夯扩桩技术在引黄入冀补淀工程地基处理中的应用

郭绍艾，鲁虎成，刘晓琪

夯扩桩技术在引黄入冀补淀工程地基处理中的应用

郭绍艾，鲁虎成，刘晓琪

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021)

针对引黄入冀补淀工程河北省段砂土液化地基范围广、位置分散、单个建筑物处理面积小的分布规律和工程特点，通过多方案对比和地基液化处理方法探讨，选择了适用于本工程的液化地基处理方式。提出了复合载体夯扩桩桩径、间距、桩长、桩体材料配比等设计参数和检测试验要求，通过现场试验和检测，验证了处理工艺的可靠性，对华北平原地区特别是黑龙港地区复杂地层上的水工建筑物地基处理具有指导意义。

夯扩桩；复合载体；引黄入冀补淀；地基液化；应用

1 工程概况

引黄入冀补淀工程是继南水北调中线一期工程后河北省又一大型的跨流域、跨省际调水工程，输水线路自河南省濮阳市渠村引黄闸引水，穿卫河后经东风渠、支漳河、老漳河、滏东排河、小白河等最终入白洋淀，线路全长397.556km；滏阳河支线由南干渠穿支漳河倒虹吸进口闸分水，利用滏阳河输水至邯邢边界，支线全长26.656km。工程位于河北省中南部，黑龙港流域，工程地质条件在河北省具有代表性。

引黄入冀补淀工程河北段共布置各类建筑物255座，其中闸涵131座、泵站3座、桥梁121座。闸涵建筑物引黄设计流量为30～60m3/s，设计排沥流量为25～540m3/s［1］。

在水工建筑物设计和施工过程中，针对承载力不足和液化地基处理开展了大量的研究工作，通过多方案比选，提出了适用于本工程的基础处理工艺和设计参数，并通过现场试验和检测，验证了处理效果。

2 地质条件

引黄入冀补淀工程河北段位于河北平原的中南部。主要为平原地貌，地势平坦开阔。工程沿线第四纪全新世地层厚20～50m，发育的地层主要有：第四系全新统(Q4)冲洪积和冲积、湖沼积层；上更新统(Q3)冲积、湖沼积层。其中近地表全新统(Q4)冲洪积地层岩性为浅黄～棕黄色粉粒含量较高的砂壤土、壤土、粘土，以及粉砂、细砂。其下为一套冲积为主地层，岩性为灰褐色、黑灰色含有机质粘土、壤土、砂壤土，灰黄色、棕黄色、黄褐色粉砂、细砂［1］。

工程沿线地下水为第四系孔隙潜水，因雨季积水或调水运用，多有上层滞水，水位在渠底附近。

引黄入冀补淀工程河北段所处区域地震动峰值加速度0.10～0.15g，相应地震基本烈度Ⅶ度［1］。地基中的粉细砂、少粘性土在饱和状态下有震动液化可能，场地多为轻微～中等(局部严重)液化等级［1］。

本工程中的闸涵建筑物，位于地震动峰值加速度0.10～0.15g场区(地震烈度Ⅶ度)［4］的共108座，其中28个场区为轻微液化等级，42个场区为中等液化等级，24个场区为严重液化等级［8］。水工建筑物的持力层以Ⅱ单元粘土、壤土、砂壤土、有机质壤土等粘性土为主，地基承载力特征值90～120kPa，计算最大地基应力为136～175kPa，各土层压缩模量在2.6～9.76MPa之间。

工程沿线水工建筑物抗震设防类别为丙类，对于轻度地基液化，仅对上部结构进行加强处理；对于中等和严重液化地基，部分或全部消除液化问题影响［2］。

3 方案选择

工程沿线建筑物地基下卧层存基液化可能，且为中、高等压缩性土，部分水工建筑物持力层承载力偏低。对于闸涵工程，结合河北省工程实践，对振冲法、排水强夯法、夯扩桩法、水泥土搅拌桩框格围封法等消除液化处理方案进行了比较。

