饱和液化砂土处理措施在南水北调工程建设中的应用

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提要：以南水北调实际工程为例对饱和液化砂土的形成、设计两种不同的处理方法、挤密碎石桩法在南水北调工程中被广泛应用以及地基加固效果等进行阐述，从地基加固效果角度对工程广泛所采用的挤密碎石桩处理方案给出评价。

关键词:饱和液化砂土、挤密碎石桩、广泛应用、加固效果、结论

中图分类号：TU74文献标识码： A

一、工程简述

南水北调中线工程潮河段渠道工程线路长，地质条件复杂，渠道沿线穿越地震液化段累计长度约占渠线总长的67％，地震液化对工程的安全运行产生严重危害。饱和砂土在地震、动荷载或其外力作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象为砂土液化。砂土液化导致地面下沉、大规模滑坡以及结构地基基础破坏，土壤液化是导致工程结构破坏的主要因素之一。根据潮河段设计单位的设计要求,处理饱和液化砂土采用强夯法和碎石桩挤密法两种，施工完毕后，均要求处理深度范围内土层的标准贯入击数实测值不低于地震液化的临界标贯击数,或相对密度不低于0.75，以消除地震液化现象。

二、砂土液化的机理及影响液化的因素

1．液化的形成机理

松散的砂土受到震动时有变得更紧密的趋势，但饱和砂土的空隙全部被水充填,因此这种趋于紧密的作用将导致孔隙水压力的骤然上升，而在地震过程的短暂时间内,骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力(有效压力)减小，当有效压力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成象液体一样的状态，即通常所说的砂土液化现象。砂土液化表示在静应力或周期应力作用下，产生并保持很高的孔隙水压力，使有效压力降低到一个很小的值，导致土在很低的不变的残余强度或没有残余强度的情况下发生的连续变形。

2．影响砂土液化的主要因素

①粒径愈细愈容易液化，平均粒径在0.1mm的抗液化性最差。②不均匀系数愈小，抗液化性愈差，粘性土含量愈高愈不容易液化。③密度愈高，液化可能性愈小。④渗透性低的砂土愈容易液化。⑤原状土比结构破坏土不易液化，老砂层比新砂层不易液化。⑥超压密砂土比正常压密砂土不易液化。⑦上覆土层愈厚,土的上覆有效压力愈大，就愈不容易液化。⑧排水条件良好有利于孔隙水压力的消散,能减小液化的可能性。⑨地震烈度高，地面加速度大，就愈容易液化，震动时间愈长，或振动次数愈多，就愈容易液化。

三、砂土地震液化的判别方法

从工程的抗震设计要求及地层土的物理力学性质，对饱和粉、细砂及粉土先进行初步的判定。依据《建筑抗震设计规范》（GB50011―2001）判定有液化可能性的，须进一步判定并给出液化等级，主要有以下方法：① 标贯试验判别；② 静力触探试验判别；③ 剪切波速试验判别；④ 土的相对密实度判别。

四、液化处理措施

1．消除液化的措施

（1）采用桩基础：桩基端部进入液化深度以下稳定土层的长度应按计算确定对于碎石土、砾、粗、中砂、坚硬黏土和密实粉土不应小于0．5m，对其他非岩石土不应小于1.5m。

（2）采用深基础：基础底面应埋入液化深度以下稳定土层中，深度不小于0.5m。

（3）采用挤密法：挤密法的振冲法、砂石（碎石）桩法、灰土或土挤密桩法处理深度应至液化深度下界，同时桩问土的标贯击数应大于液化判别标贯击数临界值。

（4）把液化土层全部挖除，用非液化土替换。

（5）强夯法：利用起重设备将夯锤提升到一定高度，然后使其自由下落，以一定的冲击能量作用在地基上，在地基土里产生极大的冲击波，以克服土颗粒间的各种阻力，使地基密实，从而提高强度，减少沉降，消除湿陷性或者提高抗液化能力。

2、挤密碎石桩施工在南水北调工程潮河段被广泛应用

根据近年来各工程领域文献参考，对于大面积处理可液化砂土而言，强夯法和挤密碎石桩法是首选的处理手段，当液化处理施工段较长或需处理面积大，地基处理区域较近范围内无村庄，无重要构造物时，强夯法是比较理想的地基处理方法。但因南水北调工程的特殊性，战线长、沿线居住村民及建筑物较多，在处理饱和液化砂中，强夯施工震动较大，给沿线村民的正常生活及周边建筑物的安全造成一定的影响，民扰现象时常出现。为加快整个设计单元工程的建设，各个施工标段均对存在扰民的强夯施工渠段变更为挤密碎石桩施工。

