饱和液化砂土地基的处理

摘要：本文通过分析饱和液化砂土的危害、成因及其影响因素，结合挤密砂石桩的施工，采取了合理的处理措施，消除了地基的地震液化问题，取得了施工工艺的突破。

关键词：南水北调；饱和液化砂土；地震液化；消除；挤密砂石桩

Abstract: Based on the analysis of hazards, causes and influencing factors of the saturated liquefied sand, we combined with the construction of the compacted sand pile, took the reasonable measures, so as to we eliminate the seismic liquefaction of the foundation, and make a breakthrough in the construction process.

Key words: South-to North water diversion; saturated liquefied sand; earthquake liquefaction; eliminate; compaction sand pile

中图分类号：F416.9文献标识码A 文章编号：

前言

南水北调工程中线河南段某标段长6.73km，其桩号SH(3)173+450～SH(3)174+320段长870米，其地基为砂性土均一结构，渠底板一般位于细砂中，局部位于重砂壤土顶部，渠坡主要由细砂构成。细砂（alQ4）厚3.0～11.6m，中等透水，土质不均，存在地震液化潜势，施工设计采取挤密砂石桩抗液化措施消除地震液化,确保渠坡稳定。其设计要点为：

a、挤密砂石桩直径600mm，桩间距2m，正三角形布置，桩长8.0m―11.0m。可液化砂土挤密后相对密度不低于0.75。

b、施工时由外向内施工，均匀分布，间隔（跳打）进行，逐步加密。

c、砂石桩填充材料采用级配良好，含泥量不大于5%，最大粒径不大于50mm的碎石。

其工程施工难点为：在常规振动沉管法施工中，发现振动沉管法很难穿透深度不一的细砂层（主要为风积砂，夹层多）。

1、饱和液化砂土地震液化的危害及其原因

1.1危害

饱和液化砂土地震液化将使地基软化，地面产生不均匀沉陷，影响南水北调渠道渠坡的稳定性和安全性，严重将导致渠道渠坡失稳后滑坡、损坏、破坏。

1.2原因

饱和砂土和土地振动是发生地震液化的必备条件。饱和砂土是砂和水的复合体系。在振动作用下，饱和砂土是否发生液化，取决于砂和水的特性。

砂土是散体物质，它主要依靠颗粒间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定；水是液体，它的突出力学特性是体积难于压缩，能承受极大的正面压力，但不能承受剪力。在地震过程中，疏松的饱和砂土在振动引起的剪应力反复作用下，砂粒间相互位置必然产生调整，而使砂土趋于密实，以期最终达到最稳定的紧密排列状态。砂土要变密实就势必排水，在急剧变化的周期性荷载作用下，每次孔隙度减小都要排挤出一些水，进而透水性变差。当砂土透水性不良、排水不通畅时，则前一周期的排水尚未完成，下一周期的排水又产生了，水将会越聚越多，而水又是不可压缩的，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。随着振动持续时间的增长，剩余孔隙水压力因不断地叠加而累积增大，必将导致砂土的抗剪强度不断降低，直至完全丧失，最终液化。

1.3影响砂土液化的因素

A、土的类型及性质

对液化砂土与未液化砂土的颗分表明，粉粒含量大有助于液化，粘粒含量大则不易液化。

主要原因是液化砂土的颗粒细小而均匀，透水性较差，又不具粘聚力或粘聚力很微弱，在振动作用下极易形成较高的超孔隙水压力，地震变密时有可能排挤出更多的孔隙水，因而易液化。相比之下，粘粒含量较高的土，属水胶连结，较强的粘聚力抑制了液化。而粗粒土，尤其当其级配不均匀，结构较密实时，透水性又较强，也是难以液化的。

此外，砂土的密实程度也是影响液化的主要因素之一。松砂极易液化，而密砂则不易液化。

B、饱和砂土的埋藏分布条件

饱和砂层埋藏条件主要包括饱水砂层的厚度、砂层上非液化粘性土层厚度以及地下水埋深这三方面，它们决定了超孔隙水压力和有效复盖压力的大小。

饱水砂层愈厚，地震变密时所产生的超孔隙水压力愈大，尤其当砂层较疏松时有可能排挤出更多的孔隙水，则愈易液化。

当液化砂层埋藏较深，上覆以较厚的非液化粘性土层时，由于受到较大的复盖层自重压力和侧压力，孔隙水压力很难上升到足以克服复盖层压力的程度，因而抑制了液化，而直接出露于地表的饱水砂层最易于液化。此外，当饱和砂层有不厚的夹层和粘性土层相结合时，也很少发生液化。

地下水埋深大小直接影响饱水砂土以上的覆盖层压力，显然，地下水埋深愈大，愈不易液化；反之愈易液化。

C、地震的强度及历时

地震的强度和历时是砂土液化的动力。显然，地震愈强、历时愈长，则愈易引起砂土液化；而且波及范围愈广，破坏愈严重。

地震历时的长短，直接影响超孔隙水压力累积上升。一般情况是:随振动延续时间加长，将引起超孔隙水压力不断累积上升，发生液化的可能性就愈大。所以，即使地震剪应力大小相同，但振动持续时间不同，对砂土液化也会有不同的影响。随着振动次数的增加，引起液化所需的应力比逐渐下降。

