抗震平臺法在處理地基液化中的應(yīng)用

王先忠

(河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008)

1 工程概況

河南省出山店水庫是淮河干流上的大型防洪控制工程，其上游河流長度124km，控制流域面積2900km2，多年平均流量35.2m3/s，多年平均年徑流11.1億m3，多年平均懸移質(zhì)年輸砂量73.1萬t，是一座以防洪為主、結(jié)合供水、灌溉、兼顧發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程，總庫容12.51億m3。水庫正常蓄水位為88.0m，汛期限制水位86.0m，死水位84.0m，5年一遇洪水位88.0m，20年一遇洪水位92.3m，防洪高水位(p=1%)94.80m，水庫按1000年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計洪水位為95.78m，10000年一遇洪水校核，校核水位98.12m，大壩型式為混合壩型，主壩軸線長3694.57m，其中土壩段長3265m，混凝土壩段長429.57m(含連接壩段)，壩頂高程100.4m，最大壩高40.6m，迎水面半坡高程91.01m。河南省出山店水庫工程為Ⅰ等工程，主壩[土壩段、混凝土壩段(溢流壩段、底孔壩段、電站廠房壩段、南灌溉洞壩段、連接壩段)]、副壩、北灌溉洞等主要建筑物級別1級，次要建筑物級別為3級，臨時建筑物施工圍堰及導(dǎo)流明渠為4級建筑物，電站廠房級別為5級。

導(dǎo)流明渠總長1264.75km，明渠采用40cm的鉛絲石籠護砌。

Ⅰ級階地段長1.1km、壩高19.4m，壩型為黏土心墻壩，結(jié)構(gòu)形式主要為黏土心墻與壩殼砂料之間鋪設(shè)反濾層，上游壩坡采用混凝土連鎖塊護砌、下游壩坡采用混凝土預(yù)制塊護砌。Ⅰ級階地段上游95m高程設(shè)22m寬壓重臺、下游95m高程設(shè)25m寬壓重臺。Ⅰ級階地存在壩基軟土穩(wěn)定問題、壩基滲漏及滲透變形問題、壩踵部位飽和砂土地震液化問題，針對上述地質(zhì)問題，采取防滲帷幕進行垂直防滲、采取擠密砂樁進行砂土地震液化處理及壩基軟土的排水固結(jié)及置換處理。

混凝土壩段壩基巖性為弱—微風(fēng)化加里東晚期中粗粒黑云母花崗巖，該層分布于礫石層之下。

混凝土壩段開挖料涉及砂礫及花崗巖，花崗巖強風(fēng)化層厚度較薄，為0～13m，一般厚1.4～2.8m，預(yù)計開挖料狀態(tài)呈碎塊—次塊狀；花崗巖弱風(fēng)化層呈塊狀。導(dǎo)流明渠位于壩址區(qū)土壩段南側(cè)，后期拆除料涉及砂礫、碎石、塊石等，鉛絲石籠塊石料約7萬m3。

2 Ⅰ級階地地層結(jié)構(gòu)

Ⅰ級階地地層結(jié)構(gòu)整體屬土、巖雙層結(jié)構(gòu)，其中上部第四系地層具河流相二元結(jié)構(gòu)特征；下伏基巖主要為古近系紅色巖系，主要為紫紅色(砂質(zhì))黏土巖、砂巖、礫巖，在Ⅰ級階地前緣之古近系與花崗巖不整合接觸面之上，夾有斑脫巖，屬弱透水性。