挤密碎石桩主要是利用振动、冲击等方式在地基中成孔，然后将碎石、沙砾等粒料挤压入孔中，形成大直径密实桩体。同时在桩周形成一个碎石胶结的挤密带，提高原有地基的承载力，碎石桩与桩间土一起形成复合地基，共同承担上部荷载。挤密碎石桩是在过去解决软土地基承载力的挤密砂（碎石）桩等方法的基础上发展起来的一种新的处理方法，近年来，在高速公路处理软土地基方面得到了广泛应用。

3、挤密碎石桩施工工艺

挤密碎石桩采用振动沉管拔桩机振动成桩法施工，施工顺序采用从中间向打桩，或隔排施工，具体成桩工艺如下：

（1）桩位放样

测量人员根据设计图纸用全站仪精确放出碎石桩处理的边线和线路中心线。桩位采用拉钢尺定位，并用白灰做点标记，并用竹筷进行定位。自检合格后及时向监理工程师报验，经监理验收后方可施工。

（2）桩机准备

每台桩机施工前应按照图纸要求的孔深用红漆标示桩机在明显位置，并在桩机架子上每1米用红漆标示。

（3）振动沉管

桩套管就位后，开动振动器，利用振动器自重和激振力将套管沉入软土层中，直至设计标高。振动过程中记录全过程的电流值、速度、时间等，并要求随时校正桩锤与桩身的中心线重合，以防偏振。振桩过程中，如发现下沉速度突然减小，此时可能遇上硬土层，应停止下沉而将桩略提升0.6～1.0m，重新快速振动下沉，可较易打穿硬土层而顺利下沉。沉桩时如发现有中密以上的细砂、粉砂、重粘砂等硬夹层，其厚度在大于1m时，可能沉入时间过长或难以穿透，继续沉入将易损坏桩头和桩机，并影响施工质量。此时应通知监理，设计代表、地质代表，业主到现场，根据每50米进行的成桩试验，确定其范围、长螺旋引孔深度。

（4）终孔投料

当桩管贯入量达到试桩高程时，应停振终孔，沉管至设计标高后，采用人工配合小装载机将检验合格的碎石分批灌入套管中。应有专人负责碎石灌入量，以防超量或少灌。然后把桩管提升到一定高度，提升时桩尖自动打开，桩管内的碎石流入孔内。

（5）振动拔管

碎石从桩管投入桩管内时边振动、边往上拔桩管（拔管时应留振15s后开始拔管），形成密实碎石桩，拔管速度控制在1.0～1.2m/min。当桩套管提升2m，将套管再次下沉（反插），反插深度1m。单桩灌入碎石量不小于设计值，充盈系数1.2～1.4，最终按照实验确定的参数控制。

（6）桩套管拔出

重复（3）和（4）二道工序，桩管上下运动，碎石不断补充，桩体不断增高，直至将桩套管拔出地面，碎石桩施工完成。

4、施工要点

施工时遇到的主要难点是碎石的振密，由于碎石振密施工具有隐蔽性，若仅靠电流控制、仪表读数及经验等来判断施工情况，难以保证不会对工程质量、进度和成本造成影响。

预防及解决措施：

1）碎石必须按照设计要求进料，粒径控制在10～50mm，含泥量不大于5%。

2）应严格控制留振时间和密实电流的变化，留振时间达到施工控制参数的要求切勿欠振；而密实电流的变化反应机密程度及效率。当电流达到一定的不变值，表明桩体的密实接近饱和。

3）桩机操作人员必须具备操作上岗证，施工技术员要在现场监测记录数据，并比较电流等参数是否在预计的范围。如遇到特殊情况须改变电流等参数，要及时指挥操作人员的操作。

4）每次开工前要检测桩机的性能的同时，应该切忌过分振压碎石桩，只要达到设计和规范的要求即可，过分振压碎石桩不仅增加了碎石用量，而且有可能使地基土的天然结构受到扰动而导致破坏，承载力反而降低，经现场观测证明，碎石在达到密实状态后再加压会变松。

四、加固效果检验与分析

1、土层物理力学性质的变化

通过试桩前后的物理力学指标对比,表明加固前后桩间土的物理力学性质得到了明显改善,加固后土的密度略有增大,土的孔隙比明显减小,说明土层得到了密实;加固后较加固前土的粘聚力与内摩擦角均有所增大,导致加固后土的抗剪强度明显增大。

2、标贯检测

施工完成后进行标贯检测，根据检测结果分析，经碎石桩处理后地基的标贯击数大幅度提高,深度10m以上均大于9击,标贯击数比处理前提高3～5倍,深部标贯击数也有一定程度提高,但不明显，经过处理后，均消除了液化。

五、结论

对液化砂土进行碎石桩处理后，结合具体工程实践，通过标贯检测后的成果的分析,可以得到如下结论：

1、通过对饱和液化砂土采取挤密法加固原理的阐述和论证,挤密碎石桩工艺在处理饱和液化土方面是一种行之有效的方法，对地基土的液化有明显的处理效果。

2、挤密碎石桩处理地基具有施工速度快、工艺简便，技术可靠，造价低，质量容易控制的特点。