強夯置換法在南水北調(diào)渠基液化處理中的應用

何清舉，齊仁貴，王永智，趙明勤

（1.河南省水利第二工程局，450016，鄭州；2.河南省水利科學研究院，450003，鄭州）

強夯置換法在南水北調(diào)渠基液化處理中的應用

何清舉1，齊仁貴2，王永智2，趙明勤2

（1.河南省水利第二工程局，450016，鄭州；2.河南省水利科學研究院，450003，鄭州）

強夯置換；液化；標準貫入；南水北調(diào)

一、工程概況

1.基本情況

南水北調(diào)安陽段樁號AY 26+892.9～AY 27+172.3(七標段施工范圍內(nèi))為高填方段，最大填土高度達11 m。該段渠基土層在地面以下7 m深范圍內(nèi)為輕粉質(zhì)壤土()，存在飽和少黏性土地震液化問題。該區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g，相當于地震基本烈度為Ⅶ度。該段液化地基需要處理的總面積為30804.45 m2， 其中 10222.44 m2區(qū)域上部有220 kV高壓線影響，不能用強夯法施工，需改為其他方法處理。

2.液化土成因分析

樁號AY27+172.3以北地面30～50 cm以下均為砂卵石和黏土巖混合層，該段地面以下有厚度達7 m的輕粉質(zhì)壤土，與別處不同，因為它位于安陽河北側(cè)200 m左右，為老河床沉積層。由于地球的自轉(zhuǎn)作用，水體受地球引力影響，向地心方向產(chǎn)生重力，同時水體又在所在緯度圓面產(chǎn)生徑向離心力，兩力的合力偏向赤道方向。東西方向河流中的水流動時，必定會向赤道方向的河岸進行沖刷，日積月累，河流主河槽逐漸朝赤道方向滾動。我國長江、黃河和淮河東西向河段的主河槽均靠近南岸，安陽河段也不例外。

一般來說，對以砂性土為主的土層，當埋深淺、地下水位高且天然地基承載力低時，在地震作用下容易產(chǎn)生液化現(xiàn)象。所謂液化是指由于孔隙水壓增加及有效應力降低而引起粒狀材料（砂填土、粉土等）由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過程。影響液化的主要因素有：顆粒級配 （包括黏粒、粉粒的含量百分數(shù)，平均粒徑d50的含量百分數(shù)）、透水性能、相對密度、結(jié)構(gòu)、飽和度、動荷載（包括振幅、持時等）。地震發(fā)生時，地基液化是引起建 （構(gòu)）筑物破壞的主要形式，尤其是液化土層位于面波影響深度區(qū)間內(nèi)。因此地基液化分析與處理一直是土動力學的主要研究課題之一。

3.液化地基處理方案

該段地基處理招標文件要求采用加密法或換土法等處理方法消除地基液化沉陷，設(shè)計圖紙要求采用強夯進行地基加密法處理。施工單位在按設(shè)計要求進行試夯時，由于地基較軟，土的含水率偏大(地面以下3 m處達26.1%)，夯擊5次夯錘下陷達3 m深，出現(xiàn)提錘困難、坑壁坍塌、坑間地面隆起現(xiàn)象。經(jīng)各參建單位代表在現(xiàn)場共同查看，并邀請專家充分進行研究論證和方案遴選，報河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局批準，變更了地基加固處理方法。變更后的渠基處理要求為：改用強夯置換法，并選定2000 m2區(qū)域進行試驗；每夯點夯擊至起錘困難時填充從渠道開挖出來的砂卵石（粒徑小于20 cm）繼續(xù)夯擊，每次回填量以能夠起錘順利為原則；夯擊次數(shù)根據(jù)試驗確定，最后兩擊的相對沉降量小于10 cm；最后進行標貫檢驗，標準貫入擊數(shù)不低于臨界貫入擊數(shù)。

二、強夯置換試驗

1.試驗目的

①核查輕粉質(zhì)壤土層強夯置換處理后的標貫擊數(shù)，是否能夠達到液化判別標貫擊數(shù)臨界值。

②檢查強夯置換機具的性能是否滿足施工要求。

③選定合理的施工技術(shù)參數(shù)：錘重、落距、單擊夯擊能、夯擊次數(shù)、墩位布置、墩間距。

④確定有關(guān)質(zhì)量控制的技術(shù)要求和檢測方法。

2.夯擊能的計算

根據(jù)設(shè)計要求和能夠獲得的強夯機械，選用圓柱形夯錘，夯錘直徑2.5 m，重196 kN，鑄鋼材料，錘體具有4個φ300的排氣孔，吊環(huán)為φ50圓鋼。經(jīng)大量試驗統(tǒng)計分析后采用以下公式計算：