2、施工方法

挤密砂石桩是通过沉管的过程挤密砂土，提高砂土的密实度；再通过灌入砂石作为一个排水通道，将地震振动时因孔隙度减小所排出的水通过砂石引入到非液化层内，以达到排水的目的。这种方法即提高了砂土的密实度，又能将水排出，达到了消除饱和液化砂土的地震液化问题。

针对本施工段落存在深度不一的细砂层（风积砂），一般的振动沉管法无法施工，经过多种试验方法，最后确认长螺旋钻引孔法和柴油爆发组合锤法能够解决挤密砂石桩无法穿透细砂层的问题，完成施工内容。

2.1长螺旋钻引孔法

1、施工设备

走管式振动桩机DZ-75、螺旋钻孔机ZKL-25，装载机两台（斗容0.3m3）。

2、施工方法

工艺流程图：

（1）场地清理：施工前清除地表耕植土30cm，平整场地，清除障碍物。

（2）桩点布置图绘制：技术人员根据设计图纸编制好合理的编号，确认无误后后作为挤密砂石桩现场点位布置的依据。

（3）测量人员测量放线，定出控制轴线、施工区域边界线并标识。

（4）桩点布设：放线完成后，现场人员根据桩点布置图、现场已放出的控制轴线和施工区域边界线用钢卷尺定出各个桩点，现场技术人员对各桩点偏差进行校核无误后，用竹签对桩点进行标记。

（5）螺旋钻机就位：根据布点进行螺旋钻机桩点对位，现场技术人员用盒尺量得其偏差在5cm以内，并用靠尺检验垂直度不大于1%时进行引孔作业。引孔作业直至达到该桩设计桩深止（参照标记刻度），并记录施工开始时间。

（6）移动螺旋钻机：引孔完毕后提钻杆至地面，螺旋钻机移至下一个桩点。

（7）孔口清理：用装载机配合人工对孔口土进行清理，直至桩口无杂土，且地面较平整能进行下一道工序为止。

（8）桩机就位：移动振动成桩机使桩管对准孔口。

（9）沉管：启动桩机下管至设计标高，桩头为活门开关，沉管时闭合，严密形成密闭桩管，拔管时活门开启，可以下料。

（10）加料：从桩管上部往桩管内加2 m高的碎石料。

（11） 提管和反插：启动振动锤，边振动边提升桩管，活瓣在碎石重力作用下自动打开，碎石充满桩孔。每提升2 m反插1 次，每反插一次留振不少于20秒（留振至桩体密实桩管不能沉入为止）。记录反插次数，并用秒表记录反插时间。

（12）二次加料：检查管内石料，并用吊绳控制料斗进行空中二次加料到规定的石料用量，每提升2米振动反插一次，直到地面。记录装载机总共加料次数，并根据装载机每次的加料量计算每桩的实际填料量。算出充盈系数并记录。

（13）移位提升桩管到地面，移动桩管到下一个桩位，并记录施工结束时间。

（14）宇洋热线一段区域挤密砂桩工作完成后，对各点放线进行复核，检查、校核桩位置，发现偏差或漏点及时纠正。

2.2柴油爆发组合锤法

1、施工设备

走管式振动桩机DZ-75、柴油爆发锤DD-25，装载机两台（斗容0.3m3）

2、施工方法

该方法是将柴油爆发锤和振动锤组合在一起，先由振动锤往下沉管，当遇到风积砂无法沉管时，启用柴油爆发锤往下继续沉管，钻透风积砂层后，继续用振动锤沉管，直到打入设计桩长，填料采用振动锤填料，填料工艺和螺旋引孔填料一致。

施工工序和振动沉管法大部分一样，仅柴油爆发组合锤在振动锤无法贯穿风积砂时使用，其他均用振动锤。

3、检验方法

施工后应间隔一定时间方可进行质量检验。对饱和粘性土地基应待孔隙水压力消散后进行，间隔时间不宜少于28天；对粉土、少粘性土和杂填土地基，不宜少于7天。

（1）检验方法：对桩间土可采用标准贯入、静力触探、动力触探或其他原位测试等方法。桩间土质量的检测位置应在等边三角形的中心。

（2）检验标准：施工后应满足挤密砂石桩长度超出液化土层深度不小于0.5m，并且处理深度范围内土层处理后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，达到不液化的要求。

（3）检验数量：检验点数量不应少于桩孔总数的2%，检验深度应不小于设计处理的深度。

挤密砂桩地基质量检验内容

通过检验，已施工的砂石桩满足质量要求，达到了地基处理目的。

长螺旋钻引孔 柴油爆发组合锤