬在黃埔電廠西廠區(qū)東北角新建輸氣末站(黃埔電廠末站)，輸氣末站內(nèi)將新建進(jìn)出站閥組區(qū)、計(jì)量區(qū)、清管區(qū)內(nèi)等各種工藝設(shè)施。

據(jù)鉆探揭露，擬建場(chǎng)地地層勘探深度內(nèi)主要為第四系雜填土(Q4ml)、沖海積(Q4fm)淤泥、粗砂、礫砂、殘坡積(Q4el)和白堊系(K2)灰黑色火山角礫巖。根據(jù)地層時(shí)代、成因、巖性及物理力學(xué)指標(biāo)特征等，將本工程擬建場(chǎng)區(qū)地層劃分如下。①層雜填土(Q4ml)：灰褐色，主要是由人工堆填的碎石、粗砂和粉質(zhì)黏土組成。碎石主要成分為花崗巖。該層分布于擬建場(chǎng)區(qū)表層，層厚1.4～3.3 m，層底高程-0.78～1.11 m；土石等級(jí)Ⅲ級(jí)，普式分類Ⅲ類。②層淤泥(Q4fm)：灰褐色，流塑，土質(zhì)較均勻，含有機(jī)質(zhì)，具腥臭味。該層分布在場(chǎng)區(qū)西側(cè)，僅在鉆孔ZK1、ZK2和ZK4有揭露，層厚1.6～3.2 m，層底高程-3.98～-2.21 m；土石等級(jí)Ⅰ級(jí)，普式分類Ⅰ類。③層粗砂(Q4fm)：灰黑色，局部灰黃色，粗砂：灰黑色，飽和，松散，主要成分為石英和長(zhǎng)石，含量約90%，顆粒呈亞圓形，顆粒級(jí)配一般。局部夾少量淤泥，層厚約0.2～0.3 m。該層分布廣泛，除鉆孔ZK7之外，其余各鉆孔均有揭露，層厚1.7～7.6 m，層底高程-7.11～-1.62 m；土石等級(jí)Ⅱ級(jí)，普式分類Ⅱ類。③-1層礫砂(Q4fm)：灰黃色，局部灰黑色，飽和，松散，主要成分為石英和長(zhǎng)石，含量約90%，顆粒呈亞圓形，顆粒級(jí)配一般。該層僅在鉆孔ZK5、ZK6、ZK7、ZK8和ZK9有揭露，層厚1.4～7.3 m，層底高程-7.41～-6.49 m；土石等級(jí)Ⅱ級(jí)，普式分類Ⅱ類。④層粉質(zhì)黏土(Q4el)：黃褐色，軟塑～可塑，土質(zhì)不均，含石英顆粒，粒徑2～5 mm，含量10%～20%。切面無光澤，干強(qiáng)度和韌性差。巖芯呈柱狀。該層在擬建場(chǎng)區(qū)分布廣泛，所有鉆孔均有揭露，僅鉆孔ZK4、ZK5和ZK6揭穿。揭穿部分層厚0.6～4.1 m，層底高程-10.49～-7.42 m；土石等級(jí)Ⅱ級(jí)，普式分類Ⅱ類。④-1層粉質(zhì)黏土(Q4el)：灰白色，可塑，土質(zhì)不均，含石英顆粒，粒徑2～5 mm，含量10%。切面無光澤，干強(qiáng)度和韌性差。巖芯呈柱狀。該層僅在鉆孔ZK9中有揭露，且未揭穿。土石等級(jí)Ⅱ級(jí)，普式分類Ⅱ類。⑤全風(fēng)化火山角礫巖(K2)：黃褐色，主要成分為長(zhǎng)石和石英顆粒，粒徑2～10 mm，無膠結(jié)。含少量黏土，含量約10%。巖芯呈柱狀，少量呈散體狀，斷面可見部分原巖結(jié)構(gòu)。該層僅在鉆孔ZK4、ZK5和ZK6中有揭露，層厚1.0～3.8 m，層底高程-12.41～-10.51。土石等級(jí)Ⅲ級(jí)，普式分類Ⅲ類。⑥層中等風(fēng)化火山角礫巖(K2)：灰黑色，粗粒結(jié)構(gòu)，角礫狀構(gòu)造，主要成分為長(zhǎng)石、石英顆粒，粒徑2～10 mm，局部30 mm，含量約80%，鈣質(zhì)膠結(jié)。巖芯呈柱狀，而局部為短柱狀，節(jié)理、裂隙發(fā)育，RQD約為70%。巖質(zhì)較軟，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為5.42 MPa。該層僅在鉆孔ZK4、ZK5和ZK6中有揭露，且未揭穿。土石等級(jí)Ⅵ級(jí)，普式分類Ⅵ類。

