輸電線路消除地基液化措施初探

寧昭曄

（陜西省電力設計院，西安 710054）

1 土體液化的判別及形成機理

1.1 液化土的概念及危害

“液化”一詞的定義比較多，雖略有不同，但不存在原則上的分歧。1978年美國土木工程師協會巖土工程分會土動力學委員會對“液化”一詞的定義是“液化——將任何物質轉變為液態的作用或過程”；美國的Seed H.B.對土體液化的概念性解釋為“峰值循環孔隙水壓力比（峰值循環孔隙水壓力與初始有效約束壓力之比）達到100%的初始液化”；汪聞韶給無黏性土液化的定義是“物質從固體狀態轉化為液體狀態的行為和過程”。“液化”宏觀上表現為土體出現類似液體的狀態，主要在飽和無黏性砂土或稍具粘性的土中發生；微觀上表現為不排水條件時，在重復或單向動荷載作用下，土體顆粒處于懸浮狀態，孔隙水壓力增加，有效應力減小，抗剪強度降低甚至消失，由固體狀態轉變為液體狀態。這種受外力震動作用具備土體液化條件的土體稱為液化土。土體液化后，地面常可能出現噴砂冒水和塌陷現象。

粉土、砂土液化的主要影響因素有：土的類型和性質，飽和粉土、砂土的掩藏分布條件以及地震等動荷載的強度和歷時。在粉土或砂土分布廣泛的地區，地震液化是導致地基失穩和上部結構受損的直接原因之一。

1.2 地基液化的機理

地基液化的危害早己為人熟知，強烈液化的宏觀標志是“噴水冒砂”和建、構筑物嚴重沉降、失穩，但對液化機理的認識，卻有2種明顯不同的觀點。

一種觀點從液化的應力狀態出發，液化條件為土的法向有效應力滓'越0，土體已不具有任何抵抗剪切的能力。這種觀點以Seed為代表，認為當土在動荷載作用下的任何一個瞬間開始出現這種應力狀態時，即達到了初始液化狀態。此后，在往復荷載的持續作用下，周圍土體輪番出現初始液化狀態，使土的動變形逐漸積累，最后出現土的整體強度破壞或超過實際容許值的變形失穩。這種過程均需有初始液化狀態的出現，否則將不會有液化破壞。從這一觀點出發，液化的研究將著重于確定飽和砂土達到初始液化的可能性及其范圍，同時視初始液化的點或范圍內的土具有零強度值，來分析土體的應力、應變以及穩定性。

另一種觀點從土體位移、變形的角度出發，認為土體不必達到初始液化的應力條件，卻由于結構破壞和孔壓上升而引起強弱化，出現具有液化狀態的流動破壞，就認為土體已經液化。

1.3 砂土液化的影響因素

液化在砂土、粉土甚至礫石中都可能發生，影響液化的因素有：1）顆粒級配，包括粘粒、粉粒含量，平均粒徑在D50；2）透水性能；3）相對密度；4）結構；5）飽和度；6）動荷載，包括振幅、持時等。

砂土液化的必要條件是：

1）距荷載中心較近，且震級大于5級；

2）地下水位較高，地層中有飽和粉土、砂土層；

3）土顆粒直徑為0.21耀1.00 mm。

表1～4給出了地基液化與各種因素的關系。

表1 震動液化層的粒徑與級配

表2 液化層觀察資料

注：噴出的顆粒比地基液化砂土顆粒細，可能是由于噴出過程中帶出了上覆土層細粒土的緣故。我國常見的液化土層為飽和中砂、細砂、粉砂和黏性土（黏粒含量<15%～20%，塑性指數<3）。

表3 飽和粉土、砂土相對密度與振動液化關系

表4 上覆壓力與振動液化關系

從形成砂土液化的條件可以看出，砂土的相對密度和粗度及級配是產生砂土液化的必要條件。要防治液化現象，就主要從增加砂土相對密度、改變顆粒級配入手，消除土層形成液化的條件，即一是降低砂土層的空隙率，減少孔隙水，使孔隙水形不成巨大的空隙壓力液化砂土層；二是在砂土層中摻入粗顆粒，減少顆粒浮動，改變液化條件。

