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        南水北調(diào)中線工程河北省磁縣段飽和砂土液化渠基處理

        2014-02-27 02:45:28付明軍
        水利規(guī)劃與設(shè)計(jì) 2014年12期

        付明軍

        (河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021)

        南水北調(diào)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(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021)

        南水北調(diào)中線工程河北省磁縣段渠道工程線路長(zhǎng),地質(zhì)條件復(fù)雜,總干渠穿越砂土地震液化地基累計(jì)長(zhǎng)度約2.351km,地震液化對(duì)渠道的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重危害。通過(guò)對(duì)砂土液化的機(jī)理、影響因素進(jìn)行分析,對(duì)砂土液化地基依據(jù)液化層埋深、液化等級(jí)以及渠道安全等重要性因素,經(jīng)過(guò)多方案比選,因地制宜,選擇開(kāi)挖的泥礫料作為填料的復(fù)合載體夯擴(kuò)樁的處理方案,節(jié)省了工程投資,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

        渠基處理 砂土地震液化 復(fù)合載體夯擴(kuò)樁 南水北調(diào)

        1 工程概述

        南水北調(diào)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(diǎn)(樁號(hào)為0+000),沿京廣鐵路西側(cè)的太行山東麓自南向北,渠段通過(guò)的地貌單元為平原和崗地,線路總長(zhǎng)40.056km,其中渠道長(zhǎng)38.896km,建筑物長(zhǎng)1.07km,不良地質(zhì)渠段長(zhǎng)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(zhǎng)度為2.351km。

        根據(jù)國(guó)家地震局對(duì)南水北調(diào)中線工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)以及地震烈度區(qū)劃邊界核定的結(jié)果《南水北調(diào)中線工程設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃報(bào)告》(2004年4月),本渠段設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g,抗震設(shè)防烈度為7度。

        總干渠為Ⅰ等工程,渠道為1級(jí)建筑物,明渠設(shè)計(jì)流量235m3/s,加大流量265m3/s。渠道為梯形斷面,底寬17.5~25.0m,設(shè)計(jì)水深6.0m,縱坡1/23000~1/26000。

        2 砂土液化渠段工程地質(zhì)條件

        渠道樁號(hào)0+000~1+851,4+480~4+980,長(zhǎng)度2.351km,位于漳河北岸河漫灘和一級(jí)階地,渠底及以下分布有飽和中砂及輕粉質(zhì)壤土。樁號(hào)0+000~1+851,長(zhǎng)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(tǒng)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(qiáng)透水的卵石層。樁號(hào)4+480~4+980,長(zhǎng)度約500m,為半挖半填段,最大填高6.50m,為輕粉質(zhì)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(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,具輕微~中等液化地層。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)貫入法檢測(cè),貫入擊數(shù)均小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。

        3 液化砂土的機(jī)理

        松散的砂土受到震動(dòng)時(shí)有變得更緊密的趨勢(shì),在地震荷載作用下,飽和砂土內(nèi)不同質(zhì)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(diǎn)上引起新的應(yīng)力,當(dāng)這種應(yīng)力超過(guò)一定量值時(shí),就會(huì)破壞土粒間原有的聯(lián)結(jié),土的結(jié)構(gòu)可能突然崩潰,土粒之間脫離接觸。與此同時(shí),由于荷載的循環(huán)作用,孔隙水來(lái)不及排出(相當(dāng)于不排水條件),這就使原來(lái)的砂粒通過(guò)其接觸點(diǎn)所傳遞的壓力

        (有效壓力)減小,孔隙水壓力升高,當(dāng)有效壓力完全消失時(shí),砂層會(huì)完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力,處于沒(méi)有抵抗外荷載能力的懸浮狀態(tài),產(chǎn)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(shù),飽和砂土發(fā)生液化的過(guò)程,也就是抗剪強(qiáng)度消失的過(guò)程。