擬建場(chǎng)區(qū)典型的地勘鉆孔柱狀圖見圖1。

圖1 典型地勘鉆孔柱狀圖

依據(jù)勘察規(guī)范及抗震規(guī)范，初步判定③層粗砂為液化土，需進(jìn)行進(jìn)一步液化判別。進(jìn)一步針對(duì)鉆孔ZK1、ZK5和ZK9進(jìn)行液化判別，結(jié)果表明，場(chǎng)區(qū)③層粗砂的液化指數(shù)為13.48～17.15，因此確定擬建場(chǎng)區(qū)液化等級(jí)為中等。

3 地基處理措施分析及比選

本工程場(chǎng)區(qū)需要處理的土層為②層淤泥和③層粗砂，其中淤泥為軟弱土層，而粗砂為液化土層，其液化指數(shù)上限為17.15，雖然判定為中等液化但實(shí)際上已接近嚴(yán)重液化程度(液化指數(shù)18以上)，因此必須重點(diǎn)處理③層粗砂。

3.1 針對(duì)②層淤泥的處理措施

②層淤泥地基承載力特征值僅有40 kPa，屬于標(biāo)準(zhǔn)的軟弱土層，對(duì)應(yīng)的常規(guī)處理方法一般有換填墊層、復(fù)合地基以及樁基礎(chǔ)等，由于其僅在鉆孔ZK1、ZK2和ZK4有揭露，層厚1.6～3.2 m也較淺，應(yīng)該與液化土層的處理措施綜合考慮、共同確定為宜。

3.2 針對(duì)③層粗砂的處理措施

根據(jù)地勘報(bào)告該層在本場(chǎng)區(qū)分布廣泛，除鉆孔ZK7外，其余鉆孔均有揭露，且層厚1.7～7.6 m較大；因勘察報(bào)告中確認(rèn)其為中等液化土層，所以必須采取切實(shí)有效的措施來處理液化問題。

3.3 綜合處理措施對(duì)比分析

本工程新建進(jìn)出站閥組區(qū)、計(jì)量區(qū)、清管區(qū)內(nèi)等各種工藝設(shè)施，其抗震設(shè)防類別為乙類，根據(jù)1.3章節(jié)表2中的規(guī)定，對(duì)應(yīng)該采取全部消除液化沉陷的措施。由于新建的各種工藝設(shè)施、工藝管線及撬裝計(jì)量設(shè)備等對(duì)不均勻沉降極為敏感，在不均勻沉降下會(huì)對(duì)管線產(chǎn)生拉裂，將對(duì)今后正常生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生極大隱患，因此對(duì)各種措施進(jìn)行對(duì)比分析見表3。

表3 各種處理措施對(duì)比分析結(jié)果

根據(jù)以上針對(duì)③層粗砂的各種處理措施分析結(jié)果得知，換填墊層和深埋基礎(chǔ)至液化土層之下的方法受限于液化土層較厚較深而無法實(shí)施，因此只能采用樁基礎(chǔ)或者復(fù)合地基加固，由于擬建的工藝管線和各種設(shè)施對(duì)不均勻沉陷極為敏感，顯然采用樁基礎(chǔ)是最合適、最徹底的處理辦法，能夠同時(shí)處理建設(shè)場(chǎng)地存在的淤泥和液化土兩種特殊土層。

