郭紹艾，魯虎成，劉曉琪

夯擴樁技術(shù)在引黃入冀補淀工程地基處理中的應(yīng)用

郭紹艾，魯虎成，劉曉琪

(河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050021)

針對引黃入冀補淀工程河北省段砂土液化地基范圍廣、位置分散、單個建筑物處理面積小的分布規(guī)律和工程特點，通過多方案對比和地基液化處理方法探討，選擇了適用于本工程的液化地基處理方式。提出了復(fù)合載體夯擴樁樁徑、間距、樁長、樁體材料配比等設(shè)計參數(shù)和檢測試驗要求，通過現(xiàn)場試驗和檢測，驗證了處理工藝的可靠性，對華北平原地區(qū)特別是黑龍港地區(qū)復(fù)雜地層上的水工建筑物地基處理具有指導(dǎo)意義。

夯擴樁；復(fù)合載體；引黃入冀補淀；地基液化；應(yīng)用

1 工程概況

引黃入冀補淀工程是繼南水北調(diào)中線一期工程后河北省又一大型的跨流域、跨省際調(diào)水工程，輸水線路自河南省濮陽市渠村引黃閘引水，穿衛(wèi)河后經(jīng)東風(fēng)渠、支漳河、老漳河、滏東排河、小白河等最終入白洋淀，線路全長397.556km；滏陽河支線由南干渠穿支漳河倒虹吸進口閘分水，利用滏陽河輸水至邯邢邊界，支線全長26.656km。工程位于河北省中南部，黑龍港流域，工程地質(zhì)條件在河北省具有代表性。

引黃入冀補淀工程河北段共布置各類建筑物255座，其中閘涵131座、泵站3座、橋梁121座。閘涵建筑物引黃設(shè)計流量為30～60m3/s，設(shè)計排瀝流量為25～540m3/s［1］。

在水工建筑物設(shè)計和施工過程中，針對承載力不足和液化地基處理開展了大量的研究工作，通過多方案比選，提出了適用于本工程的基礎(chǔ)處理工藝和設(shè)計參數(shù)，并通過現(xiàn)場試驗和檢測，驗證了處理效果。

2 地質(zhì)條件

引黃入冀補淀工程河北段位于河北平原的中南部。主要為平原地貌，地勢平坦開闊。工程沿線第四紀全新世地層厚20～50m，發(fā)育的地層主要有：第四系全新統(tǒng)(Q4)沖洪積和沖積、湖沼積層；上更新統(tǒng)(Q3)沖積、湖沼積層。其中近地表全新統(tǒng)(Q4)沖洪積地層巖性為淺黃～棕黃色粉粒含量較高的砂壤土、壤土、粘土，以及粉砂、細砂。其下為一套沖積為主地層，巖性為灰褐色、黑灰色含有機質(zhì)粘土、壤土、砂壤土，灰黃色、棕黃色、黃褐色粉砂、細砂［1］。

工程沿線地下水為第四系孔隙潛水，因雨季積水或調(diào)水運用，多有上層滯水，水位在渠底附近。

引黃入冀補淀工程河北段所處區(qū)域地震動峰值加速度0.10～0.15g，相應(yīng)地震基本烈度Ⅶ度［1］。地基中的粉細砂、少粘性土在飽和狀態(tài)下有震動液化可能，場地多為輕微～中等(局部嚴重)液化等級［1］。

本工程中的閘涵建筑物，位于地震動峰值加速度0.10～0.15g場區(qū)(地震烈度Ⅶ度)［4］的共108座，其中28個場區(qū)為輕微液化等級，42個場區(qū)為中等液化等級，24個場區(qū)為嚴重液化等級［8］。水工建筑物的持力層以Ⅱ單元粘土、壤土、砂壤土、有機質(zhì)壤土等粘性土為主，地基承載力特征值90～120kPa，計算最大地基應(yīng)力為136～175kPa，各土層壓縮模量在2.6～9.76MPa之間。

工程沿線水工建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，對于輕度地基液化，僅對上部結(jié)構(gòu)進行加強處理；對于中等和嚴重液化地基，部分或全部消除液化問題影響［2］。

3 方案選擇

工程沿線建筑物地基下臥層存基液化可能，且為中、高等壓縮性土，部分水工建筑物持力層承載力偏低。對于閘涵工程，結(jié)合河北省工程實踐，對振沖法、排水強夯法、夯擴樁法、水泥土攪拌樁框格圍封法等消除液化處理方案進行了比較。

(1)換填法。換填法適用于淺層軟弱地基及不均勻土層的地基處理，換填厚度一般不大于3m；當(dāng)軟弱土層埋深較大時，常因地下水位高等原因?qū)е鹿こ藤M用高、工期長、對環(huán)境影響增大等問題。本工程基礎(chǔ)下的液化土層、軟弱土層埋深3m以內(nèi)的，采用換填法處理，處理設(shè)計部分不再贅述。

