夯擴樁技術在引黃入冀補淀工程地基處理中的應用

郭紹艾，魯虎成，劉曉琪

夯擴樁技術在引黃入冀補淀工程地基處理中的應用

郭紹艾，魯虎成，劉曉琪

(河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北石家莊050021)

針對引黃入冀補淀工程河北省段砂土液化地基范圍廣、位置分散、單個建筑物處理面積小的分布規律和工程特點，通過多方案對比和地基液化處理方法探討，選擇了適用于本工程的液化地基處理方式。提出了復合載體夯擴樁樁徑、間距、樁長、樁體材料配比等設計參數和檢測試驗要求，通過現場試驗和檢測，驗證了處理工藝的可靠性，對華北平原地區特別是黑龍港地區復雜地層上的水工建筑物地基處理具有指導意義。

夯擴樁；復合載體；引黃入冀補淀；地基液化；應用

1 工程概況

引黃入冀補淀工程是繼南水北調中線一期工程后河北省又一大型的跨流域、跨省際調水工程，輸水線路自河南省濮陽市渠村引黃閘引水，穿衛河后經東風渠、支漳河、老漳河、滏東排河、小白河等最終入白洋淀，線路全長397.556km；滏陽河支線由南干渠穿支漳河倒虹吸進口閘分水，利用滏陽河輸水至邯邢邊界，支線全長26.656km。工程位于河北省中南部，黑龍港流域，工程地質條件在河北省具有代表性。

引黃入冀補淀工程河北段共布置各類建筑物255座，其中閘涵131座、泵站3座、橋梁121座。閘涵建筑物引黃設計流量為30～60m3/s，設計排瀝流量為25～540m3/s［1］。

在水工建筑物設計和施工過程中，針對承載力不足和液化地基處理開展了大量的研究工作，通過多方案比選，提出了適用于本工程的基礎處理工藝和設計參數，并通過現場試驗和檢測，驗證了處理效果。

2 地質條件

引黃入冀補淀工程河北段位于河北平原的中南部。主要為平原地貌，地勢平坦開闊。工程沿線第四紀全新世地層厚20～50m，發育的地層主要有：第四系全新統(Q4)沖洪積和沖積、湖沼積層；上更新統(Q3)沖積、湖沼積層。其中近地表全新統(Q4)沖洪積地層巖性為淺黃～棕黃色粉粒含量較高的砂壤土、壤土、粘土，以及粉砂、細砂。其下為一套沖積為主地層，巖性為灰褐色、黑灰色含有機質粘土、壤土、砂壤土，灰黃色、棕黃色、黃褐色粉砂、細砂［1］。

工程沿線地下水為第四系孔隙潛水，因雨季積水或調水運用，多有上層滯水，水位在渠底附近。

引黃入冀補淀工程河北段所處區域地震動峰值加速度0.10～0.15g，相應地震基本烈度Ⅶ度［1］。地基中的粉細砂、少粘性土在飽和狀態下有震動液化可能，場地多為輕微～中等(局部嚴重)液化等級［1］。

本工程中的閘涵建筑物，位于地震動峰值加速度0.10～0.15g場區(地震烈度Ⅶ度)［4］的共108座，其中28個場區為輕微液化等級，42個場區為中等液化等級，24個場區為嚴重液化等級［8］。水工建筑物的持力層以Ⅱ單元粘土、壤土、砂壤土、有機質壤土等粘性土為主，地基承載力特征值90～120kPa，計算最大地基應力為136～175kPa，各土層壓縮模量在2.6～9.76MPa之間。

工程沿線水工建筑物抗震設防類別為丙類，對于輕度地基液化，僅對上部結構進行加強處理；對于中等和嚴重液化地基，部分或全部消除液化問題影響［2］。

3 方案選擇

工程沿線建筑物地基下臥層存基液化可能，且為中、高等壓縮性土，部分水工建筑物持力層承載力偏低。對于閘涵工程，結合河北省工程實踐，對振沖法、排水強夯法、夯擴樁法、水泥土攪拌樁框格圍封法等消除液化處理方案進行了比較。

(1)換填法。換填法適用于淺層軟弱地基及不均勻土層的地基處理，換填厚度一般不大于3m；當軟弱土層埋深較大時，常因地下水位高等原因導致工程費用高、工期長、對環境影響增大等問題。本工程基礎下的液化土層、軟弱土層埋深3m以內的，采用換填法處理，處理設計部分不再贅述。