3.4 對(duì)于樁基礎(chǔ)選型的確定

樁基礎(chǔ)根據(jù)成樁工藝的不同分為預(yù)制樁和灌注樁兩種。

預(yù)制樁主要是指在施工場(chǎng)地以外事先預(yù)制好的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC樁)，其采用先張法預(yù)應(yīng)力離心成型工藝，并經(jīng)過高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)，制作的一種空心筒體型預(yù)制混凝土構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)樁長(zhǎng)一般為10 m，其樁徑一般不超過800 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)至少為C80。

灌注樁主要是指在現(xiàn)場(chǎng)先成孔、后綁扎放置鋼筋籠、最后澆筑混凝土成型的鋼筋混凝土實(shí)心樁型，根據(jù)成孔方式的不同又可以細(xì)分為鉆孔灌注樁、沖孔灌注樁及人工挖空灌注樁等。

預(yù)制管樁和鋼筋混凝土灌注樁最大差別之處就在于，前者樁身是空心而后者樁身為實(shí)心，這就從本質(zhì)上決定了管樁僅能承受很小的水平荷載而灌注樁卻可以承受很大的水平荷載。在本工程存在較厚液化砂土層的案例中，若產(chǎn)生水平地震作用時(shí)，③層粗砂將會(huì)快速液化而失去承載能力，同時(shí)也對(duì)樁身產(chǎn)生較大的水平荷載，因此從工程安全角度來說采用預(yù)制管樁是不合理的，而應(yīng)該采用能承受很大水平荷載的鋼筋混凝土灌注樁。

另外，江蘇、福建等沿海省份也專門針對(duì)液化土地區(qū)樁基選用及預(yù)制管樁的使用范圍給出了明確的指導(dǎo)意見。江蘇省揚(yáng)州市明確要求嚴(yán)重液化場(chǎng)地中不得使用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁；中等液化場(chǎng)地中20 m以上高度的建筑物不得使用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，20 m以下建筑在使用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁時(shí)，要求樁端必須進(jìn)入下部非液化土層足夠的深度。福建省則直接要求在較厚中等或嚴(yán)重液化土層的場(chǎng)地中不應(yīng)該使用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。

本工程最終采用的是直徑800 mm鋼筋混凝土灌注樁，采用沖擊鉆方式成孔并澆筑，在后續(xù)承臺(tái)筏板、上部設(shè)備基礎(chǔ)及工藝管線設(shè)施等施工、安裝過程中均順利進(jìn)行，項(xiàng)目運(yùn)行至今上部所有工藝管線經(jīng)檢測(cè)未發(fā)生不均勻沉降。

4 結(jié) 論

在目前的工程實(shí)踐中，淺層液化土(深度3 m以內(nèi))一般可采用換填法進(jìn)行處理；而對(duì)深層液化土則可采用人工加密法形成的復(fù)合地基(如強(qiáng)夯處理、振沖碎石樁、沉管擠密碎石樁、水泥粉煤灰碎石樁CFG樁、灰土擠密樁等)，亦可采用樁基礎(chǔ)形式穿透上部液化土層，以下部非液化堅(jiān)硬土層或基巖作為樁端持力層，從而徹底規(guī)避液化土層對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。深層處理方式中，樁基礎(chǔ)較復(fù)合地基處理效果更加徹底，但其造價(jià)可能稍高。

如果對(duì)擬建場(chǎng)區(qū)土層的地質(zhì)情況以及液化性狀掌握不夠徹底，很可能會(huì)發(fā)生因處理方法不當(dāng)而造成地基處理失敗的情況。因此在實(shí)際工程中，針對(duì)場(chǎng)區(qū)地層結(jié)構(gòu)、液化土性狀、抗震設(shè)防要求、上部建(構(gòu))筑物特點(diǎn)及對(duì)不均勻沉降的敏感度等情況應(yīng)綜合考慮，必須通過仔細(xì)對(duì)比分析后，最終采取技術(shù)最優(yōu)、造價(jià)合理的措施來處理、解決液化土。

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