(2)振沖法。利用振動、沖擊或水沖等方式形成大直徑碎石所構(gòu)成的密實樁體，依靠樁的擠密置換和施工過程中的振動作用使樁周土密實度增加，提高地基承載力，降低壓縮性，避免地基土體液化。振沖法的碎石樁樁體形成排水通道，利于施工期排水，其施工工藝成熟，工期短，效果評價直觀。不利條件是破壞了隔水層，可能導(dǎo)致形成滲漏通道，對閘基滲透穩(wěn)定性不利。

(3)排水強夯法。對于場區(qū)地下水位高，淤泥質(zhì)地層分布廣的地基，為避免強夯形成“橡皮土”，可采用排水強夯法。首先在夯擊點位設(shè)置沉管碎石樁或夯擴碎石樁作為排水體，利用強夯產(chǎn)生的巨大能量擴散到樁體中，排開周圍土體，同時，將空隙水?dāng)D壓到樁體中，通過樁體排出。樁體擠壓周圍土體形成土石混合體，達到消除液化、提高地基土承載力和減小不均勻變形的目的，處理后土體密實，效果明顯。不利條件是施工機械移動受場地限制困難較大，且需要多種設(shè)備配合使用，對于分散工程而言，由于單體工程處理面積小往往導(dǎo)致處理費用提高。

(4)夯擴樁法。夯擴樁利用細長錘夯擊成孔，成孔后在孔內(nèi)填無害建筑垃圾、碎石、石碴、泥礫等材料或復(fù)合填料，用夯錘進行夯擊，在樁底及樁周范圍夯實、擠密，達到消除地基液化、提高地基承載力、減小變形的目。復(fù)合載體夯擴樁兼顧了振沖法和強夯法的優(yōu)點，施工速度快，處理后地基承載力提高顯著，對地層適應(yīng)性強。不利條件是對于有承壓水的地層應(yīng)通過試驗驗證其適用性，施工中應(yīng)加強樁周土體監(jiān)測，避免過大隆起。

(5)圍封法。采用混凝土框格等材料限制液化土層的側(cè)向變形，并利用建筑物底板作為地基表面混凝土蓋板，避免地基在地震時發(fā)生噴水、噴砂破壞。圍封法利用連續(xù)的水泥土攪拌樁形成墻體，施工速度快。不利條件是排水費用高，且不能解決地基松散問題，針對基礎(chǔ)變形和地基承載力問題需另外采取相應(yīng)措施，增加工程投資。

以本工程某水閘為例，地基液化層深度5m，處理深度至非液化層1m，布置樁長6m。按上述振沖法、排水強夯法、圍封法、復(fù)合載體夯擴樁等4種方式進行處理，投資分別約為1542、1213、1801、924元/m2，復(fù)合載體夯擴樁方案投資最低。

本工程為長距離輸水的線性工程，需進行地基處理的建筑物數(shù)量眾多且位置分散，結(jié)合本工程特點和與之類似的南水北調(diào)中線工程地基液化處理經(jīng)驗，引黃入冀補淀工程閘涵建筑物地基液化處理方式以復(fù)合載體夯擴樁為主，對于含分層水的復(fù)雜地基和需嚴格控制周邊地基變形的建筑物地基處理采用圍封法，本文僅介紹復(fù)合載體夯擴樁法。

4 地基處理設(shè)計

本工程地基處理的目的是在提高地基承載力的同時，部分或全部消除液化問題影響。夯擴樁復(fù)合地基的液化判別采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗法進行檢測［5］，承載力特征值通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗確定，復(fù)合地基單樁和處理后樁間土承載力特征值估算公式為：

式中，fspk—夯擴樁復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk—處理后樁間土承載力特征值，kPa，由于缺乏實測資料，可取原狀土承載力特征值；n—復(fù)合地基樁土應(yīng)力比，根據(jù)不同地層巖性和水泥碎石土的成樁材料取3～4；m—面積置換率；d—樁身平均直徑，m；de—單樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，m；采用等邊三角形布樁，s—樁間距，m。

復(fù)合土層的壓縮模量計算公式為：

式中，Ai—加固土層第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值；Aj—加固土層下第j層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值。

對于地震液化土層，采用復(fù)合載體夯擴樁進行處理，其處理范圍應(yīng)大于基底面積，在基礎(chǔ)外緣擴大寬度不應(yīng)小于基底下可液化土層厚度的1/2，且不小于5m［6］。設(shè)計樁徑根據(jù)相應(yīng)土層的密實程度確定為0.5～0.65m，對于嚴重液化土層和疏松土層樁間距取1.5m，中等液化土層和稍密土層取1.8m，樁長根據(jù)液化土層深度確定。

