高地震烈度區嚴重液化場地地基處理應用研究

刁慧賢

（中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司， 河南 鄭州 450000）

1 工程概況

1.1 巖土構成特征

某工程場地屬于海岸堆積地貌，場區西部毗鄰應急電廠及變電站。勘測深度內揭露的土層共6個主層、4個亞層，巖土工程特性如表1所示。地下水埋深較淺，低洼處到地面。工程位于地震烈度VIII度區，地震動峰值加速度為0.30g。對有代表性的孔進行液化判別，綜合判為嚴重液化場地。液化土層為層①、層②、層②1、層③、層③1，液化最深處至14.7m。

表1 土層主要物理力學指標推薦值

2 地基處理方案比選

全場建（構）筑物基礎持力層主要為層②、層③或其夾層，少數坐落在層①或回填土上。由于層①～層③及其夾層均為嚴重液化土層，需進行地基處理，全部或部分消除液化沉陷、提高地基承載力。主要對以下幾種方案進行比選。

2.1 預制樁

工程位于地震烈度VIII度區，地震動峰值加速度為 0.30g。根據文獻 2第3.3.2條，不宜采用預應力混凝土管樁（PC）和預應力混凝土空心方樁（PS）[1]。且地層中多夾雜碎石，且持力層和部分夾層標貫擊數較大，其它形式預制樁成樁條件也較差，可能需要大面積引孔或造成斷樁或截樁，造成造價及工期浪費。

此外，文獻2中5.7.5及其條文說明中明確表示，樁的水平承載力主要影響深度為樁頂以下2（d+1）（d為樁徑）[2]，本工程上部全為嚴重液化土。一方面，根據文獻1第4.4.3第1條規定，埋深較淺的低承臺樁基，不宜計入土或剛性地坪對水平地震作用的分擔作用。另一方面，承臺底面以上均為嚴重液化土，根據文獻2附錄C.0.4，低承臺底面以上全為液化土時，應按表C.0.3-3高承臺樁基公式計算。經計算，樁頂水平變位10mm時承擔的水平力僅約為5.35kN，遠遠不能承受地震烈度 VIII度區、基本風壓 1.10kN/m2傳遞到樁頂的水平荷載。其次，對柱下獨立基礎或墻下條形基礎，很難達到文獻1中4.4.3第3條規定的擠土樁布樁要求（2.5d～4d，且數量不少于5×5），故也不宜計入打入式預制樁對消除液化的有利影響。因此針對本工程，單獨采用預制樁方案無法滿足全部或部分消除液化的條件，液化情況下也無法滿足建筑物對水平承載力的要求。因此本工程不適合單獨采用預制樁方案。

2.2 無填料振沖

無填料振沖法可用于處理液化地基。而文獻4中研究表明，砂顆粒越細越容易產生寬廣的流態區，故對粉土或含粉粒較多的粉質砂，振沖擠密的效果很差。本工程液化土層全為粉細砂，不宜采用無填料振沖法處理。

2.3 振沖碎石樁和強夯

振沖碎石樁和強夯兩種方案對比對下：

振沖碎石樁優點為：施工速度快，樁體材料普遍。缺點主要是施工時污泥量較大，且造價受制于工程當地材料價格。

強夯降水優點為：適用范圍廣，施工難度低、施工速度快。缺點主要是施工時噪音及震動大，且施工時需要配合降水或截振措施。目前強夯法設計施工常結合已有工程經驗，尚沒有成熟的設計計算方法。

本工程地下水豐富，會影響強夯法施工工藝及夯實效果。若大范圍降水一方面造價高，另一方面有可能造成毗鄰建（構）筑物不均勻沉降、裂縫或倒塌。此外，強夯法滿足規范要求的處理液化深度所需夯擊能很大，根據文獻3表6.3.3-1，滿足有效加固深度要求所需單擊夯擊能12000kN.m以上[3]， 施工噪音及振動極大，可能對周邊電力設施的安全運行造成很大影響，且工程場地上層土均為粉細砂，不利于截震溝自立。而振沖碎石樁施工不需要降水，且文獻4中研究表明，距振沖孔中心2～3m以外時，振沖碎石樁施工產生的振動對周圍建筑物的影響十分輕微[4]。