上覆上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)地層，具二元結(jié)構(gòu)，總厚度11～16m，局部達18m。其中上部為厚2～4m的第四系全新統(tǒng)黏性土層，地層巖性為黃色-褐黃色低液限黏土(重粉質(zhì)壤土)，屬弱透水性。中部為厚8～10m的第四系全新統(tǒng)砂層，巖性為褐黃-黃色-灰黃色級配不良砂(細砂、中粗砂、含礫砂層)，屬中等-強透水性；級配不良砂細化分為三層：上層顆粒以細砂為主，中層顆粒以中粗砂為主，下層顆粒以含礫中粗砂為主。土、砂層之間及砂層中局部夾有灰色、含有機質(zhì)的軟土層，極軟-軟；該層上疊于上更新統(tǒng)之上，構(gòu)成Ⅰ級階地。中下部為1.5～5m的第四系上更新統(tǒng)礫石層，局部卵石含量較高，含量達10%以上，該層多級配良好，局部級配不良，層底局部為卵石層。下部為未揭穿的由古近系毛家坡組(Em)磚紅、紫紅色粘土巖與砂質(zhì)黏土巖互層，夾有薄層礫巖及礫質(zhì)砂巖層等紅色巖系。

3 地震動參數(shù)

出山店水庫庫區(qū)未發(fā)生過有歷史記錄的地震，在其周邊40km以內(nèi)也只發(fā)生過次數(shù)不多的5級6度的地震；根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，水庫區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度6°；地震專業(yè)部門進行了專門地震評價，確定地震基本烈度為6°。

根據(jù)GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準》，該水庫工程抗震設(shè)防類別為甲類，因此可將水庫工程主體建筑物的設(shè)計烈度在基本烈度的基礎(chǔ)上提高1°，采用7°。

4 壩址區(qū)液化判別

砂土的液化機制：松散的砂土受到震動時有變得更緊密的趨勢，但飽和砂土的孔隙全部為水充填，因此這種趨于緊密的作用將導(dǎo)致孔隙水壓力的驟然上升，而在地震過程的短暫時間內(nèi)，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，這就使原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的壓力(有效壓力)減小，當(dāng)有效壓力完全消失時，砂層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變成像液體一樣，即通常所說的砂土液化現(xiàn)象。根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄P，地震時飽和無黏性土和少黏性土的液化判別，應(yīng)根據(jù)土層的天然結(jié)構(gòu)、顆粒組成、松密程度、地震前和地震時的受力狀態(tài)、邊界條件和排水條件以及地震歷時等因素，結(jié)合現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗綜合分析判定。

壩址區(qū)Ⅰ級階地中部砂層為第四系全新統(tǒng)飽和少黏性土，經(jīng)初判可能產(chǎn)生地震液化問題，復(fù)判采用標(biāo)準貫入錘擊數(shù)法。

根據(jù)GB 50487—2008附錄P，符合下式要求的土應(yīng)判為液化土：

N

(1)

式中,N—工程運行時，標(biāo)準貫入點在當(dāng)時地面以下的深度ds(m)處的標(biāo)準貫入錘擊數(shù)，擊；Ncr—液化判別標(biāo)準貫入錘擊數(shù)臨界值，擊。

當(dāng)標(biāo)準貫入試驗點深度和地下水位在試驗地面以下的深度，不同于工程正常運用時，實測標(biāo)準貫入擊數(shù)值應(yīng)按式(2)進行校正，并應(yīng)以校正后的擊數(shù)N作為復(fù)判依據(jù)。

(2)

校正后的標(biāo)準貫入錘擊數(shù)和實測標(biāo)準貫入錘擊數(shù)均不進行鉆桿長度修正。

液化判別標(biāo)準貫入錘擊數(shù)臨界值根據(jù)式(3)計算。

(3)

式中,ρc—土的黏粒含量質(zhì)量百分率,%，當(dāng)ρc<3時，ρc取3；N0—液化判別標(biāo)準貫入錘擊數(shù)基準值，擊，取值6；ds—當(dāng)標(biāo)準貫入點在地面以下5m以內(nèi)深度時，應(yīng)采用5m計算。

