液化砂土处理措施在南水北调中线总干渠渠道设计中的应用（冯瑞军李庆亮陈相龙）

专注地信 · 发表于 2011-7-19 10:12

摘要：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。文章就潮河段渠道设计为例，介绍总干渠饱和砂土地震液化处理措施。
关键词：南水北调；渠道；地震液化；处理
一、工程概述
南水北调中线总干渠潮河段工程南起新郑市梨园乡冯庄村，向东经龙王，中牟县三官庙、张庄街，止于郑州市魏庄学校东南，渠线全长45.85km，沿线地形变化较大，所经地貌单元主要为松散土覆盖岗地、河谷平原、冲洪积平原和砂丘、砂地等。渠道建成运行后，由于渠道渗漏使地下水位抬升等因素，可使现处于非饱和状态的砂土和少粘性土将来呈现饱和状态。渠道沿线穿越地震液化段累计长度约30.63km，地震液化时，将造成渠道沉陷、明显的倾斜甚至滑坡，并在岸坡后面产生沿岸的大裂缝或大量纵横交错的裂缝，对工程的安全运行产生严重危害，因此，采用了多种处理措施防止土层液化。
二、液化砂土的机理
松散的砂土受到震动时有变得更紧密的趋势。当饱和砂土的孔隙全部为水充填时，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，这就使原来的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，变成像液体一样的状态，即通常所说的砂土液化现象。
三、影响砂土液化的因素
根据已有经验表明，影响砂土液化最主要的因素为：土颗粒粒径、砂土密度、上覆土层厚度、地面震动强度和地面震动的持续时间及地下水的埋藏深度等。见影响液化因素表。
四、饱和砂土地震液化处理工程措施及影响分析
考虑到影响液化的因素，液化砂土的处理原则就是改善土质条件和排除孔隙水的条件，提高土的密实度或透水性，从而提高其抗液化的能力。液化砂土处理的方法主要有：挤密砂桩法、强夯法、换填非液化土层法、填土压重法、混凝土连续墙或其他方法围封可液化地基。
上述方法均可解决砂土液化问题，设计中根据潮河段砂土的液化等级、液化深度及埋深、渠道与附近建筑物的相对位置以及渠道安全的重要性等因素，对沿线渠道选择技术可行经济合理的处理方案。

影响液化因素表

（一）挤密砂桩法
对于液化土层厚度或埋深>7m 的渠段，同时考虑液化渠段附件建筑物对施工条件的限制，如净空不能满足夯垂设计落距等，对部分液化深度较薄的渠段，均采用挤密砂桩法处理。潮河液化渠段中，液化土层主要为细砂、砂壤土及轻壤土等松散土层，挤密砂桩采用能使地基挤密更加均匀的等边三角形布置形式。
松散粉土和砂土地基的桩径根据挤密后要求达到的孔隙比e1 来确定。等边三角形布置

式中: s 为砂石桩间距(m)；d 为砂石桩直径(m)；ξ为修正系数，当考虑振动下沉密实作用时，可取1.1～1.2；不考虑振动下沉密实作用时，可取1.0；e0为地基处理前砂土的孔隙比，可按原状土样试验确定，也可根据动力或静力触探等对比试验确定；e1为地基挤密后要求达到的孔隙比；
emax、emin为砂土的最大、最小孔隙比，可按现行国家标准《土工试验方法标准》GB/T50123 的有关规定确定；
Dr1 为地基挤密后要求砂土达到的相对密实度，可取0.70～0.85。
桩长及处理范围：挤密砂桩的桩长穿过液化土层。其处理范围在基础外边缘的扩大宽度不小于液化土层的1/2，且≥5m。
挤密砂桩处理后，在增加了土体的密实度及不均匀系数的同时，改善了土体的排水条件，并通过部分置换，与土体形成复合地基，提高了土体的抗液化能力。
（二）强夯法
对于液化土层较薄或埋深<7m 的渠段，在不影响强夯范围附近建筑物及构筑物的安全及正常使用时，采用强夯法处理饱和砂土地震液化问题。
夯锤技术参数按下式计算:

式中: Z 为消除液化土层的厚度（m）；Q 为夯锤质量（t）；H 为夯锤落距（m）；a 为因土质而异的修正系数，一般取0.3～0.5。强夯处理范围：基础处理范围超出基础外缘的宽度，每边不宜小于处理土层厚度的1/2，并不应<3m。
强夯处理后，增加了土体的密实度及超固结比，提高了土体的抗液化能力。
（三）换填法
对于液化土层较薄且埋藏深度相对较浅渠段，采用换填非液化土层，处理砂土液化问题。其填筑标准用设计填筑干密度和设计填筑含水量控制。
基础处理范围超出基础外缘的宽度，每边不宜小于处理土层厚度的1/2，并不应<3m。换填土中粘性土含量增大，提高了土体的抗液化能力。
（四）填土压重法
潮河段部分渠段为填方渠段，液化土层上方局部填高可达12m，在7 度地震起，当上覆土层厚度>7m 时，不必进行特殊的液化处理，因此可仅对上覆土层未达到7m的渠基采用其他措施进行处理，如下图。

填土压重法处理方案典型断面图但上述措施中，填土压重处理范围内，虽然不会发生喷水冒砂等宏观液化现象，但可能发生微观液化，降低地基的强度。渠道可能由于在不均匀基础上沉降的差异，产生沉降裂缝，致使渠道防渗失效，进而发生滑坡、溃堤，对工程的安全运行产生严重危害。因此，填土压重方案不适于潮河段填方渠道饱和砂土地震液化处理。
（五）混凝土连续墙或其它方法围封可液化地基
围封是用板桩把可能液化的范围包起来，防止或减轻建筑物下方液化土层因侧向流动而产生不均匀沉陷。由于潮河段液化渠段较长，沿线断续分布的液化土层在液化深度、液化等级等方面差异较大，围封效果很难控制且投资较大；另一方面，板桩围封后，可能截断渠道两侧地下水的联系，对渠道两侧的生态环境产生较大的影响，因此，板桩围封方案不适用于南水北调渠道饱和砂土地震液化处理。
（六）综合处理方案
潮河段渠线较长，沿渠液化土层采用单一处理措施，技术可行，效果明显，但采用多种处理方案相结合的措施，其处理效果同样显著，且更加经济合理。如对液化土层深约8m的渠段，采用先开挖1m后，再强夯，然后回填至基面的工程措施，相对挤密砂桩处理措施投资节省约30％。
五、结语
盖重法、挤密砂桩法虽然已在工程中得到广泛的应用，但是有关强夯等处理方法的机理研究，至今尚未取得满意的结果，还没有形成一套成熟的设计计算方法；填土压重下方液化土层在经过地震液化后，土层的沉降量还没有一套成熟可信计算方法。上述问题还需要经过长时间的试验、研究及观测，前期的工作周期将会延长，影响工程的通水目标。鉴于南水北调工程的重要性及渠道破坏后的危害性，暂不考虑填土压重的影响，并对强夯、挤密砂桩等处理措施，在施工前需选择有代表性的渠段进行试验，选择合适的施工参数进行施工，确保工程的长期安全可靠运行。