(1)换填法。换填法适用于浅层软弱地基及不均匀土层的地基处理，换填厚度一般不大于3m；当软弱土层埋深较大时，常因地下水位高等原因导致工程费用高、工期长、对环境影响增大等问题。本工程基础下的液化土层、软弱土层埋深3m以内的，采用换填法处理，处理设计部分不再赘述。

(2)振冲法。利用振动、冲击或水冲等方式形成大直径碎石所构成的密实桩体，依靠桩的挤密置换和施工过程中的振动作用使桩周土密实度增加，提高地基承载力，降低压缩性，避免地基土体液化。振冲法的碎石桩桩体形成排水通道，利于施工期排水，其施工工艺成熟，工期短，效果评价直观。不利条件是破坏了隔水层，可能导致形成渗漏通道，对闸基渗透稳定性不利。

(3)排水强夯法。对于场区地下水位高，淤泥质地层分布广的地基，为避免强夯形成“橡皮土”，可采用排水强夯法。首先在夯击点位设置沉管碎石桩或夯扩碎石桩作为排水体，利用强夯产生的巨大能量扩散到桩体中，排开周围土体，同时，将空隙水挤压到桩体中，通过桩体排出。桩体挤压周围土体形成土石混合体，达到消除液化、提高地基土承载力和减小不均匀变形的目的，处理后土体密实，效果明显。不利条件是施工机械移动受场地限制困难较大，且需要多种设备配合使用，对于分散工程而言，由于单体工程处理面积小往往导致处理费用提高。

(4)夯扩桩法。夯扩桩利用细长锤夯击成孔，成孔后在孔内填无害建筑垃圾、碎石、石碴、泥砾等材料或复合填料，用夯锤进行夯击，在桩底及桩周范围夯实、挤密，达到消除地基液化、提高地基承载力、减小变形的目。复合载体夯扩桩兼顾了振冲法和强夯法的优点，施工速度快，处理后地基承载力提高显著，对地层适应性强。不利条件是对于有承压水的地层应通过试验验证其适用性，施工中应加强桩周土体监测，避免过大隆起。

(5)围封法。采用混凝土框格等材料限制液化土层的侧向变形，并利用建筑物底板作为地基表面混凝土盖板，避免地基在地震时发生喷水、喷砂破坏。围封法利用连续的水泥土搅拌桩形成墙体，施工速度快。不利条件是排水费用高，且不能解决地基松散问题，针对基础变形和地基承载力问题需另外采取相应措施，增加工程投资。

以本工程某水闸为例，地基液化层深度5m，处理深度至非液化层1m，布置桩长6m。按上述振冲法、排水强夯法、围封法、复合载体夯扩桩等4种方式进行处理，投资分别约为1542、1213、1801、924元/m2，复合载体夯扩桩方案投资最低。

本工程为长距离输水的线性工程，需进行地基处理的建筑物数量众多且位置分散，结合本工程特点和与之类似的南水北调中线工程地基液化处理经验，引黄入冀补淀工程闸涵建筑物地基液化处理方式以复合载体夯扩桩为主，对于含分层水的复杂地基和需严格控制周边地基变形的建筑物地基处理采用围封法，本文仅介绍复合载体夯扩桩法。

4 地基处理设计

本工程地基处理的目的是在提高地基承载力的同时，部分或全部消除液化问题影响。夯扩桩复合地基的液化判别采用标准贯入试验法进行检测［5］，承载力特征值通过现场复合地基载荷试验确定，复合地基单桩和处理后桩间土承载力特征值估算公式为：

式中，fspk—夯扩桩复合地基承载力特征值，kPa；fsk—处理后桩间土承载力特征值，kPa，由于缺乏实测资料，可取原状土承载力特征值；n—复合地基桩土应力比，根据不同地层岩性和水泥碎石土的成桩材料取3～4；m—面积置换率；d—桩身平均直径，m；de—单桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m；采用等边三角形布桩，s—桩间距，m。

复合土层的压缩模量计算公式为：

式中，Ai—加固土层第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值；Aj—加固土层下第j层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。