式中，H為強夯加固土層影響深度（m）；M 為夯錘重力（kN）；h 為落距（m），錘提起時錘底至起夯擊面的距離；k為修正系數(shù)，一般取0.4～0.7。

式（1）可轉(zhuǎn)換為落距的計算公式：

將處理深度、夯錘重代入，經(jīng)計算，h=5.0～15.31 m。夯錘提起高度取最大值h=15.31 m，計算夯擊能為：

E=M·h=196×15.31=3000.76 kN·m

取整數(shù)，夯擊能E=3000 kN·m。

3.試驗方法及過程

（1）試驗方法

在渠基需處理范圍內(nèi)選定一塊平坦的區(qū)域，作為本次試驗的試驗區(qū)，面積2000 m2。夯坑填充材料采用從渠道開挖出來的砂卵石，粒徑小于20 cm，處理影響深度為7 m，第一、二遍采用現(xiàn)場設(shè)備最大夯擊能3000 kN·m，最后一遍選擇最小的夯擊能1000 kN·m，連續(xù)排夯。根據(jù)設(shè)計圖紙要求強夯置換墩位按正三角形布置，第一遍兩墩中心間距6.5 m，第二遍夯點在第一遍夯點之間布置，第三遍滿堂拍平。

（2）試驗過程

2008年3月7日，開始進行第一遍夯擊，3月12日進行第二遍夯擊，3月21日開始進行第三遍夯擊；3月22日完成三遍夯擊，整個過程歷時15 d。

4.處理效果檢測

2008年4月5日 （第三遍夯擊14 d后），邀請第三方試驗室到現(xiàn)場進行標準貫入法試驗及取樣檢測，共選擇3個部位進行標貫試驗及取樣，共取樣21組。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287—99）液化判別標貫錘擊數(shù)臨界值計算公式為：

式中，Ncr為液化判別標貫錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，根據(jù)本地區(qū)地震烈度，從表1中查得N0=8；ds為飽和土標準貫入點深度（m），ds不大于 15 m；dw為地下水位深度（m），本區(qū)域根據(jù)挖探坑檢測為3.5 m；Pc為黏粒含量百分率，Pc不大于 3。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287— 99）的地震液化判別采用標準貫入錘擊法，符合下式的土判為液化土：

式中，N63.5為標準貫入點在當時地面下ds深度處的標準貫入錘擊數(shù)，Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值。

5.試驗成果分析及結(jié)論

①根據(jù)對土樣顆粒分析結(jié)果，計算出臨界貫入擊數(shù)Ncr、現(xiàn)場標準貫入擊數(shù)N63.5均大于臨界貫入擊數(shù)Ncr，判定飽和土液化已經(jīng)消失。

表1 標準貫入錘擊數(shù)基準值N0

②通過對第一遍105個和第二遍57個夯擊點位的分析，最后兩擊相對沉降量8.5～11 cm，第一遍平均為9.93 cm，第二遍平均為8.91 cm，兩遍平均為9.57 cm。試驗結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

③第一、二遍采用最大夯擊能3000 kN·m （錘重 196 kN，落距15.31 m），夯擊 15～17 擊，最后一遍采用最小夯擊能 1000 kN·m （錘重98 kN，落距 10.20 m），滿堂拍平。

④夯點采用正三角形布置，第一遍兩墩間距6.5 m，第二遍墩點位在第一遍墩間布置，處理范圍按設(shè)計要求超出基礎(chǔ)外邊緣線3 m。

⑤每個夯擊點的填料量在18.9～27.3 m3之間，第一遍平均為23.08 m3，第二遍平均為21.94 m3，兩遍平均22.68 m3。

⑥每個夯擊點的最后兩擊相對沉降量和填料量，第一遍均略大于第二遍。分析其原因是，第二遍是在第一遍夯點之間夯擊，第一遍夯擊時兩夯點之間的土體己初步被擠密，第二遍是在比第一遍相對密實的點位上夯擊，故每個夯點的最后兩擊相對沉降量和填料量，第一遍均略大于第二遍。

⑦2000 m2試驗區(qū)中兩遍合計157個夯點填料總量為3673.98 m3，單位面積上填充量為1.837 m3/m2。■

[1]樂平，劉獻剛，邵忠心.地震液化產(chǎn)生的原因及對應措施探討[J].中國勘察設(shè)計，2008(10）.

[2]李勇.淺析塊石強夯置換法[J].科技風，2008（21）.

[3]江正榮.強夯法加固地基影響深度的計算[J].建筑工人，2000（5）.

[4]謝仁追.強夯置換法應用關(guān)鍵技術(shù)[J].水運工程，2009（5）.

責任編輯 車小磊

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1000-1123（2011）04-0064-02

2010-10-26

何清舉（1975—），男，工程師。