樁體設(shè)計底高程為液化土層底部以上約1m，夯擴樁影響范圍為設(shè)計樁底高程以下2m，至非液化土層以下1m左右。對于中等液化地基的有機質(zhì)壤土層，夯擴樁設(shè)計平均樁徑為600mm，樁中心距1.8m；對于嚴重液化地基的粉砂層、有機質(zhì)壤土層，夯擴樁設(shè)計樁徑為600mm，樁中心距1.5m；均為正三角形布置，樁體材料相同。

由于地基處理范圍均位于閘涵建筑物防滲輪廓范圍內(nèi)，為保證地基土的防滲效果，樁體采用水泥、碎石、粘性土復(fù)合材料，水泥摻量6%(土重)，碎石和水泥土比例為4∶6。處理后土層密實度大于原狀土，因此，地基抗?jié)B透能力會相應(yīng)提高。

經(jīng)估算，處理后各建筑物地基承載力提高到162～175kPa，各土層壓縮模量為5.46～8.32MPa，均滿足設(shè)計要求。

設(shè)計要求施工前，根據(jù)地質(zhì)條件在現(xiàn)場選擇有代表性的場地進行試樁、原位測試和室內(nèi)試驗，根據(jù)試驗成果，確定采用的各項設(shè)計參數(shù)，在取得參建各方對試驗成果同意的基礎(chǔ)上，按照批準(zhǔn)的設(shè)計參數(shù)進行大面積夯擴樁施工；水泥碎石土指標(biāo)可通過現(xiàn)場碾壓試驗進行檢驗。

5 檢測試驗

樁間土檢驗采用重型動力觸探或標(biāo)貫試驗，檢驗點數(shù)按樁總數(shù)的2%計。每一單體工程樁身及樁間土總檢驗點數(shù)均不應(yīng)少于6點，檢驗時間為成樁后7～14d。承載力檢驗采用復(fù)合地基載荷試驗，檢驗數(shù)量為總樁數(shù)的0.5%，且每一單體工程不應(yīng)少于3點，載荷試驗應(yīng)在成樁14d后進行。

為檢驗施工參數(shù)和處理效果，夯擴樁完成后，施工單位委托有資質(zhì)的檢測單位對地基液化是否消除采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗法進行了檢測［5］，檢測結(jié)果為處理深度范圍內(nèi)的地層不液化。

某閘地基處理前，地基承載力特征值為110kPa，壓縮模量2.6～4.7MPa，要求處理后承載力特征值不小于160kPa，載荷試驗最大沉降量不大于40mm。地基處理施工完成后，經(jīng)現(xiàn)場載荷試驗，在載荷達到320kPa時，最大沉降量32mm，處理后承載力-基礎(chǔ)變形曲線如圖1所示，地基承載力及沉降量均滿足設(shè)計要求。

圖1 夯擴樁處理后承載力-基礎(chǔ)變形曲線

6 結(jié)語

復(fù)合載體夯擴樁主要是對地基土進行擠密，改善土的物理力學(xué)性質(zhì)，提高地基土的承載能力和壓縮模量，減少土的壓縮變形，從而消除了土的液化問題。本工程處理前可液化土層的實測標(biāo)貫擊數(shù)3～8擊，平均值5.9擊；復(fù)合載體夯擴樁處理后，實測標(biāo)貫擊數(shù)10～16擊，平均值為12.5擊，地基承載力、變形均滿足設(shè)計要求，且消除了液化問題影響。

引黃入冀補淀工程河北段共有66座閘涵建筑物的液化、軟弱地基采用了夯擴樁進行處理，目前已有63座建筑物地基處理完成施工，從現(xiàn)場檢測資料來看，均滿足設(shè)計要求。由此可見，復(fù)合載體夯擴樁在引黃入冀補淀工程河北段地基處理中的應(yīng)用是成功的，對華北平原地區(qū)特別是黑龍港地區(qū)復(fù)雜地層上的水工建筑物地基處理具有指導(dǎo)意義。

［1］李書群.引黃入冀補淀工程初步設(shè)計報告［R］.2015.

［2］GB 50011-2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］GB/T 50783-2012.復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］SL 203-97.水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］NBT 35047-2015.水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］JGJ 79-2012.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［7］JGJ/T 135-2001.復(fù)合載體夯擴樁設(shè)計規(guī)程［S］.

［8］GB 50487-2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

TU472.3

B

1672-2469(2017)03-0036-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.015

2017-01-17

郭紹艾(1958年—)，男，教授級高級工程師。