1.4 液化土的判別方法

我國規范[1]根據1971年以前8次大地震的數據，參考美國、日本的有關研究成果，給出了以臨界標準貫入擊數為指標的粉土、砂土液化判別公式。現行規范[2]通過對海城、唐山地震的系統研究，結合國外大量資料，對原規范進行了修改，采用了兩步評判原則，并對臨界標貫擊數公式進行了修改，使之更符合實際。在國標[3]中，對此又進行了補充，給出了液化比貫入阻力臨界值和液化剪切波速臨界值公式，用來進行液化判別。現階段工程建設中，基本上沿用上術兩步評判原則，采用了臨界標貫擊數判別方法，現行規范[2]給出了臨界標貫擊數的計算公式。這些規范在我國工程界得到了廣泛應用。

液化判別是指地基是否會發生液化，液化危害程度是指地基液化程度。傳統液化判別和危害程度評價方法多是在宏觀地震災害現象資料、現場試驗和室內試驗基礎上總結、分析、統計得出的規律。目前液化危害程度評價的量化公式較少，常用液化指數法、概率分析方法以及震陷值方法來綜合評價液化等級。國內外用于砂土液化的判別方法種類繁多，但由于砂土液化問題的復雜性，每種方法都有一定的運用范圍和局限性。

傳統液化判別方法大致可歸納為現場實驗、室內實驗、經驗對比、動力分析4大類。

1）現場試驗法。其判別的基本原理是：在宏觀地震液化和非液化區域，依據現場試驗測得判別指標的數據，通過分析、統計和總結，建立與宏觀地震災害資料之間的關系，得出經驗公式或液化分界線來判別液化與否。主要為標準貫入臨界擊數判別法（SPT），當飽和砂土或飽和粉土標準貫入錘擊數N63.5實測值小于Ncr確定的臨界值時，應判定為液化土。

式中，Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值，按表5取值；ds為標準貫入實驗點深度，m；dw為地下水位深度，m；籽c為黏粒含量百分率，當小于3或為砂土時，均應采用3。

表5 標準貫入錘擊數基準值

此方法比較直觀，且可以考慮多個影響飽和砂、土液化的因素，許多建筑物抗震設計規范都是采用此類方法，避免了室內試驗中土樣擾動等問題，具有較強的實用性和可靠性。

2）室內試驗法。這類方法根據室內試驗模擬現場條件，確定土體的抗液化強度，同時用設計地震資料計算地震動應力指標，比較兩者大小，判別液化與否。研究人員采用的主要室內試驗有：各種類型的循環三軸壓縮試驗、共振柱試驗、循環剪切、循環扭剪、振動臺、離心機模型試驗。這類方法以Seed和Idriss提出的抗液化剪應力法為代表，還包括以后改進的一系列方法以及基于其基本思想提出的其他判別法。

此類方法主要用于判別在大型建筑物地基中和土工結構物中的飽和砂土的液化。它可根據建筑物的具體形狀、場地邊界、排水條件等，在實驗室中進行模擬，并根據實際經驗對結果給予修正。此類方法存在取樣困難、應力釋放和試樣應力狀態與實際差異較大等缺陷。試驗參數確定以及如何更好地模擬土體的現場情況是提高室內試驗方法判別可靠度的關鍵。

3）經驗對比法。根據宏觀震害總結的經驗，提出液化判別標準。例如Seed和水利水電工程地質勘察部門提出的相對密度判別法。

4）動力分析法。動力分析方法主要有等效線性總應力動力分析法和有效應力動力分析法2種。前者不考慮孔隙水壓力的升高對土動力特性的影響，后者則反之。為了考慮土的非線性特性，主要采用有限元法評價土體的液化特性。

動力分析方法適用于自由場地，也適用于判別重要建筑物地基中和土工結構中飽和土體液化 (土體的受力狀態和幾何邊界比較復雜，需要單獨的試驗研究和計算分析)。它綜合考慮了地震動力特性、地形地質條件、荷載作用、邊界條件等多種因素的影響，還可以研究地震過程中及以后液化區的發生、發展過程。動力分析方法需要由室內試驗確定土的若干動力特性參數以及復雜的計算分析，因此在實際工程中應用較少，目前只在一些重大工程中適用。

