水工建筑物地基土地震液化处理措施

王方圆，刘 敏，王 新

（1.济南市水利建筑勘测设计研究院有限公司，山东 济南250101；2.济南水务学会，山东 济南250000）

饱和无黏性土或少黏性土颗粒在地震动作用下趋于紧密，孔隙水压力急剧上升，有效应力迅速降低并趋近于零的现象，称为地震液化，其典型的现象是喷水、冒砂和流动。

地基土的地震液化可引起水闸、泵站等建筑物产生沉降、倾斜，甚至沉陷、倾倒；可引起渡槽等跨河建筑物排架或槽墩等支承结构形成冲剪，进而发生折断、垮塌；可引起河道岸堤陷落、开裂或滑坡，或使两岸岸坡向河中心移动，河道变窄、河底抬升、河道变形；可引起坝体陷落、开裂，甚至连同坝基一起滑坡。

1 影响地基土液化的主要因素

饱和无黏性土和少黏性土的地震液化机制包括先后发生的振动液化和渗流液化。结合土层特征和条件分析，影响地基土液化的主要因素有：土层特征、地震作用和其他条件。

1.1 土层特征

土层特征包括土的密实程度，土的颗粒级配，土的粒径大小、透水性及黏粒含量。饱和无黏性土和少黏性土越松散，其抵抗液化能力越差，越容易发生液化；级配均匀的土比级配良好的土容易发生液化；通常不均匀系数小于10时易发生液化；土的颗粒越细、透水性越差、且黏粒含量越少，越容易发生液化。

1.2 地震作用

地震作用包括地震作用的强度和地震作用的持续时间。地震作用的强度越大（即烈度越高）、持续时间越长，土越容易发生液化。通常地震设计烈度为6°时，可采取适当的抗震措施，而不进行抗震计算；地震设计烈度为7°及7°以上时，除应分析地震作用和进行抗震设计外，尚应采取安全可靠的抗震措施。根据有关试验测定，能引起液化的地震历时，一般都超过15 s。

1.3 其他条件

其他条件包括土层的形成年代和成因，埋藏条件、边界排水条件等。地质年代为第四纪晚更新世（Q3）或以前的土，可判为不液化土；历次地震震后调查发现，液化土层多位于近代海相及河湖相沉积平原、河口三角洲，特别是洼地、河流的泛滥地带、河漫滩、古河道、滨海地带及人工填土地带等；土层埋深越大，液化所需孔隙水压力越高，液化难度也就越大，一般认为液化判别应在地面以下15 m深度范围内，最大液化深度在20 m；地下水的存在是无黏性土和少黏性土发生液化的必要条件，地下水埋藏越浅，土层越容易发生液化；饱和无黏性土和少黏性土层厚越大，边界排水条件越差，越不利于孔隙水压力的消散，越容易发生液化。

2 处理措施

2.1 挖除置换法（换填垫层法）

挖除置换法（换填垫层法）适用于浅层液化地基土的处理。根据建筑物类型及其要求，可选择壤土、灰土、水泥土、碎石土等做为换填材料，亦可采取将原土层翻压密实处理措施。采取挖除置换法（换填垫层法）处理液化地基土层需注意：一是要保证换填土的密实程度，二是要保证换填土的范围要超出建筑物基础底面积范围。

2.2 夯实法

夯实法包括强夯法和强夯置换法。强夯法适用于处理无黏性土和少黏性土等液化地基，强夯置换法适用于处理高饱和度的少黏性土等液化地基。当场地地下水位较高，影响施工或夯实效果时，应采取降水或其他技术措施进行处理。采取夯实法处理液化地基土的范围也应超出建筑物基础底面积范围。

2.3 复合地基法

复合地基法包括振冲挤密碎石桩法、沉管砂石桩法和柱锤冲扩桩（夯扩桩）法等。采取复合地基法，一方面可使原来结构松散的饱和无黏性土、饱和少黏性土变得密实，达到地基加固效果；另一方面，可使在地震作用下产生的孔隙水压力通过具有强透水性的碎石桩等增强体迅速消散，由此两方面作用使原来的可液化土成为非液化土。