对于地震液化土层，采用复合载体夯扩桩进行处理，其处理范围应大于基底面积，在基础外缘扩大宽度不应小于基底下可液化土层厚度的1/2，且不小于5m［6］。设计桩径根据相应土层的密实程度确定为0.5～0.65m，对于严重液化土层和疏松土层桩间距取1.5m，中等液化土层和稍密土层取1.8m，桩长根据液化土层深度确定。

桩体设计底高程为液化土层底部以上约1m，夯扩桩影响范围为设计桩底高程以下2m，至非液化土层以下1m左右。对于中等液化地基的有机质壤土层，夯扩桩设计平均桩径为600mm，桩中心距1.8m；对于严重液化地基的粉砂层、有机质壤土层，夯扩桩设计桩径为600mm，桩中心距1.5m；均为正三角形布置，桩体材料相同。

由于地基处理范围均位于闸涵建筑物防渗轮廓范围内，为保证地基土的防渗效果，桩体采用水泥、碎石、粘性土复合材料，水泥掺量6%(土重)，碎石和水泥土比例为4∶6。处理后土层密实度大于原状土，因此，地基抗渗透能力会相应提高。

经估算，处理后各建筑物地基承载力提高到162～175kPa，各土层压缩模量为5.46～8.32MPa，均满足设计要求。

设计要求施工前，根据地质条件在现场选择有代表性的场地进行试桩、原位测试和室内试验，根据试验成果，确定采用的各项设计参数，在取得参建各方对试验成果同意的基础上，按照批准的设计参数进行大面积夯扩桩施工；水泥碎石土指标可通过现场碾压试验进行检验。

5 检测试验

桩间土检验采用重型动力触探或标贯试验，检验点数按桩总数的2%计。每一单体工程桩身及桩间土总检验点数均不应少于6点，检验时间为成桩后7～14d。承载力检验采用复合地基载荷试验，检验数量为总桩数的0.5%，且每一单体工程不应少于3点，载荷试验应在成桩14d后进行。

为检验施工参数和处理效果，夯扩桩完成后，施工单位委托有资质的检测单位对地基液化是否消除采用标准贯入试验法进行了检测［5］，检测结果为处理深度范围内的地层不液化。

某闸地基处理前，地基承载力特征值为110kPa，压缩模量2.6～4.7MPa，要求处理后承载力特征值不小于160kPa，载荷试验最大沉降量不大于40mm。地基处理施工完成后，经现场载荷试验，在载荷达到320kPa时，最大沉降量32mm，处理后承载力-基础变形曲线如图1所示，地基承载力及沉降量均满足设计要求。

图1 夯扩桩处理后承载力-基础变形曲线

6 结语

复合载体夯扩桩主要是对地基土进行挤密，改善土的物理力学性质，提高地基土的承载能力和压缩模量，减少土的压缩变形，从而消除了土的液化问题。本工程处理前可液化土层的实测标贯击数3～8击，平均值5.9击；复合载体夯扩桩处理后，实测标贯击数10～16击，平均值为12.5击，地基承载力、变形均满足设计要求，且消除了液化问题影响。

引黄入冀补淀工程河北段共有66座闸涵建筑物的液化、软弱地基采用了夯扩桩进行处理，目前已有63座建筑物地基处理完成施工，从现场检测资料来看，均满足设计要求。由此可见，复合载体夯扩桩在引黄入冀补淀工程河北段地基处理中的应用是成功的，对华北平原地区特别是黑龙港地区复杂地层上的水工建筑物地基处理具有指导意义。

［1］李书群.引黄入冀补淀工程初步设计报告［R］.2015.

［2］GB 50011-2010.建筑抗震设计规范［S］.

［3］GB/T 50783-2012.复合地基技术规范［S］.

［4］SL 203-97.水工建筑物抗震设计规范［S］.

［5］NBT 35047-2015.水电工程水工建筑物抗震设计规范［S］.

［6］JGJ 79-2012.建筑地基处理技术规范［S］.

［7］JGJ/T 135-2001.复合载体夯扩桩设计规程［S］.

［8］GB 50487-2008.水利水电工程地质勘察规范［S］.

TU472.3

B

1672-2469(2017)03-0036-03

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

2017-01-17

郭绍艾(1958年—)，男，教授级高级工程师。