(2)振沖法。利用振動、沖擊或水沖等方式形成大直徑碎石所構成的密實樁體，依靠樁的擠密置換和施工過程中的振動作用使樁周土密實度增加，提高地基承載力，降低壓縮性，避免地基土體液化。振沖法的碎石樁樁體形成排水通道，利于施工期排水，其施工工藝成熟，工期短，效果評價直觀。不利條件是破壞了隔水層，可能導致形成滲漏通道，對閘基滲透穩定性不利。

(3)排水強夯法。對于場區地下水位高，淤泥質地層分布廣的地基，為避免強夯形成“橡皮土”，可采用排水強夯法。首先在夯擊點位設置沉管碎石樁或夯擴碎石樁作為排水體，利用強夯產生的巨大能量擴散到樁體中，排開周圍土體，同時，將空隙水擠壓到樁體中，通過樁體排出。樁體擠壓周圍土體形成土石混合體，達到消除液化、提高地基土承載力和減小不均勻變形的目的，處理后土體密實，效果明顯。不利條件是施工機械移動受場地限制困難較大，且需要多種設備配合使用，對于分散工程而言，由于單體工程處理面積小往往導致處理費用提高。

(4)夯擴樁法。夯擴樁利用細長錘夯擊成孔，成孔后在孔內填無害建筑垃圾、碎石、石碴、泥礫等材料或復合填料，用夯錘進行夯擊，在樁底及樁周范圍夯實、擠密，達到消除地基液化、提高地基承載力、減小變形的目。復合載體夯擴樁兼顧了振沖法和強夯法的優點，施工速度快，處理后地基承載力提高顯著，對地層適應性強。不利條件是對于有承壓水的地層應通過試驗驗證其適用性，施工中應加強樁周土體監測，避免過大隆起。

(5)圍封法。采用混凝土框格等材料限制液化土層的側向變形，并利用建筑物底板作為地基表面混凝土蓋板，避免地基在地震時發生噴水、噴砂破壞。圍封法利用連續的水泥土攪拌樁形成墻體，施工速度快。不利條件是排水費用高，且不能解決地基松散問題，針對基礎變形和地基承載力問題需另外采取相應措施，增加工程投資。

以本工程某水閘為例，地基液化層深度5m，處理深度至非液化層1m，布置樁長6m。按上述振沖法、排水強夯法、圍封法、復合載體夯擴樁等4種方式進行處理，投資分別約為1542、1213、1801、924元/m2，復合載體夯擴樁方案投資最低。

本工程為長距離輸水的線性工程，需進行地基處理的建筑物數量眾多且位置分散，結合本工程特點和與之類似的南水北調中線工程地基液化處理經驗，引黃入冀補淀工程閘涵建筑物地基液化處理方式以復合載體夯擴樁為主，對于含分層水的復雜地基和需嚴格控制周邊地基變形的建筑物地基處理采用圍封法，本文僅介紹復合載體夯擴樁法。

4 地基處理設計

本工程地基處理的目的是在提高地基承載力的同時，部分或全部消除液化問題影響。夯擴樁復合地基的液化判別采用標準貫入試驗法進行檢測［5］，承載力特征值通過現場復合地基載荷試驗確定，復合地基單樁和處理后樁間土承載力特征值估算公式為：

式中，fspk—夯擴樁復合地基承載力特征值，kPa；fsk—處理后樁間土承載力特征值，kPa，由于缺乏實測資料，可取原狀土承載力特征值；n—復合地基樁土應力比，根據不同地層巖性和水泥碎石土的成樁材料取3～4；m—面積置換率；d—樁身平均直徑，m；de—單樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，m；采用等邊三角形布樁，s—樁間距，m。

復合土層的壓縮模量計算公式為：

式中，Ai—加固土層第i層土附加應力系數沿土層厚度的積分值；Aj—加固土層下第j層土附加應力系數沿土層厚度的積分值。

對于地震液化土層，采用復合載體夯擴樁進行處理，其處理范圍應大于基底面積，在基礎外緣擴大寬度不應小于基底下可液化土層厚度的1/2，且不小于5m［6］。設計樁徑根據相應土層的密實程度確定為0.5～0.65m，對于嚴重液化土層和疏松土層樁間距取1.5m，中等液化土層和稍密土層取1.8m，樁長根據液化土層深度確定。