2.4 设置压重平台法

设置压重平台法，即通过增加上覆荷载使饱和无黏性土层和少黏性土层顶面的有效压重大于产生液化的临界压重，进而使场地原来可液化土成为非液化土。压重平台的范围、厚度应根据液化地基土层的分布、层厚及埋深确定。

2.5 围封法

采用连续墙体将建筑物基底可液化土层围封，以切断连续墙外侧液化土层对地基的影响，增加地基内土层的侧向压力，限制其侧向变形。建筑物以下被围封起来的饱和无黏性土和饱和少黏性土因建筑物的压力大于有效覆盖层压力而不致液化。围封墙体根据场地条件等因素可选择混凝土连续墙、钢筋混凝土连续墙、水泥土搅拌桩连续墙、振动沉模连续墙和板桩等。

2.6 注浆法

通过注浆改变建筑物基底可液化土层的结构，使其成为非液化土，注浆材料可选择水泥浆、水泥黏土浆等。

2.7 深基础法

采用桩基或沉井等深基础形式时，桩端或沉井端部应穿过可液化土层，进入非液化土层足够的长度。采用桩基础时，应分析可液化土层地震液化情况下桩基的侧向稳定性。

3 工程实例

3.1 围封法处理可液化地基

庙廊节制闸工程位于邢家渡引黄灌区主干渠桩号23+700处，设计引水流量50 m3/s，建筑物级别为3级。根据工程地质勘察报告，在地震动峰值加速度0.10 g条件下，场地地面以下15 m深度范围内分布的第①层砂壤土、第②1层砂壤土、第③层砂壤土和第⑤1层砂壤土均属可液化土层。

场地位于黄河下游冲积平原，地基土为新近沉积土，允许承载力低；持力层第①层砂壤土具中等透水性，存在渗漏和渗透稳定问题；下卧层第②层黏土具高压缩性，存在沉降和抗滑稳定问题。综合评价认为：新建庙廊节制闸工程不应采用天然地基。

结合同地区以往工程建设经验，工程采取水泥土搅拌桩复合地基处理，其外围采用水泥土搅拌桩连续墙进行围封，一是可改善地基土的工程地质性质，提高地基土层的承载力，二是可改善地基土层的水文地质性质，三是可通过围封减轻地震带来的液化问题。

3.2 设置压重平台法处理可液化地基

白云水库工程位于济南市章丘区高官寨与白云湖街道办交界处，水库总库容1 641万m3，水库规模为中型，工程等别为Ⅲ等，围坝建筑物级别为3级。根据工程地质勘察报告显示，在地震动峰值加速度0.10 g条件下，场地地面以下15 m深度范围内分布的第①层砂壤土和第②2层砂壤土均属于可液化土层。

场地位于黄河冲积平原与山前冲洪积平原的交互带，上部地基土为新近沉积土，持力层第①层砂壤土具中等透水性，存在渗漏和渗透稳定问题；下卧层第①1层裂隙黏土具高压缩性及典型的失水干裂、遇水软化特征，存在沉降和抗滑稳定问题，并且易沿坝脚位置产生剪切破坏。

结合同地区以往工程建设经验，围坝工程采取设置压重平台法，同时控制施工速率不应过快，一是可改善坝基土的工程地质性质，使沉降大部分发生在施工期，减少工后沉降，二是可增强坝基土层的渗透稳定性，三是可通过设置压重平台增强大坝的抗滑稳定性和减轻地震带来的液化问题。

4 结语

通常，液化最先发生在基底下外侧的区域，因此液化地基的处理范围一般要超出建筑物基础底面积范围。水工建筑物液化地基的处理，应根据建筑物体型、结构特点、场地条件等结合建筑物地基承载力、沉降、抗滑稳定性、渗漏及渗透稳定性等工程地质问题综合考虑，经技术、经济比选后确定，以期在保证安全和质量的前提下，达到节约投资、提高效益的最佳效果。