工程中多建議采用現場實驗法,此種方法簡便，且有操作性強，能夠很好結合現有文獻地震液化資料，通過現場試驗、土動力試驗以及經驗公式得到液化指標。

2 土體液化地基處理措施

液化地基處理恰當與否，關系到整個工程的質量、投資和進度，其重要性已越來越多地被人們所認識。根據液化地基的影響，改善建、構筑物抗液化能力的方法也分為2類：一是處理地基，使其不液化；二是提高結構強度,降低液化的影響，如采用深基礎穿透可液化土層等。在輸電線路工程中，除沙漠地區外，一般線路可液化地基分布并不廣，桿塔位不多，考慮工程外部條件和施工條件，強夯法和干振碎石樁法是首選的地基處理手段，當基礎外緣較近范圍內無重要構筑物且運輸方便時，強夯法是最理想的地基處理方法。

2.1 強夯法

強夯法處理地基是20世紀60年代末Menard技術公司首先創立的，該方法將80～400 kN重錘從落距6耀40 m處自由落下（見圖1），給地基以沖擊和振動，從而提高地基土的強度并降低其壓縮性。強夯法常用來加固碎石、砂土、粘性土、雜填土、濕隱性黃土等各類地基土。由于其具有設備簡單、施工速度快、適用范圍廣、節約三材、效果顯著等優點，經過20多年來的應用與發展，強夯法處理地基受到各國工程界的重視，并得以迅速推廣，取得了較好的經濟效益和社會效益。

圖1 強夯法施工

由于強夯處理的對象(即地基土)非常復雜，一般認為不可能建立對各類地基土均適合的具有普遍意義的理論，但對地基處理中經常遇到的幾種類型土，還是有規律可循的。實踐證明，用強夯法加固地基，一定要根據現場的地質條件和工程要求，正確選用強夯參數，一般通過試驗來確定以下強夯參數。

1）有效加固深度。有效加固深度既是選擇地基處理方法的重要依據，又反映了處理效果。

2）單擊夯擊能。單擊夯擊能越錘重伊落距。

3）最佳夯擊能。從理論上講，在夯擊能作用下，地基土中的孔隙水壓力達到土的自重壓力，這樣的夯擊能稱最佳夯擊能。在砂土中，孔隙水壓力增長及消散過程僅為幾分鐘，因此孔隙水壓力不能隨夯擊能增加而疊加，可根據最大孔隙水壓力增量與夯擊次數關系來確定最佳夯擊能。

夯點的夯擊次數，可按現場試夯得到的夯擊次數和夯沉量關系曲線確定，其應同時滿足下列條件：淤夯坑周圍地面不應發生過大隆起；于不因夯坑過深而發生起錘困難；盂每擊夯沉量不能過小，過小無加固作用。夯擊次數也可參照夯坑周圍土體隆起的情況予以確定，就是當夯坑的豎向壓縮量最大，而周圍土體的隆起最小時的夯擊數。對于飽和細粒土，擊數可根據孔隙水壓力的增長和消散來決定，當被加固的土層將發生液化時的擊數即為該遍擊數，以后各遍擊數也可按此確定。

4)夯擊遍數。夯擊遍數應根據地基土的性質確定，地基土滲透系數低，含水量高，需分3～4遍夯擊，反之可分2遍夯擊，最后再以低能量“搭夯”1遍，其目的是將松動的表層土夯實。

5)間歇時間。所謂間歇時間，是指相鄰2遍夯擊之間的時間間隔。Menard指出，一旦孔隙水壓力消散，即可進行新的夯擊作業。

6)夯點布置和夯點間距。為了使夯后地基比較均勻，對于較大面積的強夯處理，夯擊點一般可按等邊三角形或正方形布置夯擊點，這樣布置便于強夯施工。由于基礎的應力擴散作用，強夯處理范圍應大于基礎范圍，其具體放大范圍，可根據構筑物類型和重要性等因素考慮確定。

夯點間距根據所要求加固的地基土性質和要求處理深度而定。當土質差、軟土層厚時，應適當增大夯點間距；當軟土層較薄而又有砂類土夾層或土夾石填土等時，可適當減少夯距。若夯距太小，相鄰夯點的加固效應將在淺處疊加而形成硬層，影響夯擊能向深部傳遞。

強夯法理論計算較為復雜，參數取值不易得到，當地下水位較高時，強夯容易造成局部隆起，地基不易密實，加之輸電線路桿塔基礎范圍較小，強夯法工程應用相對較少，缺少相對成熟的經驗，所以輸電線路一般不采用。