        總干渠渠道建成運(yùn)行后,由于渠道滲漏使地下水位抬升、漳河在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水等條件下,可使現(xiàn)處于非飽和狀態(tài)的砂土和輕粉質(zhì)壤土呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。在地震動(dòng)荷載的反復(fù)作用下,砂層結(jié)構(gòu)遭到破壞,并具有振密的趨勢(shì),這種快速的密實(shí)趨勢(shì)使砂土中的孔隙水壓力逐步上升,土中有效應(yīng)力減少。當(dāng)土的有效應(yīng)力完全消失時(shí),砂土的抗剪強(qiáng)度為零。砂層失去強(qiáng)度呈液體狀,喪失承載能力,從而造成渠道的沉陷等破壞對(duì)工程的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)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(fā)生液化與諸多因素有關(guān),其中主要因素有土的物理性質(zhì)、起始應(yīng)力狀態(tài)、動(dòng)荷載特性以及排水條件等。

        4.1 土的物理性質(zhì)

        土的物理性質(zhì)主要表現(xiàn)在土粒級(jí)配和密實(shí)度兩方面。當(dāng)其他條件相同時(shí),細(xì)而均勻的砂比粗砂更易液化,這主要是粗砂的滲透性比細(xì)砂大,振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力比在細(xì)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(jí)配均勻的砂比級(jí)配良好的砂更容易液化。這是因?yàn)榧?jí)配良好的砂的排水能力大于級(jí)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(dòng)力穩(wěn)定性。當(dāng)粘粒含量增加到一定程度時(shí),粘聚力在砂土的抗剪強(qiáng)度中占有一定比例時(shí),產(chǎn)生液化的機(jī)理?xiàng)l件不具備時(shí),砂土就不會(huì)液化。

        4.2 起始應(yīng)力狀態(tài)

        起始應(yīng)力狀態(tài)與液化土層的埋深和靜止側(cè)壓力系數(shù)的大小有關(guān),液化土層埋深愈大,側(cè)限壓力愈大,愈不容易發(fā)生液化?!督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》(GB50011-2010)對(duì)地面以下15m深度范圍內(nèi)的液化土如何判別提出了具體的方法,對(duì)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(dāng)液化土層埋深大于15m時(shí),可判定為不液化情況。地震的調(diào)查結(jié)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(dòng)荷載特性

        動(dòng)荷載的性質(zhì)、大小、持續(xù)時(shí)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(zhì)決定了地震剪應(yīng)力的大小,當(dāng)?shù)卣鸺魬?yīng)力大于砂土抗液化剪應(yīng)力時(shí),則可能會(huì)液化。地震剪應(yīng)力的大小與液化土的埋深、地面最大加速度有關(guān),可依據(jù)Seed法進(jìn)行計(jì)算,地震持續(xù)時(shí)間與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān),亦即與地震震級(jí)有關(guān)。 對(duì)某一種砂土,在地震時(shí)是否會(huì)發(fā)生液化, 主要決定于地震引起的應(yīng)力或應(yīng)變的大小以及地震持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。

        4.4 排水條件

        地下水是砂土液化不可缺少的條件,沒(méi)有地下水也就無(wú)所謂液化。問(wèn)題的關(guān)鍵在于動(dòng)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(fā)性劇烈震動(dòng),飽和砂土中的孔隙水來(lái)不及排出,導(dǎo)致了孔隙水壓力上升。排水條件對(duì)砂土中的孔隙水壓力的大小有直接關(guān)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(gè)世紀(jì)以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科技人員曾進(jìn)行了大量的研究,提出了多種判別準(zhǔn)則和評(píng)定方法。如臨界孔隙比法、臨界振動(dòng)加速度法、臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法、抗液化剪應(yīng)力法、靜力觸探法、綜合指標(biāo)法以及統(tǒng)計(jì)法等。由于振動(dòng)液化影響的因素甚多,每一種方法考慮因素的側(cè)重點(diǎn)不同,有時(shí)候同一問(wèn)題采用不同的判別方法可能會(huì)得出不同的結(jié)論?!督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011- 2010)推薦的方法,采用飽和砂土實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與液化時(shí)的臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)進(jìn)行對(duì)比的方法來(lái)判定飽和砂土是否液化,臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)是飽和土處于液化與不液化界限狀態(tài)時(shí)所具有的最小標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù),它與飽和砂土的埋深、地下水位高低、以及土的密實(shí)度、地震烈度等因素有關(guān),是比較成熟的方法。

