水工建筑物液化地基基礎(chǔ)處理方案優(yōu)化探討
——以黃河故道整治工程典型建筑物為例

陳小威，伏芝萱，宋力，劉正雨，田曉梅

（1.江蘇九星建設(shè)工程有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇方洋水務(wù)有限公司，江蘇 連云港 222248；3.江蘇省水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)所，江蘇 揚(yáng)州 225002；4.江蘇邗建集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

1 引言

土是礦物顆粒在長期風(fēng)化作風(fēng)下形成的疏松堆積物，由于受生成、搬移及長期經(jīng)受復(fù)雜地質(zhì)變化及理化作用，土的組成顆粒、緊密度、土層分布及層厚度的變化多樣。在工程實(shí)踐中應(yīng)按照規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，針對不同水工建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地基條件應(yīng)合理確定液化土層處理方案，采取必要的抗液化措施，達(dá)到減輕或減少土質(zhì)液化造成的危害的目的。

2 水工建筑地基液化處理技術(shù)簡介

江蘇省興建的水工建筑物多為壅水或擋水型建筑物，眾多的水工建筑物等級別為Ⅲ等中等3 級以下，地基土層液化等級一般為中等或輕微液化，對于此類水工建筑物以及一些基礎(chǔ)下含有多層液化土層且比較厚的建筑物工程，要達(dá)到全部完全處理液化土層的目的，需采用樁基、沉井結(jié)構(gòu)，并將樁基、沉井底部沉入不液化土層一定深度，處理工程量大、費(fèi)用高，并且有些技術(shù)問題還有待進(jìn)一步研究解決[1-2]。當(dāng)前建筑、交通工程領(lǐng)域常見的液化地基處理方法一般為強(qiáng)夯和砂、礫石散體材料擠密樁法，處理原理是物通過強(qiáng)夯、砂石樁振沖擠密，提高非黏性土的密實(shí)度并形成一定的滲水通道，以利于孔隙水壓力的消散。水工建筑物由于基礎(chǔ)有防滲的特殊要求，所以一般不宜采用砂、礫石散體材料樁法，同時由于水工建筑物上下游水位差較高，建筑物基底可液化土層在動荷載作用下近似于不排水狀態(tài)。江蘇省水利工程常用做法是結(jié)合建筑物的防滲布置，采用地連墻或水泥攪拌樁防滲墻對液化土層圍封的處理方式，考慮到建筑物上游護(hù)坦位置是土層液化的薄弱部位，如在建筑物上下游基礎(chǔ)外一定范圍間隔施打水泥攪拌樁的措施，阻隔或減輕因區(qū)域外土壤孔隙水壓力增大，進(jìn)而可保護(hù)樁周及基礎(chǔ)圍封內(nèi)不發(fā)生或減輕液化和降低承載力重分布的影響[3]。

3 工程概況

宿遷黃河故道整治工程中泓控制建筑物共計(jì)6 座建筑物，其中宿城區(qū)段：皂河地涵、蔡支閘位于地震基本烈度Ⅷ度區(qū)，陳圩閘位于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)；泗陽縣段：新袁閘、大興閘、李口閘位于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)。可研階段推薦建筑物地基液化處理方案：皂河地涵（底板底面位于④層土）、陳圩閘（底板底面位于④-1 層淤泥質(zhì)黏土層上，其下為⑥層土）、大興閘（底板地面位于⑥層土）采用施打水泥攪拌樁對液化土層進(jìn)行圍封的措施；蔡支閘、李口閘（底板底面位于③層土）、新袁閘（底板底面位于③、⑦層土）采用砂石樁擠密法處理液化地基，典型地質(zhì)情況見圖1。

圖1 工程典型地質(zhì)情況

陳圩閘底板底面置于④-1 層淤泥質(zhì)黏土層上，依次由上至下分布為：⑥粉質(zhì)夾砂層、⑦-1 淤泥黏土層、⑦粉土夾黏土層及⑧粉砂夾粉質(zhì)層，其中⑥層及⑧層為液化層。蔡支閘底板底面置于③層輕粉質(zhì)砂壤土層，其下臥⑥粉砂夾粉土層、⑧粉砂加粉質(zhì)黏土層均為易液化土層。兩閘地基不同之處為，陳圩閘地基⑥層與⑧層兩液化土層之間內(nèi)夾不液化土層，蔡支閘兩層⑥、⑧液化土層底、面緊鄰，為深厚液化地基。

4 部分處理液化基礎(chǔ)方案及結(jié)構(gòu)措施優(yōu)化

4.1 部分處理液化基礎(chǔ)總體方案優(yōu)化

宿遷黃河故道整治工程建筑物工程等級為Ⅲ等，建筑物級別為3～4 級，根據(jù)GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及SL 203—1997《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》確定本工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等級為丙類。

對于水工建筑物的抗液化措施，GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）給出了如表1 所示建議措施。規(guī)范中對于甲類建筑的地基基礎(chǔ)抗液化措施并未專門列舉推薦措施，但說明其相應(yīng)措施要求不能低于乙類建筑要求[4-6]。