根據(jù)上述規(guī)定，工程運用時選取不同位置判別，由于埋深和水位的不同，就可能造成判別結(jié)果較大差異。據(jù)此，根據(jù)壩體的結(jié)構(gòu)形狀，本水庫壩址區(qū)Ⅰ級階地中部的第四系全新統(tǒng)砂層液化判別復(fù)判計算時選取壩頂、迎水面半坡、迎水面壩踵等三種不同典型位置來進行液化判別計算。以Ⅲ1- 28號孔為判別代表孔進行計算(地面高程81.62m，標(biāo)準貫入試驗時地下水位埋深8.1m)，經(jīng)計算，壩頂及迎水坡半坡位置不液化，而在壩踵位置存在飽和砂土地震液化問題，見表1。

表1 工程正常運行時Ⅰ級階地中部砂層地震液化判別表(位置：壩踵)

表2 工程正常運行時Ⅰ級階地中部砂層擠密砂樁施工后地震液化判別表(位置：壩踵)

5 可液化壩基的處理

Ⅰ級階地地層中，土、砂層之間及砂層中局部夾有灰色、含有機質(zhì)的軟土層，呈極軟—軟狀，存在壩基軟土穩(wěn)定問題。結(jié)合壩基軟土穩(wěn)定問題及飽和砂土地震液化問題，壩基采用擠密砂樁處理方案，上下游側(cè)壩基處理邊界分別至上、下游壩腳線外10m之間全斷面布置、深度為清表后地面以下10m。擠密砂樁布置以防滲墻中心線為基準，分別向上下游布置，采用等邊三角形布置，防滲墻中心線至上下游壓重平臺壩基范圍內(nèi)樁間距為2.0m、樁徑0.5m，壓重平臺外至上下游坡腳線外10m范圍內(nèi)樁間距為1.5m、樁徑0.5m。其中，樁間距為2.0m的擠密砂樁主要處理壩基軟土穩(wěn)定問題；樁間距為1.5m的擠密砂樁以處理飽和砂土地震液化問題為主，并在處理飽和砂土地震液化問題的同時，亦解決了壩基軟土穩(wěn)定問題。

6 抗震平臺法處理液化問題的提出

Ⅰ級階地地層中，振動沉管成樁法擠密砂樁施工前，根據(jù)要求，對樁徑0.5m的成樁工藝、樁間距2.0m及樁間距1.5m的成樁擠密進行了試驗。其中，成樁擠密試驗采用了標(biāo)準貫入試驗和重型動力觸探進行檢測，重型動力觸探檢測其成樁效果，標(biāo)準貫入試驗檢測樁間土擠密效果，根據(jù)樁間土標(biāo)準貫入錘擊數(shù)對地基液化問題的處理效果進行了檢測。

樁徑0.5m、樁間距2.0m的擠密砂樁試驗區(qū)內(nèi)的砂樁施工后檢測成果以鉆孔GH- 2為判別代表孔進行敘述(地面高程81.56m，標(biāo)準貫入試驗時地下水位埋深7.9m)，見表2。

樁徑0.5m、樁間距1.5m的擠密砂樁試驗區(qū)內(nèi)的砂樁施工后檢測成果以鉆孔GH- 6為判別代表孔進行敘述(地面高程81.67m，標(biāo)準貫入試驗時地下水位埋深7.9m)，見表3。

經(jīng)計算，按2.0m及1.5m的樁間距進行擠密砂樁施工后，下部砂土的液化問題已處理完畢，但上部4m深度內(nèi)的液化問題仍然存在，需重新考慮該區(qū)域的壩基液化處理問題。

根據(jù)砂土的液化機制及工況下液化判別校正的因素，對于本水庫工程而言，能人為作用的影響砂土液化主要因素為：顆粒組成、砂土密度、砂土的埋藏深度。

顆粒組成因素：由于該水庫工程土壩為1級建筑物，段長1.1km，表層為2～4m黏性土層，液化深度10m，現(xiàn)狀地下水埋藏較淺、砂土的滲透性為中等-強透水性，若采用改變液化土層的顆粒組成的方法——換填法(用非液化土層替換全部液化土層)進行處理，則存在工程量大、降排水困難、處理深度大等問題，無論從工程造價及施工難度而言，該方法都不適宜于本工程。