樁體設計底高程為液化土層底部以上約1m，夯擴樁影響范圍為設計樁底高程以下2m，至非液化土層以下1m左右。對于中等液化地基的有機質壤土層，夯擴樁設計平均樁徑為600mm，樁中心距1.8m；對于嚴重液化地基的粉砂層、有機質壤土層，夯擴樁設計樁徑為600mm，樁中心距1.5m；均為正三角形布置，樁體材料相同。

由于地基處理范圍均位于閘涵建筑物防滲輪廓范圍內，為保證地基土的防滲效果，樁體采用水泥、碎石、粘性土復合材料，水泥摻量6%(土重)，碎石和水泥土比例為4∶6。處理后土層密實度大于原狀土，因此，地基抗滲透能力會相應提高。

經估算，處理后各建筑物地基承載力提高到162～175kPa，各土層壓縮模量為5.46～8.32MPa，均滿足設計要求。

設計要求施工前，根據地質條件在現場選擇有代表性的場地進行試樁、原位測試和室內試驗，根據試驗成果，確定采用的各項設計參數，在取得參建各方對試驗成果同意的基礎上，按照批準的設計參數進行大面積夯擴樁施工；水泥碎石土指標可通過現場碾壓試驗進行檢驗。

5 檢測試驗

樁間土檢驗采用重型動力觸探或標貫試驗，檢驗點數按樁總數的2%計。每一單體工程樁身及樁間土總檢驗點數均不應少于6點，檢驗時間為成樁后7～14d。承載力檢驗采用復合地基載荷試驗，檢驗數量為總樁數的0.5%，且每一單體工程不應少于3點，載荷試驗應在成樁14d后進行。

為檢驗施工參數和處理效果，夯擴樁完成后，施工單位委托有資質的檢測單位對地基液化是否消除采用標準貫入試驗法進行了檢測［5］，檢測結果為處理深度范圍內的地層不液化。

某閘地基處理前，地基承載力特征值為110kPa，壓縮模量2.6～4.7MPa，要求處理后承載力特征值不小于160kPa，載荷試驗最大沉降量不大于40mm。地基處理施工完成后，經現場載荷試驗，在載荷達到320kPa時，最大沉降量32mm，處理后承載力-基礎變形曲線如圖1所示，地基承載力及沉降量均滿足設計要求。

圖1 夯擴樁處理后承載力-基礎變形曲線

6 結語

復合載體夯擴樁主要是對地基土進行擠密，改善土的物理力學性質，提高地基土的承載能力和壓縮模量，減少土的壓縮變形，從而消除了土的液化問題。本工程處理前可液化土層的實測標貫擊數3～8擊，平均值5.9擊；復合載體夯擴樁處理后，實測標貫擊數10～16擊，平均值為12.5擊，地基承載力、變形均滿足設計要求，且消除了液化問題影響。

引黃入冀補淀工程河北段共有66座閘涵建筑物的液化、軟弱地基采用了夯擴樁進行處理，目前已有63座建筑物地基處理完成施工，從現場檢測資料來看，均滿足設計要求。由此可見，復合載體夯擴樁在引黃入冀補淀工程河北段地基處理中的應用是成功的，對華北平原地區特別是黑龍港地區復雜地層上的水工建筑物地基處理具有指導意義。

［1］李書群.引黃入冀補淀工程初步設計報告［R］.2015.

［2］GB 50011-2010.建筑抗震設計規范［S］.

［3］GB/T 50783-2012.復合地基技術規范［S］.

［4］SL 203-97.水工建筑物抗震設計規范［S］.

［5］NBT 35047-2015.水電工程水工建筑物抗震設計規范［S］.

［6］JGJ 79-2012.建筑地基處理技術規范［S］.

［7］JGJ/T 135-2001.復合載體夯擴樁設計規程［S］.

［8］GB 50487-2008.水利水電工程地質勘察規范［S］.

TU472.3

B

1672-2469(2017)03-0036-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.015

2017-01-17

郭紹艾(1958年—)，男，教授級高級工程師。