2.2 振沖碎石樁

振沖碎石樁是以起重機吊起振沖器，啟動潛水電機帶動偏心塊，使振沖器產生高頻振動，同時開動水泵，通過噴嘴噴射高壓水流。在振動和高壓水流的聯合作用下，振沖器沉到土中的預定深度，然后經過清孔工序，用循環水帶出孔中稠泥漿，此后就可從地面向孔中逐段添加填料（碎石或其他粗粒料），每段填料均在振動作用下被振擠密實，達到所要求的密實度后提升振沖器；再于第二段重復上述操作，如此直至地面，從而在地基中形成一根大直徑的密實樁體，與周圍土共同工作，形成復合地基。

2.2.1 擠密作用

在施工過程中通過高壓水流的沖擊，使松散軟砂土處于飽和狀態，砂土在強烈的高頻強迫振動下產生液化，并使顆粒重新排列致密；且在樁孔中填充粗骨料后，粗骨料被強大的水平激振力擠入周圍砂土中，這種強制擠密使砂土的密實度增加，空隙比降低，干密度和內摩擦角增大，土的物理力學性能得到改善，使地基土承載力大幅度提高，抗液化的性能得到改善。

2.2.2 排水減壓作用

振沖碎石樁加固砂土時，樁孔內填卵石等過濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能好的人工豎井排水減壓通道，可有效地消除和防止超孔隙水壓力的增高，從而使砂土產生液化，并可加快地基土的排水固結。

2.2.3 砂基預震效用

有研究表明，經過預震液化后重新固結的砂土，其抗液化能力比未經預震的砂土要高。在采用振沖法施工時，振沖器以1 450次/min的高頻率振動，使砂土在被擠密的同時獲得強烈的預震，這對砂土增強抗液化能力是極為有利的。

某輸電線路工程采用振沖碎石樁布置（見圖2），單樁尺寸和樁間距（見圖3），處理范圍為鐵塔基礎底板向外4.5 m，碎石樁樁徑0.4 m，碎石樁間距1.3 m，呈網格狀布置。

圖2 振沖碎石樁平面布置圖

圖3 振沖碎石樁垂直拋面布置圖

振沖碎石樁是消除地基液化最有效的方法之一。采用振沖碎石樁處理液化地基與其他方法相比，施工快，節約投資，因此，是輸電線路常用的液化地基土處理方法。

2.3 聯梁樁基礎

聯梁樁基礎是一種常見的深基礎型式，把樁身用混凝土梁連接起來是為了提高基礎的整體剛度，更好地抵御外力作用，消除地基液化對基礎的影響。當液化土層較厚時，樁身可穿透全部液化土層，并將樁底設置在較為堅硬的非液化土層上。對碎石土、礫、粗、中砂，堅硬粘性土和密實粉土，樁端深入深度不應小于0.5 m，對其他非巖石土不小于1.5 m。

聯梁樁基礎是輸電線路工程常用的基礎型式，設計與施工經驗相對豐富。對于厚度較大且埋藏較深的液化土層，一般采用鉆孔灌注樁的方法來消除液化土層對基礎的影響，缺點是樁基造價較高，且對施工設備和施工場地的要求較高。

3 小結

規程規定[4]，大跨越桿塔及特殊重要的桿塔基礎，當位于地震烈度為7度及以上的地區，且場地為飽和砂土和飽和粉土時，或對220 kV及以上的耐張型轉角塔基礎，當位于地震烈度為8度以上時，均應考慮地基液化的可能性，并采取必要的穩定地基或基礎的抗震措施。在輸電線路工程建設中，應根據荷載大小、線路重要性、工程投資、施工環境等因素綜合考慮，選擇最有效的地基處理方法和基礎型式，消除地基液化對工程的影響。

[1]國家基本建設委員會建筑科學研究院.TJ11-78工業與民用建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，1984.

[2]中華人民共和國建設部.GB 50011-2001建筑抗震設計規范[S].2001.

[3]中華人民共和國建設部.GB 50021-94巖土工程勘察規范[S].1994.

[4]東北電力設計院.DL/T 5219-2005架空送電線路基礎設計技術規定[S].北京：中國電力出版社，2005.