表3 工程正常運行時Ⅰ級階地中部砂層擠密砂樁施工后地震液化判別表(位置：壩踵)

砂土密度因素：對于本水庫工程而言，壩基中上部土、砂層之間及砂層中局部夾有灰色、含有機質(zhì)的軟土層，存在壩基軟土穩(wěn)定問題，采取樁徑0.5m、樁間距2.0m的擠密砂樁進行處理——排水固結(jié)法結(jié)合置換法；故采用擠密砂樁處理壩基液化問題是必選方法，即增高樁間砂土密度的方法——加密法。從擠密砂樁的擠密效果理論上講，擠密砂樁間距越小，擠密效果越好；從施工角度而言，擠密砂樁間距越小，施工難度越大。從本次試驗結(jié)果可知，樁間距1.5m的擠密砂樁施工后，液化深度同為4m，若樁間距調(diào)為1.0m，鄰樁間的振動等影響越大、施工難度增大，從而難以解決上部砂性土的液化問題。

砂土的埋藏深度因素：前述的工程正常運用時壩頂、迎水面半坡等典型位置的液化復(fù)判，雖為壩體填筑，亦為加大砂土的埋藏深度的方法消除液化問題的措施，故在現(xiàn)狀條件下判別為液化的區(qū)域，在壩體填筑后，其壩頂、迎水面半坡等典型位置因標(biāo)準貫入試驗貫入點深度的增加，而在進行工程正常運用時條件下判別為不液化。若采用加大砂土的埋藏深度的方法——本水庫工程為擴大壩體斷面法進行處理，以Ⅲ1- 28號孔為判別代表孔進行敘述，見表4，至少需擴大壩體斷面高程為91m，壩體91m高程位置至壩踵上游坡腳線外10m的距離為39.5m，增加斷面面積365m2，1.1km的Ⅰ級階地需增加40萬m3的壩體填筑。存在工程量大、擴大斷面高等問題。

如前所述，對于本水庫工程能人為作用的影響砂土液化的三個因素中，顆粒組成因素不適宜本工程，砂土密度因素為必選因素，砂土的埋藏深度因素為可考慮因素。根據(jù)擠密砂樁的試驗結(jié)果，樁徑0.5m、樁間距1.5m的擠密砂樁施工后，下部液化問題已消除，液化深度均為4m，若調(diào)小間距，鄰樁間的振動等影響越大、施工難度增大，從而難以解決上部砂性土的液化問題。若要解決該問題，目前還有一可考慮因素，考慮在壩踵上游增設(shè)一上覆土層，加大砂土的埋藏深度，以處理擠密砂樁施工后上部4m的液化問題。至此，提出抗震平臺法處理液化問題理念。

樁徑0.5m、樁間距2.0m的擠密砂樁施工后，在壩踵上游增設(shè)一上覆至85m高程的抗震平臺(壓重平臺)處理擠密砂樁施工后上部4m的液化問題，檢測成果以鉆孔GH- 2為判別代表孔進行敘述，見表5。

樁徑0.5m、樁間距1.5m的擠密砂樁施工后，在壩踵上游增設(shè)一上覆至85m高程的抗震平臺(壓重平臺)處理擠密砂樁施工后上部4m的液化問題，檢測成果以鉆孔GH- 6為判別代表孔進行敘述，見表6。

表5 工程正常運行時Ⅰ級階地中部砂層擠密砂樁施工后增設(shè)抗震平臺地震液化判別表(位置：壩踵)

表6 工程正常運行時Ⅰ級階地中部砂層擠密砂樁施工后增設(shè)抗震平臺地震液化判別表(位置：壩踵)

從表5—6的液化判別結(jié)果可知，在增設(shè)至85m高程的抗震平臺后，樁間距2.0m及樁間距1.5m的擠密砂樁施工后的上部4m未消除的液化問題均全部消除。

