擠密砂樁在南水北調工程砂土液化地基處理中的應用

□尚 杰 □孫福全(河南水利第一工程局)

□趙 辰(華北水利水電學院水利職業學院)

在外荷載作用下，飽和砂土地基可能從原來的固態轉化為液態即液化，從而造成堤壩的破壞或地基的失穩，造成災害。在20世紀六、七十年代幾次大的地震如日本的新潟大地震、美國的阿拉斯加大地震、中國的唐山大地震，均因液化導致堤防及其他建筑物的大規模破壞。

1.工程概況

南水北調中線一期工程總干渠沙河南～黃河南鄭州一段賈魯河河渠段和賈峪河河渠段地層巖性主要為全新統沖積層。根據顏色和沉積韻律分上、下兩部分。全新統下部沖積層（alQ41）：分布于河床、漫灘及階地部位，下伏中新統重粉質壤土。地層巖性為砂壤土、輕粉質壤土，其間夾有腐殖質、淤泥質輕粉質壤土和淤泥質砂壤土、薄砂層和砂礫石透鏡體，巖性變化大。全新統上部沖積層（alQ42）：主要分布于賈魯河、賈峪河的河床、漫灘部位，地層巖性為黃土狀輕粉質壤土、淤泥質砂壤土為主，局部夾有砂和砂礫石透鏡體，厚度變化大。場區勘探深度范圍內地下水類型為第四系松散層孔隙潛水，主要賦存于輕壤土、粉細砂、砂壤土層中。勘察期間地下水位高程在98.00m以下，地下水主要接受賈魯河、賈峪河河水常年補給。

賈魯河河谷與賈峪河河谷填方段地基土為輕粉質壤土，具有非自重輕微～中等濕陷性，最大濕陷深度8m，且具有地震液化潛勢，液化深度4m。

本段場區范圍內的斷裂晚新世來活動性較弱，不存在發生強震的構造條件。

2.砂土地基處理的原理

2.1 砂土液化機理

飽和砂土是由砂和水組成的復合體系，在振動或荷載作用下，飽和砂土的液化取決與砂和水的特性。飽和砂層受到外力作用時，由砂與水共同承擔和傳遞，并按下式進行分配：

式中：σ—由外力引起的總應力；σ'—砂骨架中產生的應力，成為有效應力；μ—水中產生的應力，成為超孔隙水壓力。

液化實質是土體孔隙水壓力的積累和地基承載力逐步喪失的過程，而無粘性土的液化既受內在條件的影響，同時又受到外界因素的制約（指動荷、水位等），因此對某一場地土體而言，如能增加密實度、改變其應力狀態等，就可能取得滿意的抗液化處理效果。

2.2 常用可液化土處理方法

對于可液化砂層，目前成熟的處理方法較多，其中強夯法、振沖碎石樁法和擠密砂樁法是比較常用的集中。

2.2.1 強夯法又稱動力加固法，常以500～800KN·m的沖擊能量對地基上施加沖擊荷載，在地基中產生較大的沖擊波和動應力，使土的強度提高，壓縮性降低，振動液化條件得以改善，但其影響深度有限，只能達到10m左右，且其振動強、噪音大，容易對臨近建筑物形成破壞和影響周圍居民的正常生活，因此該法越來越少被采用。

2.2.2 振沖碎石樁是用水力振沖器或重錘沖擠等施工工藝成孔，填以碎石，使之置換部分可液化砂土，提高地基承載力，改善振動液化條件。由于其排出大量泥漿而使環境受到污染，因此現在使用也是越來越少。

2.2.3 擠密砂樁是利用預沉管成孔，然后填以中粗砂，使之擠密可液化砂層，提高地基承載力，改善振動液化條件。南水北調中線一期工程總干渠沙河南～黃河南段工程曾對該法進行過工程試驗，驗證了擠密砂樁對砂土液化地基處理的可行性。

3.擠密砂樁在南水北調工程中的實際應用

3.1 設計要求

賈魯河倒虹吸地質共分5層，其中第一層以砂壤土為主，砂壤土屬于可液化地層，影響邊坡的穩定，需要處理。賈峪河河道倒虹吸對于基礎位于具有可液化的輕粉質壤土部分也要進行處理。

為了減小砂壤土的孔隙比，提高地基承載力，降低砂壤土壓縮性，提高抗液化能力，設計要求對具有液化性砂壤土、輕粉質壤土做擠密砂樁地基處理。

擠密砂樁地基處理設計參數如下：樁徑500mm，樁底設計高程99.94m，樁長10～12m，樁間距1.5m，正三角形布置，處理后設計臨界標貫擊數11。

3.2 擠密砂樁施工機具的選擇

擠密砂樁施工，采用KmZ-12000A型振動沉樁機施工。用振動沉樁機將帶活瓣樁尖的與砂樁同直徑的鋼樁管沉下，灌注砂填充料，振動拔管即成。振動力控制在30～70KN，拔管速度控制在1～1.5m/min范圍內。

3.3 測量放樣

首先采用GPS或全站儀放出A區的邊線，標識出各個控制樁，撒石灰作標識。在試驗區域，再把一端系有紅線繩的一次性筷子打入孔心，并對樁點按先后順序編號、記錄。

3.4 施工

3.4.1 樁位布置

樁位按設計要求等邊三角形布置，樁徑0.5m，樁中心距為1.5m。

3.4.2 樁機就位：首先檢查樁機的平整度和樁管的垂直度，檢查時采用全站儀按水平、垂直兩個方向進行檢查，垂直度滿足設計要求，使樁尖與樁位對中，樁位偏差滿足設計要求。

3.4.3 成樁：嚴格控制樁管沉入深度，確保樁長達到設計要求。

3.4.4 灌砂：樁管達到設計標高時，開始上料，上料時控制灌砂量，按照設計砂量的1.1～1.4倍進行灌入，若樁管中一次裝不下所要灌入的全部砂量，可以在振動過程中補足。若地面沉或隆起時，可適當增加或減少砂量。

3.4.5 拔管、樁管下沉：第一次把樁管提升50～100cm，提升時樁尖自動打開，樁管內砂料流入孔內。樁管按規定速度降落樁管，振動擠壓15～20s（觀察料斗中砂料的變化，如砂料不減少，說明樁尖沒打開，要繼續提升樁管，直到樁尖打開為止）。

3.4.6 沉樁過程中的振動擠密：每次提升樁管50cm，擠壓時間為樁管難以下沉為宜，如此反復升降壓拔樁管，直至所灌砂將地基擠密。

3.4.7 完成該樁灌砂量，樁管提至地面，樁管移到下一樁位。

4.實際處理結果

通常標準貫入試驗錘擊數和靜力觸探比貫入阻力是判別砂土是否可液化的指標，因此，在擠密砂樁施工前后，試驗段均進行了標貫和觸探試驗。考慮到國標《建筑抗震設計規范》（GB5011-2001）推薦利用標準貫入試驗判別砂土液化，本文采用國標方法進行試驗成果整理如下：

表1 擠密砂樁施工前后標貫結果分析結果表

在擠密砂樁加固范圍內，處理前平均擊數為10.4，處理后平均擊數為17.4，每層標貫擊數均大于臨界值，且大于設計要求的11擊。這反映了經過處理后，砂樁的擠密效果很明顯，大幅度提高了地基強度，砂土層達到中等密實以上。

5.結語

通過擠密砂樁在南水北調中線工程鄭州1-1標中的應用，通過對擠密砂樁處理前后標準灌入試驗和靜力觸探試驗結果分析，表明擠密砂樁對加固軟弱土層有較好的效果，非常適合在本工程中進行使用。

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