廣州某輸氣管道工程處理液化土地基的實例分析

周孔沛

(中國石油天然氣管道工程有限公司成都分公司，四川 成都 610000)

1 液化土的研究現狀

1.1 概 念

液化一般是指飽和的砂土在地震動荷載作用下孔壓增大，土體間有效應力減小，且土體強度隨之降低，當孔壓上升到等于有效圍壓力，即孔壓比等于1時砂體強度幾乎為0，完全喪失承載力，其形態類似于液體，由此稱為砂土液化。

液化的宏觀現象是指在地震作用下場區發生的噴水冒砂、滑移、房屋下沉等現象，是檢驗液化的標準[1]。

1.2 對建筑物的影響

對液化土層進行地基液化等級劃分是為了將預估的液化危害程度定量化以便采取相應的抗液化措施。通常來說，液化土層的厚度越大、埋深越小，其液化危害程度則越大。按照液化指數(地面下20 m深范圍內)的大小可分為輕微、中等和嚴重三個等級，各級的液化指數、地面噴水冒砂情況以及建筑物遭受的危害程度見表1。

表1 液化等級以及建筑物遭受的危害程度

1.3 處理液化的常規方式

依據建筑抗震設防類別的高低不同，基于擬建場區液化土的嚴重程度，各種基本抗液化措施可按照表2中要求來選用。

表2 抗液化措施

1.3.1 全部消除液化沉陷的處理方式

1)將全部液化土層進行換填，或者在液化土上方人為增加非液化土層厚度。

2)采用穿透液化土層的樁基礎，樁端應進入液化土層之下穩定土層(一般為堅硬土層或基巖)內足夠的長度，從而徹底保證上部建筑單體不受液化土層的影響。

3)深埋基礎從而規避上方液化土層的影響，一般要求埋入液化土層之下的穩定土層中0.5 m以上[2]。

4)采用復合地基方式進行加固，如振沖碎石樁、水泥土攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁CFG樁、灰土擠密樁等，但要求處理深度必須達到液化土層之下。