綜上所述，針對Ⅰ級階地壩基軟土穩(wěn)定問題及飽和砂土地震液化問題的處理方案調(diào)整為，上游側(cè)壩基處理邊界至上游壩腳線外10m之間全斷面布置，深度為清表后地面以下10m，采用等邊三角形布置，樁徑0.5m，樁間距2.0m；針對壩基液化問題，在上游增設(shè)至85m高程的抗震平臺，平臺頂面邊界至上游壩腳線外10m，然后按1∶3坡度向上游順延至原始地面。

根據(jù)該調(diào)整方案，擠密砂樁將減少2.8萬根，減少擠密砂樁擠密砂量5.5萬m3；增設(shè)抗震平臺需增加填筑料9.7萬m3，其填筑料可選取混凝土壩段開挖料及導(dǎo)流明渠鉛絲石籠拆除料，亦可解決水庫部分開挖棄渣料的安置問題。

7 抗震平臺法在水利行業(yè)的適用性

根據(jù)GB 50487—2008附錄P，增設(shè)抗震平臺，工況下加大了標(biāo)準貫入點在當(dāng)時地面以下的深度，當(dāng)校正后的標(biāo)準貫入錘擊數(shù)大于液化判別標(biāo)準貫入錘擊數(shù)臨界值，復(fù)判為不液化地層。有抗震要求的堤壩，堤壩體自身已起到抗震平臺的作用，若堤壩本身能消除地基液化問題，或采取其他地基液化處理措施后仍需結(jié)合壩體本身才能全部消除地基液化問題時，在其坡腳處最為不利，可采取擴大設(shè)計斷面處理(當(dāng)?shù)躺硐鄬Σ桓撸话悴粫霈F(xiàn)堤裙處理方式，且堤裙形式影響美觀與協(xié)調(diào)，建議采用擴大設(shè)計斷面處理)；若增設(shè)非液化土平臺的高度較低時，可采用抗震平臺(以壩裙的方式)進行液化處理，在基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度為應(yīng)超過基礎(chǔ)底面以下處理深度的1/2，且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5。根據(jù)水工建筑物過水性能，除堤壩建筑物外，其他水工建筑物基礎(chǔ)一般位于地面以下，不適宜于采用抗震平臺法進行地基處理。

抬升建筑地面標(biāo)高及加大填筑體設(shè)計斷面處理地基液化問題，亦是抗震平臺理念的一種體現(xiàn)，但實際使用中，卻體現(xiàn)不出抗震平臺的效應(yīng)。但對于大壩工程，若增設(shè)非液化土平臺的高度要求較低時，以壩裙的形式進行飽和砂土地震液化處理，此時，抗震平臺理念得以充分體現(xiàn)。因此，抗震平臺(亦稱壓重平臺)，適用于允許地面抬升的建筑物地基及堤防、大壩等工程的地基液化處理，最適宜于大壩工程的壩基液化處理。

8 結(jié)論與建議

本文的重點內(nèi)容為提出抗震平臺法理念，為地基液化處理時打開一種思維，為開挖棄料提供一種處理方向。

通過本文論述，形成以下結(jié)論：

(1)通過該工程實例，針對性提出“抗震平臺法”處理液化問題設(shè)計理念。

(2)抗震平臺處理土的地震液化問題的原理為：有抗震要求的建筑物，其填筑體根據(jù)設(shè)計、填筑標(biāo)準必為非液化土層，以增設(shè)上覆壓重平臺的方法達到地基液化處理。

(3)抬升建筑地面標(biāo)高及加大填筑體設(shè)計斷面處理地基液化問題，亦是抗震平臺理念的一種體現(xiàn)，但實際使用中，卻體現(xiàn)不出抗震平臺的效應(yīng)。但對于大壩工程，若增設(shè)非液化土平臺的高度要求較低時，以壩裙的形式進行飽和砂土地震液化處理，此時，抗震平臺理念得以充分體現(xiàn)。

(4)增設(shè)抗震平臺最適宜于大壩工程的壩基液化處理，亦與其他地基液化處理的方法相結(jié)合。