綜上所述，振沖碎石樁為該電廠地基處理最優方案。

3 振沖碎石樁幾個關鍵問題探討

3.1 樁長計算

用于液化地基的振沖碎石樁的樁長應根據文獻1中4.3.6～4.3.9條文及文獻3中7.2.2-5條確定。以機械通風冷卻塔為例，抗震設防類別為丙類，下部水池適應沉降變形能力較好，考慮采用部分消除液化沉陷的措施（詳見文獻1中4.3.8條規定）。根據附近土層液化參數計算表（表2）,結合該區域的工程地質剖面圖（天然地面標高為+1.89m），按線性內插法計算得剩余液化指數為5對應的深度為天然地面以下7.612m。故機械通風冷卻塔（基底絕對標高+2.4m）部分消除液化沉陷所需理論樁長為7.612+（2.4-1.89）=8.122m，約取8.2m。

表2 土層液化參數計算表

3.2 試驗性施工及結論分析

按樁徑Φ800mm，等邊三角形布樁，樁間距2m，有效樁長13m（液化最深處樁長），選用55kW振沖器，在有代表性場地進行試驗性施工。根據得到的檢測報告：試樁后復合地基承載力特征值為140kpa；單樁豎向抗壓極限承載力為137kN；但處理后液化等級仍為嚴重液化，沒有大幅度消除或減輕液化。需分析液化消除不理想的原因，調整施工或設計參數，重新進行二次試樁。

經多方面分析，液化消除不理想可能為以下幾個方面原因：

①試樁施工過程中缺乏對振沖器經各深度的水壓、密實電流、留振時間等原始材料的記錄，不排除上述因素選取不當導致的施工質量不合格；

②本工程上部全為粉細砂，對樁間土做標準貫入試驗時，不排除塌孔或清孔不徹底造成的樁間土標貫數偏低；

③試樁時振沖器功率選擇過小，二次試樁可考慮加大振沖器功率。

④文獻4中經驗公式估算出來的樁間距可能偏大，二次試樁可考慮適當加密樁間距；

⑤試樁圖中設計樁底標高進入層④1粉質黏土，該層軟塑～可塑，具高壓縮性，標貫數較低。這種性質的土容易造成碎石材料在此堆積，或沿軟弱通道流失。二次試樁可提高樁底設計標高，使樁底不進入層④1。

⑥土層粉砂中黏粒含量為1.4%～17.3%，細砂中黏粒含量為1.3%～6.2%，不排除局部粉細砂層中黏粒含量偏高對試樁結果的影響。建議二次試樁檢測前適當增加休止期[5]，同時對土樣做顆粒分析試驗，核實每層土的黏粒含量及土層性質。

4 結語

本文結合具體工程對高地震烈度區嚴重液化場地上多種地基處理方案進行對比，得出最優方案為振沖碎石樁。接著對振沖碎石樁幾個關鍵問題進行探討。整個過程中著重強調以下幾點：

①高地震烈度區嚴重液化場地地基處理方案的確定較復雜，在多方面對比分析過程中，除了處理效果和經濟性等因素，還應著重考慮由擬定地基處理方案造成的對周邊建（構）筑物的影響。防止因本工程地基處理造成周邊其他建（構）筑物裂縫、傾斜或倒塌。

②振沖碎石樁造價與樁體材料供應及施工機具等因素密切相關，項目前期應做好擬建工程場地材料價格及施工機具等多因素的調研工作。

③振沖碎石樁等復合地基的設計應將理論、經驗和試驗性施工相結合。既定方案不能脫離理論支撐，也要充分汲取類似工程經驗或地區經驗，同時也要結合現場試驗性施工得出的結論，必要時進行方案或參數調整。

④對施工及檢測單位而言，試樁及檢測過程中應做好原始數據的觀測和記錄，方便對試樁結果進行分析或驗證。而對于設計單位，在進行方案對比分析前，應收集所有可能用到的資料，并確保資料的可靠性。