表1 GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016 年版)抗液化建議措施

鑒于黃河故道建筑物地基液化等級一般為輕微、中等液化等級，采用了對上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)部分綜合處理措施。江蘇省工程等級Ⅲ等、建筑物級別為3～4 級水工建筑物眾多，部分建筑物地基液化需處理，建議考慮部分處理消除地基液化的技術(shù)措施，對于1 級、2 級壅水建筑物的地基抗液化措施應(yīng)進(jìn)行專門研究。

根據(jù)SL 203—1997 《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 及GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：地震的液化土層，可根據(jù)工程的類別和具體情況，可以選用地下混凝土連續(xù)墻或套打多頭深層水泥攪拌樁方案圍封液化特性地基。

采用圍封方案處理液化地基的機(jī)理為[7]：阻斷建筑物基礎(chǔ)下土層與周邊土層相互作用，通過攪拌樁注入水泥漿充分?jǐn)嚢韬?，對樁間土起到擠壓增加密實(shí)度的效果，在上部荷載作用下，由樁體承載大部分荷載，而樁體之間的土應(yīng)力相對減小，樁體同時起到對樁間土限制側(cè)向位移及側(cè)向變形；水泥攪拌樁為半剛性體，較樁群間土體，其豎向及側(cè)向承載力均大于普通土體，通過水泥和周圍土體中水分發(fā)生水化反應(yīng)，減少周圍土體的飽和度，降低液化趨勢，同時由于水泥固化劑的摻入，一定程度上增加了土壤黏粒含量（可根據(jù)水泥顆粒分析計(jì)算，通常增加黏粒含量約為3%），改善樁周土的工程特性（特別是砂土和粉土）[8]。

基于宿遷黃河故道整治工程建筑物等級以及地基實(shí)際情況，同時黃河故道中泓控制建筑物底板下普遍為2～3 層液化質(zhì)土層，等級輕微至中等的特點(diǎn)，工程實(shí)施綜合采用：第一類防止地基液化的方法（地基加固、圍封的方法）及第二類即使發(fā)生液化也不使其對結(jié)構(gòu)物的使用產(chǎn)生影響（改善結(jié)構(gòu)受力的方法）的處理方法。

4.2 液化地基水泥攪拌樁的處理深度的確定

水工建筑物水閘、泵站主體結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是構(gòu)筑物在土基兩側(cè)邊墻后有回填土區(qū)域的半埋入結(jié)構(gòu)[9]，上下游連接段的擋墻(翼墻）結(jié)構(gòu)為墻后填土、墻前鄰水的擋土建筑物，根據(jù)地基液化土層的埋置深度，可以根據(jù)以下幾種情況確定地基液化處理深度或樁長。

1）根據(jù)上部水工建筑物安全性等級要求完全消除地基因液化引起的沉陷性影響，設(shè)計(jì)樁長須穿過液化土層，設(shè)計(jì)樁底到達(dá)該液化土層的底端。

2）上部水工建筑物安全性要求部分消除地基因液化引起沉陷性影響，設(shè)計(jì)樁長應(yīng)同時符合以下兩方面要求。

一是當(dāng)計(jì)算樁長達(dá)到15 m 時，液化指數(shù)≤4，當(dāng)判別深度為20 m 時，液化指數(shù)≤5；對于條形基礎(chǔ)及獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，不應(yīng)小于基礎(chǔ)底面下液化土特征深度和基礎(chǔ)寬度的較大值。每個鉆孔液化指數(shù)按式（1）計(jì)算：

式中，IiE為液化指數(shù)；Ni為i 點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)實(shí)測值；Ncri為i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)臨界值；di為i 點(diǎn)所代表的土層厚度，m；wi為i 土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值，m-1。

二是位于處理深度范圍內(nèi)，應(yīng)保證標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測值N≥液化判別臨界值Ncr。本次施工階段采用按部分消除地基液化沉陷變形的方案，考慮建筑物基底有效覆蓋壓力的影響，參照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版），適當(dāng)加厚地基上部非液化質(zhì)土厚的覆蓋厚度，水泥攪拌樁圍封、加固樁長，計(jì)算如下：

式中，du為扣除淤泥質(zhì)土層厚度后的上層非液化土層厚度，m；dw為地下水位深度，m；db為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)埋深，m；do為液化土特征深度，m。

建筑物底板下圍封周邊水泥攪拌樁樁底高程，采用GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）公式，通過計(jì)算確定滿足上述要求的圍封樁長。采用水泥攪拌樁單樁套打圍封處理液化土層，由于水泥攪拌樁樁身存在攪拌均勻性離差大的缺陷，圍封攪拌樁的長度宜控制在10 m 左右。

3）目前，江蘇省內(nèi)工程界也有一種意見認(rèn)為：液化土層處理圍封深度下限值，對于建筑物基礎(chǔ)下存在深厚液化土層，均采用土層標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界值判別深度15 m 作為圍封下限，對于深基礎(chǔ)采用20 m 下限。

