挤密砂桩在南水北调工程砂土液化地基处理中的应用

□尚 杰 □孙福全(河南水利第一工程局)

□赵 辰(华北水利水电学院水利职业学院)

在外荷载作用下，饱和砂土地基可能从原来的固态转化为液态即液化，从而造成堤坝的破坏或地基的失稳，造成灾害。在20世纪六、七十年代几次大的地震如日本的新潟大地震、美国的阿拉斯加大地震、中国的唐山大地震，均因液化导致堤防及其他建筑物的大规模破坏。

1.工程概况

南水北调中线一期工程总干渠沙河南～黄河南郑州一段贾鲁河河渠段和贾峪河河渠段地层岩性主要为全新统冲积层。根据颜色和沉积韵律分上、下两部分。全新统下部冲积层（alQ41）：分布于河床、漫滩及阶地部位，下伏中新统重粉质壤土。地层岩性为砂壤土、轻粉质壤土，其间夹有腐殖质、淤泥质轻粉质壤土和淤泥质砂壤土、薄砂层和砂砾石透镜体，岩性变化大。全新统上部冲积层（alQ42）：主要分布于贾鲁河、贾峪河的河床、漫滩部位，地层岩性为黄土状轻粉质壤土、淤泥质砂壤土为主，局部夹有砂和砂砾石透镜体，厚度变化大。场区勘探深度范围内地下水类型为第四系松散层孔隙潜水，主要赋存于轻壤土、粉细砂、砂壤土层中。勘察期间地下水位高程在98.00m以下，地下水主要接受贾鲁河、贾峪河河水常年补给。

贾鲁河河谷与贾峪河河谷填方段地基土为轻粉质壤土，具有非自重轻微～中等湿陷性，最大湿陷深度8m，且具有地震液化潜势，液化深度4m。

本段场区范围内的断裂晚新世来活动性较弱，不存在发生强震的构造条件。

2.砂土地基处理的原理

2.1 砂土液化机理

饱和砂土是由砂和水组成的复合体系，在振动或荷载作用下，饱和砂土的液化取决与砂和水的特性。饱和砂层受到外力作用时，由砂与水共同承担和传递，并按下式进行分配：

式中：σ—由外力引起的总应力；σ'—砂骨架中产生的应力，成为有效应力；μ—水中产生的应力，成为超孔隙水压力。

液化实质是土体孔隙水压力的积累和地基承载力逐步丧失的过程，而无粘性土的液化既受内在条件的影响，同时又受到外界因素的制约（指动荷、水位等），因此对某一场地土体而言，如能增加密实度、改变其应力状态等，就可能取得满意的抗液化处理效果。

2.2 常用可液化土处理方法

对于可液化砂层，目前成熟的处理方法较多，其中强夯法、振冲碎石桩法和挤密砂桩法是比较常用的集中。

2.2.1 强夯法又称动力加固法，常以500～800KN·m的冲击能量对地基上施加冲击荷载，在地基中产生较大的冲击波和动应力，使土的强度提高，压缩性降低，振动液化条件得以改善，但其影响深度有限，只能达到10m左右，且其振动强、噪音大，容易对临近建筑物形成破坏和影响周围居民的正常生活，因此该法越来越少被采用。

2.2.2 振冲碎石桩是用水力振冲器或重锤冲挤等施工工艺成孔，填以碎石，使之置换部分可液化砂土，提高地基承载力，改善振动液化条件。由于其排出大量泥浆而使环境受到污染，因此现在使用也是越来越少。

2.2.3 挤密砂桩是利用预沉管成孔，然后填以中粗砂，使之挤密可液化砂层，提高地基承载力，改善振动液化条件。南水北调中线一期工程总干渠沙河南～黄河南段工程曾对该法进行过工程试验，验证了挤密砂桩对砂土液化地基处理的可行性。

3.挤密砂桩在南水北调工程中的实际应用

3.1 设计要求

贾鲁河倒虹吸地质共分5层，其中第一层以砂壤土为主，砂壤土属于可液化地层，影响边坡的稳定，需要处理。贾峪河河道倒虹吸对于基础位于具有可液化的轻粉质壤土部分也要进行处理。

为了减小砂壤土的孔隙比，提高地基承载力，降低砂壤土压缩性，提高抗液化能力，设计要求对具有液化性砂壤土、轻粉质壤土做挤密砂桩地基处理。

挤密砂桩地基处理设计参数如下：桩径500mm，桩底设计高程99.94m，桩长10～12m，桩间距1.5m，正三角形布置，处理后设计临界标贯击数11。

3.2 挤密砂桩施工机具的选择

挤密砂桩施工，采用KmZ-12000A型振动沉桩机施工。用振动沉桩机将带活瓣桩尖的与砂桩同直径的钢桩管沉下，灌注砂填充料，振动拔管即成。振动力控制在30～70KN，拔管速度控制在1～1.5m/min范围内。

3.3 测量放样

首先采用GPS或全站仪放出A区的边线，标识出各个控制桩，撒石灰作标识。在试验区域，再把一端系有红线绳的一次性筷子打入孔心，并对桩点按先后顺序编号、记录。

3.4 施工

3.4.1 桩位布置

桩位按设计要求等边三角形布置，桩径0.5m，桩中心距为1.5m。

3.4.2 桩机就位：首先检查桩机的平整度和桩管的垂直度，检查时采用全站仪按水平、垂直两个方向进行检查，垂直度满足设计要求，使桩尖与桩位对中，桩位偏差满足设计要求。

3.4.3 成桩：严格控制桩管沉入深度，确保桩长达到设计要求。

3.4.4 灌砂：桩管达到设计标高时，开始上料，上料时控制灌砂量，按照设计砂量的1.1～1.4倍进行灌入，若桩管中一次装不下所要灌入的全部砂量，可以在振动过程中补足。若地面沉或隆起时，可适当增加或减少砂量。

3.4.5 拔管、桩管下沉：第一次把桩管提升50～100cm，提升时桩尖自动打开，桩管内砂料流入孔内。桩管按规定速度降落桩管，振动挤压15～20s（观察料斗中砂料的变化，如砂料不减少，说明桩尖没打开，要继续提升桩管，直到桩尖打开为止）。

3.4.6 沉桩过程中的振动挤密：每次提升桩管50cm，挤压时间为桩管难以下沉为宜，如此反复升降压拔桩管，直至所灌砂将地基挤密。

3.4.7 完成该桩灌砂量，桩管提至地面，桩管移到下一桩位。

4.实际处理结果

通常标准贯入试验锤击数和静力触探比贯入阻力是判别砂土是否可液化的指标，因此，在挤密砂桩施工前后，试验段均进行了标贯和触探试验。考虑到国标《建筑抗震设计规范》（GB5011-2001）推荐利用标准贯入试验判别砂土液化，本文采用国标方法进行试验成果整理如下：

表1 挤密砂桩施工前后标贯结果分析结果表

在挤密砂桩加固范围内，处理前平均击数为10.4，处理后平均击数为17.4，每层标贯击数均大于临界值，且大于设计要求的11击。这反映了经过处理后，砂桩的挤密效果很明显，大幅度提高了地基强度，砂土层达到中等密实以上。

5.结语

通过挤密砂桩在南水北调中线工程郑州1-1标中的应用，通过对挤密砂桩处理前后标准灌入试验和静力触探试验结果分析，表明挤密砂桩对加固软弱土层有较好的效果，非常适合在本工程中进行使用。

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