        《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011- 2010)規(guī)定:在地面下15m深度范圍內(nèi)的液化土應(yīng)符

        合下列要求:

        式中,N63.5為飽和砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊實(shí)測(cè)值(未經(jīng)桿長(zhǎng)校正)

        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)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值

        ds為飽和砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m)

        dw為地下水位深度(m)

        ρc為粘粒含量百分率,當(dāng)小于3或砂土?xí)r,均應(yīng)取3。

        (2)應(yīng)用該方法應(yīng)注意的問(wèn)題

        該法基本反映了影響飽和砂土振動(dòng)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(jiǎn)單,可結(jié)合工程地質(zhì)勘察同時(shí)進(jìn)行。但對(duì)外荷載引起的附加應(yīng)力沒(méi)有考慮。

        在現(xiàn)場(chǎng)確定標(biāo)貫試驗(yàn)的鉆孔數(shù)應(yīng)有一定的代表性,不宜少于規(guī)范要求的數(shù)量。且應(yīng)特別注意盡量不要對(duì)原狀土進(jìn)行擾動(dòng)。

        6 砂土地震液化處理工程措施

        6.1 常規(guī)處理方法存在的問(wèn)題

        消除地震液化的處理措施有強(qiáng)夯法、振沖法、圍封法、深層爆炸法和沉管擠密法等。強(qiáng)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(duì)周圍環(huán)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(dāng)土層中含

        有密實(shí)度較高的硬夾層時(shí),造孔極為困難,但對(duì)粉細(xì)砂和粉土,使用振動(dòng)沉管法則可獲得較一般振沖法更好的豎向振實(shí)效果和更強(qiáng)烈的預(yù)振動(dòng)效應(yīng)。

        振沖法處理液化土層具有機(jī)理明確,設(shè)備簡(jiǎn)單,不用三材,造價(jià)低廉,技術(shù)效果好等優(yōu)點(diǎn),但其最適用的土層為疏松的接近中砂的細(xì)砂、中粗砂和粗砂,對(duì)可液化的粉細(xì)砂和粉土,由于施工中土粒流失較大,成樁困難,技術(shù)效果并不明顯,同時(shí)振沖碎石樁施工過(guò)程中需要大量的清水,施工過(guò)程中還產(chǎn)生大量的泥漿需要處理,嚴(yán)重污染環(huán)境,而且成本較高。

        圍封是用板樁把可能液化的范圍包起來(lái),防止或減輕建筑物下方液化土層因側(cè)向流動(dòng)而產(chǎn)生不均勻沉陷。由于磁縣段液化渠段較長(zhǎng),沿線斷續(xù)分布的液化土層在液化深度、液化等級(jí)等方面差異較大,板樁圍封后,可能截?cái)嗲纼蓚?cè)地下水的聯(lián)系,對(duì)渠道兩側(cè)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響,因此,板樁圍封方案不適用于南水北調(diào)渠道飽和砂土地震液化處理。

        深層爆炸法對(duì)處理深層液化的松砂效果較好,由于施工簡(jiǎn)單而迅速,費(fèi)用也較少,因而較多地用于基礎(chǔ)處理。該法的缺點(diǎn)和局限性在于爆炸處理后的基礎(chǔ)不均勻,對(duì)中粗砂的加固效果好,對(duì)于細(xì)砂特別是粉細(xì)砂加固效果較差,對(duì)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(fù)合載體夯擴(kuò)樁法