1.3.2 部分消除液化沉陷處理方式：

1)僅處理部分深度的液化土層，但能保證其地基液化指數降至5以下。

2)采用復合地基方式進行加固，如振沖樁、CFG樁、擠密碎石樁等。

3)在液化土上方增加一定厚度非液化土層，或者優化場地周圍的排水情況。

1.3.3 對基礎和上部結構進行處理的方式

1)選擇合適的基礎埋置深度。

2)調整基礎底面積，減少基礎偏心。

3)通過采用筏型基礎、箱型基礎、條形基礎或加設基礎圈梁等方式，以加強基礎的整體性和剛度。

4)合理設置沉降縫或者減少上部荷載作用，增強上部結構的整體剛度和均勻對稱性，或者優化結構形式(避免采用對不均勻沉降敏感的結構形式)等。

2 擬建場區地層情況及液化判別

本輸氣管道工程位于廣東省廣州市，擬在黃埔電廠西廠區東北角新建輸氣末站(黃埔電廠末站)，輸氣末站內將新建進出站閥組區、計量區、清管區內等各種工藝設施。

據鉆探揭露，擬建場地地層勘探深度內主要為第四系雜填土(Q4ml)、沖海積(Q4fm)淤泥、粗砂、礫砂、殘坡積(Q4el)和白堊系(K2)灰黑色火山角礫巖。根據地層時代、成因、巖性及物理力學指標特征等，將本工程擬建場區地層劃分如下。①層雜填土(Q4ml)：灰褐色，主要是由人工堆填的碎石、粗砂和粉質黏土組成。碎石主要成分為花崗巖。該層分布于擬建場區表層，層厚1.4～3.3 m，層底高程-0.78～1.11 m；土石等級Ⅲ級，普式分類Ⅲ類。②層淤泥(Q4fm)：灰褐色，流塑，土質較均勻，含有機質，具腥臭味。該層分布在場區西側，僅在鉆孔ZK1、ZK2和ZK4有揭露，層厚1.6～3.2 m，層底高程-3.98～-2.21 m；土石等級Ⅰ級，普式分類Ⅰ類。③層粗砂(Q4fm)：灰黑色，局部灰黃色，粗砂：灰黑色，飽和，松散，主要成分為石英和長石，含量約90%，顆粒呈亞圓形，顆粒級配一般。局部夾少量淤泥，層厚約0.2～0.3 m。該層分布廣泛，除鉆孔ZK7之外，其余各鉆孔均有揭露，層厚1.7～7.6 m，層底高程-7.11～-1.62 m；土石等級Ⅱ級，普式分類Ⅱ類。③-1層礫砂(Q4fm)：灰黃色，局部灰黑色，飽和，松散，主要成分為石英和長石，含量約90%，顆粒呈亞圓形，顆粒級配一般。該層僅在鉆孔ZK5、ZK6、ZK7、ZK8和ZK9有揭露，層厚1.4～7.3 m，層底高程-7.41～-6.49 m；土石等級Ⅱ級，普式分類Ⅱ類。④層粉質黏土(Q4el)：黃褐色，軟塑～可塑，土質不均，含石英顆粒，粒徑2～5 mm，含量10%～20%。切面無光澤，干強度和韌性差。巖芯呈柱狀。該層在擬建場區分布廣泛，所有鉆孔均有揭露，僅鉆孔ZK4、ZK5和ZK6揭穿。揭穿部分層厚0.6～4.1 m，層底高程-10.49～-7.42 m；土石等級Ⅱ級，普式分類Ⅱ類。④-1層粉質黏土(Q4el)：灰白色，可塑，土質不均，含石英顆粒，粒徑2～5 mm，含量10%。切面無光澤，干強度和韌性差。巖芯呈柱狀。該層僅在鉆孔ZK9中有揭露，且未揭穿。土石等級Ⅱ級，普式分類Ⅱ類。⑤全風化火山角礫巖(K2)：黃褐色，主要成分為長石和石英顆粒，粒徑2～10 mm，無膠結。含少量黏土，含量約10%。巖芯呈柱狀，少量呈散體狀，斷面可見部分原巖結構。該層僅在鉆孔ZK4、ZK5和ZK6中有揭露，層厚1.0～3.8 m，層底高程-12.41～-10.51。土石等級Ⅲ級，普式分類Ⅲ類。⑥層中等風化火山角礫巖(K2)：灰黑色，粗粒結構，角礫狀構造，主要成分為長石、石英顆粒，粒徑2～10 mm，局部30 mm，含量約80%，鈣質膠結。巖芯呈柱狀，而局部為短柱狀，節理、裂隙發育，RQD約為70%。巖質較軟，飽和抗壓強度平均值為5.42 MPa。該層僅在鉆孔ZK4、ZK5和ZK6中有揭露，且未揭穿。土石等級Ⅵ級，普式分類Ⅵ類。

擬建場區典型的地勘鉆孔柱狀圖見圖1。

圖1 典型地勘鉆孔柱狀圖

依據勘察規范及抗震規范，初步判定③層粗砂為液化土，需進行進一步液化判別。進一步針對鉆孔ZK1、ZK5和ZK9進行液化判別，結果表明，場區③層粗砂的液化指數為13.48～17.15，因此確定擬建場區液化等級為中等。

3 地基處理措施分析及比選

本工程場區需要處理的土層為②層淤泥和③層粗砂，其中淤泥為軟弱土層，而粗砂為液化土層，其液化指數上限為17.15，雖然判定為中等液化但實際上已接近嚴重液化程度(液化指數18以上)，因此必須重點處理③層粗砂。

3.1 針對②層淤泥的處理措施

②層淤泥地基承載力特征值僅有40 kPa，屬于標準的軟弱土層，對應的常規處理方法一般有換填墊層、復合地基以及樁基礎等，由于其僅在鉆孔ZK1、ZK2和ZK4有揭露，層厚1.6～3.2 m也較淺，應該與液化土層的處理措施綜合考慮、共同確定為宜。

3.2 針對③層粗砂的處理措施

根據地勘報告該層在本場區分布廣泛，除鉆孔ZK7外，其余鉆孔均有揭露，且層厚1.7～7.6 m較大；因勘察報告中確認其為中等液化土層，所以必須采取切實有效的措施來處理液化問題。