4.3 結(jié)構(gòu)輔助措施

1）結(jié)合建筑物防滲處理，建筑物主體以及上、下游連接段翼墻底板下地基液化深度一定范圍內(nèi)，采用套打水泥攪拌樁防滲墻圍封底板四周的部分消除液化沉陷措施，結(jié)合主體建筑物基礎(chǔ)承載力處理，在水泥攪拌樁圍封范圍內(nèi)建筑物底板下布置水泥攪拌承載樁的技術(shù)措施。

2）在擋水建筑物底板上下游護(hù)坦部位以及翼墻迎水側(cè)底板前沿散打一定數(shù)量的水泥攪拌樁加固地基，通過部分置換，減輕骨架破壞時圍封范圍內(nèi)地基土壤顆粒的產(chǎn)生懸浮影響。

3）增加、改善擋水建筑物上部結(jié)構(gòu)剛度，采用框架式閘室結(jié)構(gòu)，將水閘閘上公路橋、工作邊橋以及工作橋與閘墩全部固結(jié)，改善增加了建筑物側(cè)向總體剛度。

5 實(shí)施效果分析

黃河故道宿遷段水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)整治工程中建筑物的工程級別相對較低，各建筑物基礎(chǔ)土體液化判為中等，綜合考慮土質(zhì)條件，工程實(shí)施階段采用了對地基基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)處理措施，消除不良地質(zhì)條件液化沉陷負(fù)面影響。

陳圩閘底板底面高程15.20 m，基坑地質(zhì)由下至下分別為④-1 淤泥質(zhì)黏土、⑥粉砂夾粉土、⑦-1 淤泥質(zhì)黏土及⑦粉質(zhì)黏土夾粉土。其中粉砂夾粉土為液化土層，水泥攪拌樁連續(xù)墻穿越⑦-1 淤泥質(zhì)黏土層，樁底進(jìn)入⑦層土0.7～1.0 m，樁長約為6.0 m，⑦層層底高程6.30 m，其下為液化土層粉砂加粉質(zhì)黏土，未采取圍封措施。

蔡支閘底板底面高程18.20 m，位于③輕粉質(zhì)砂壤土層，基坑土質(zhì)分別為⑥粉砂夾粉土及⑧粉質(zhì)黏土夾粉砂，全部為液化土，面層面相鄰，⑧層土其下為⑨黏土層，⑨黏土層層面高程0.00 m（部分鉆孔未揭示），蔡支閘地基為深厚液化地基?？紤]徹底處理所需樁長、投資增加均較大，陳圩閘、蔡支閘上下游聯(lián)結(jié)段翼墻部考慮到墻后上覆非液化土層較厚，因按照規(guī)范規(guī)定可部分消除液化沉陷的原則，圍封樁長采用了8～9 m，計(jì)入建筑物基底有效覆蓋壓力作用，圍封樁長不再增加，同時在翼墻前齒底板下也設(shè)水泥攪拌樁連續(xù)墻，并與閘室底板周邊圍封連續(xù)墻銜接。

陳圩閘、蔡支閘分別于2021 年1 月14 日開始施工，2022年1 月20 日通過完工驗(yàn)收，實(shí)施效果表明：本優(yōu)化方案更適合黃河故道整治建筑物工程現(xiàn)場實(shí)際情況，解決了原有方案的局限，能更好地滿足建筑物地基抗震防液化要求，為整個工程施工的順利實(shí)施提供了可靠保障。

6 建議

水利工程地基液化處理問題，無論是理論研究還是實(shí)際工程應(yīng)用，抗液化效果的現(xiàn)場試驗(yàn)及檢驗(yàn)手段并不成熟，建議如下。

1）工程施工階段，基坑降排水會對地基產(chǎn)生固結(jié)壓實(shí)影響，同時水泥攪拌樁的實(shí)施會對地基土壤起到一定的擠密和改良作用，需要通過對水泥攪拌樁樁間土體靜力觸探試驗(yàn)（CPT）和十字板剪切試驗(yàn)，探明土體在加固前、后物理力學(xué)性能變化，并檢驗(yàn)加固處理后土層液化指數(shù)的變化，從而對液化地基處理后土層的改變情況進(jìn)行評估、總結(jié)。

2）水工建筑物上下游護(hù)坦部位由于上覆建筑物有效壓力以及覆蓋土層厚度均較小，是水工建筑物土層的抗液化處理的薄弱部位，應(yīng)加強(qiáng)該部位研究處理方案。

3）水泥攪拌樁施工時建議采用濕噴、干噴法（施工中揚(yáng)塵對環(huán)境有一定的影響）進(jìn)行方案比較，以鑒定兩種工法對加固效果的影響。

4）建議淘汰或改進(jìn)老的水泥攪拌樁施工設(shè)備，選用水泥攪拌樁改進(jìn)后的新型施工設(shè)備，以提高水泥攪拌樁體的無側(cè)限強(qiáng)度、滲透系數(shù)以及樁體強(qiáng)度的均勻性。