        等能量等變形夯擴(kuò)擠密碎石樁以重錘做自由落體運(yùn)動(dòng)所形成的強(qiáng)大夯擊能量成孔到設(shè)計(jì)標(biāo)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(guò)重錘對(duì)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(qiáng)行排出,使土體結(jié)構(gòu)重新固結(jié),實(shí)現(xiàn)土體的第二次擠密擠密(快速固結(jié))。在填料夯擊的過(guò)程中,由于每次提升重錘高度相同,故每次夯擊能量相同(簡(jiǎn)稱等能量),在地基無(wú)側(cè)向擠出或隆起的情況下,通過(guò)夯擊使土體達(dá)到最大限度地?cái)D密加固,并以一擊的貫入量作為達(dá)到擠密效果的控制指標(biāo)(一擊的貫入量控制標(biāo)準(zhǔn)為等變形)。自樁底設(shè)計(jì)深度處開(kāi)始,每一施工段均按照等貫入度進(jìn)行控制,逐段填料和夯擊形成自下而上由多個(gè)擠密層組成的樁體。碎石樁樁身在受力過(guò)程中既起到分擔(dān)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(guò)程中振動(dòng)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(kuò)擠密碎石樁屬于干法作業(yè),在施工過(guò)程中不需要清水,也不產(chǎn)生泥漿,其加固效果較好。

        依據(jù)磁縣段砂土液化渠段的基本特征,選擇復(fù)合載體夯擴(kuò)樁進(jìn)行渠基液化土層處理,復(fù)合載體夯擴(kuò)樁樁徑550mm,等邊三角形布置,樁間

        距1.8m×1.8m,可見(jiàn)樁長(zhǎng)7.0m,處理至下伏卵石層頂面。填料利用渠道開(kāi)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(zhǎng)度2351m,處理總面積23.9萬(wàn)m2,布樁數(shù)量約7.4萬(wàn)根,總填料量約為12.3萬(wàn)m3。

        7 處理效果檢測(cè)

        經(jīng)過(guò)地基處理后,砂土得到了擠密,經(jīng)過(guò)原位檢測(cè),滿足設(shè)計(jì)要求。砂土液化取樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入法檢測(cè)結(jié)果表見(jiàn)表1。

        表1 砂土液化取樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入法檢測(cè)結(jié)果表

        8 結(jié)語(yǔ)

        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(jù)磁縣段渠道的液化等級(jí)、液化深度及埋深,因地制宜選擇復(fù)合載體夯擴(kuò)樁法處理液化地基,最大限度地利用了磁縣段開(kāi)挖的泥礫土料,且施工簡(jiǎn)單,不產(chǎn)生泥漿,對(duì)周邊環(huán)境影響較小,施工質(zhì)量容易控制,處理效果滿足設(shè)計(jì)要求。相比強(qiáng)夯法和擠密砂樁法等其他處理措施,節(jié)省投資約30%。

        1 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》.(GB50011- 2010).中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

        2 胡存亮.等能量等變形夯擴(kuò)擠密樁在高速公路地基處理中的應(yīng)用,《交通標(biāo)準(zhǔn)化》,2007.4.

        3 朱惠偉,朱義鐵.等能量等變形夯擴(kuò)擠密矸石樁在處理煤田塌陷區(qū)地基中的應(yīng)用.施工技術(shù),2007.1.

        4 符德軍.等能量等貫入度擠密碎石樁.山西建筑,2007,12.

        5 許蕓蕓等.夯擴(kuò)擠密碎石樁在沿海高速公路砂土液化地基中的應(yīng)用.鐵道建筑,2007,4.

        6 薛春明,李鳳霞.擠密樁在處理濕限性黃土地基處理中的應(yīng)用.山西建筑,2006,4.

        7 曹厚明.重型動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在振動(dòng)擠密碎石樁復(fù)合地基檢測(cè)中的應(yīng)用.探礦工程-沿途鉆掘工程,2004,2.

        8 范乘余.高速公路可液化沙土地基處理.安徽地質(zhì),2006,2.

        9 趙珍等.砂土液化及處理措施.東北水利水電,2005,8.

        10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.014

        TV223.2

        B

        1672-2469(2014)12-0040-04

        付明軍(1970年—),男,教授級(jí)高級(jí)工程師。

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