3.3 綜合處理措施對比分析

本工程新建進出站閥組區、計量區、清管區內等各種工藝設施，其抗震設防類別為乙類，根據1.3章節表2中的規定，對應該采取全部消除液化沉陷的措施。由于新建的各種工藝設施、工藝管線及撬裝計量設備等對不均勻沉降極為敏感，在不均勻沉降下會對管線產生拉裂，將對今后正常生產運行產生極大隱患，因此對各種措施進行對比分析見表3。

表3 各種處理措施對比分析結果

根據以上針對③層粗砂的各種處理措施分析結果得知，換填墊層和深埋基礎至液化土層之下的方法受限于液化土層較厚較深而無法實施，因此只能采用樁基礎或者復合地基加固，由于擬建的工藝管線和各種設施對不均勻沉陷極為敏感，顯然采用樁基礎是最合適、最徹底的處理辦法，能夠同時處理建設場地存在的淤泥和液化土兩種特殊土層。

3.4 對于樁基礎選型的確定

樁基礎根據成樁工藝的不同分為預制樁和灌注樁兩種。

預制樁主要是指在施工場地以外事先預制好的預應力高強混凝土管樁(PHC樁)，其采用先張法預應力離心成型工藝，并經過高溫高壓蒸汽養護，制作的一種空心筒體型預制混凝土構件，標準樁長一般為10 m，其樁徑一般不超過800 mm，混凝土強度等級至少為C80。

灌注樁主要是指在現場先成孔、后綁扎放置鋼筋籠、最后澆筑混凝土成型的鋼筋混凝土實心樁型，根據成孔方式的不同又可以細分為鉆孔灌注樁、沖孔灌注樁及人工挖空灌注樁等。

預制管樁和鋼筋混凝土灌注樁最大差別之處就在于，前者樁身是空心而后者樁身為實心，這就從本質上決定了管樁僅能承受很小的水平荷載而灌注樁卻可以承受很大的水平荷載。在本工程存在較厚液化砂土層的案例中，若產生水平地震作用時，③層粗砂將會快速液化而失去承載能力，同時也對樁身產生較大的水平荷載，因此從工程安全角度來說采用預制管樁是不合理的，而應該采用能承受很大水平荷載的鋼筋混凝土灌注樁。

另外，江蘇、福建等沿海省份也專門針對液化土地區樁基選用及預制管樁的使用范圍給出了明確的指導意見。江蘇省揚州市明確要求嚴重液化場地中不得使用預應力混凝土管樁；中等液化場地中20 m以上高度的建筑物不得使用預應力混凝土管樁，20 m以下建筑在使用預應力混凝土管樁時，要求樁端必須進入下部非液化土層足夠的深度。福建省則直接要求在較厚中等或嚴重液化土層的場地中不應該使用預應力混凝土管樁。

本工程最終采用的是直徑800 mm鋼筋混凝土灌注樁，采用沖擊鉆方式成孔并澆筑，在后續承臺筏板、上部設備基礎及工藝管線設施等施工、安裝過程中均順利進行，項目運行至今上部所有工藝管線經檢測未發生不均勻沉降。

4 結 論

在目前的工程實踐中，淺層液化土(深度3 m以內)一般可采用換填法進行處理；而對深層液化土則可采用人工加密法形成的復合地基(如強夯處理、振沖碎石樁、沉管擠密碎石樁、水泥粉煤灰碎石樁CFG樁、灰土擠密樁等)，亦可采用樁基礎形式穿透上部液化土層，以下部非液化堅硬土層或基巖作為樁端持力層，從而徹底規避液化土層對上部結構的影響。深層處理方式中，樁基礎較復合地基處理效果更加徹底，但其造價可能稍高。

如果對擬建場區土層的地質情況以及液化性狀掌握不夠徹底，很可能會發生因處理方法不當而造成地基處理失敗的情況。因此在實際工程中，針對場區地層結構、液化土性狀、抗震設防要求、上部建(構)筑物特點及對不均勻沉降的敏感度等情況應綜合考慮，必須通過仔細對比分析后，最終采取技術最優、造價合理的措施來處理、解決液化土。

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