变电站中减饱和法液化地基处理的原理与方法

侍成 鄢博 陈俊杰

摘 要：地基液化会给建筑设施带来灾难性的影响，是岩土地震工程面临的主要问题之一。传统液化地基处理方法强夯法、挤密砂桩法、碎石桩和水泥土搅拌桩等在工程实践中存在成本较高且技术复杂的问题。新型的液化地基处理方法减饱和法，相对于传统液化地基处理方法具有成本低，简单易操作等诸多优势。从加固机理、减饱和的几种产气方法、产生气体的形态及稳定性等几方面对减饱和法进行介绍和分析，对变电站建设降低地基处理成本提供了技术支撑。

关键词：地基液化;砂土;减饱和法

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0171-05

The Principle and Method of Liquefaction Foundation Treatment by Desaturation Method in Substations

Shi Cheng，Yan Bo，Chen Junjie

（Economic and Technical Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 210008，China）

Abstract：Foundation liquefaction will bring catastrophic effects on construction facilities， and it is one of the main problems in geotechnical seismic engineering. Traditional liquefied foundation treatment methods such as dynamic coMPaction method， coMPacted sand pile method， gravel pile and cement-soil mixing pile have high cost and complicated technology in engineering practice. The new type of liquefied foundation treatment method， the desaturation method， has many advantages， such as low cost， simple and easy operation， coMPared with the traditional liquefied foundation treatment method. Introduce and analyze the desaturation method from the aspects of reinforcement mechanism， several gas production methods for desaturation， the form and stability of the gas produced， and provide technical support for the construction of substations to reduce the cost of foundation treatment.

Key words： foundation liquefaction; sandy soil; desaturation method

0 引言

地震作為一种强烈的地质灾害，会带来巨大的灾难。大量的地震灾害调查表明，饱和土体液化导致的震陷和侧向扩展能够引起地上结构的不均匀沉降、倒塌、倾斜、道路开裂、地下结构上浮、破裂和其他形式的破坏等一系列严重的灾害[1-3]。近年来，诸多地震发生时，也都伴随有土体液化现象。例如，2011年的新西兰克赖斯特彻奇地震，2011年的日本东北地区大地震和2008年的汶川地震[4]。如今，在我国基础建设迅猛发展的新时期，如何有效处理地基液化问题是保证基础建设安全的关键问题之一。地基液化通常容易发生在松散的饱和砂土和粉土地基当中。由于其颗粒松散且处于饱和状态，在经受一定强度的地震荷载作用后，土体中的水不能及时排出，土中超静孔隙水压力不断上升，土颗粒间有效应力下降。最终，土体中有效应力降为零，此时土颗粒处于悬浮流动状态，表现出类似于流体的性质，地基土失去承载力，进而导致基础设施的沉降、位移、倾覆、结构损坏或其他形式的破坏。

目前，处理液化地基的传统方法有强夯法，挤密砂桩法，碎石桩和水泥土搅拌桩等方法。工程实践表明，这些传统的地基处理方法可以有效地解决地基液化的问题。然而，这些传统方法通常成本较高，往往无法在普通的建筑和结构中使用。并且，这些方法难以在已建成建筑的地基中使用。因此，我们迫切需要寻找廉价且有效的新型的液化地基处理方法。

饱和的松散砂土和粉土在地震作用下容易液化，研究发现松散砂土的不排水剪切强度和抗液化性能会随着饱和度的降低而升高。在循环三轴和循环扭剪试验中，如果饱和砂土的饱和度稍有降低，砂土的强度就会有较大的增强。在振动台试验中，一些学者同样发现非饱和砂土的超静孔隙水压力和体积变形都小于饱和砂土。同时，在三轴固结不排水试验中，当松砂的饱和度由100%降低至90%以下时，松砂的应力应变曲线会由应变软化（液化）型变为硬化（非液化）型。这些试验结果都表明降低土体饱和度可以有效解决或减轻液化问题。本文从作用原理，几种土体减饱和方法，减饱和土体中气体的形态，及气体的稳定性几方面对减饱和法进行介绍和分析。

1 减饱和法的加固机理和力学性能

1.1 减饱和法的加固机理

减饱和法是通过在饱和土体中注入性质稳定且不溶于水的气泡，降低土体饱和度，增强地基抗液化性能的一种新型液化地基处理技术。减饱和处理后的地基受到一定强度的动荷载时，地基中的气泡能够有效地减缓土体内超静孔隙水应力u的增长，从而使土体有效应力σ'不为0，仍能保留一定的强度保证地基不会发生液化现象。减饱和法的加固效果可以通过有效应力原理及有效剪切强度的计算公式加以证明：

公式中σ '为土体总应力;τ '为有效剪切强度;c'为土体有效黏聚力;φ'为土体有效内摩擦角。

从公式中可以看出，当土体内超静孔隙水应力u的增长减缓，其有效应力σ' 将大于0，所以土体始终保持一定的剪切强度，以抵抗地基液化现象的发生。而减饱和法正是通过降低土体的饱和度，减缓超静孔隙水应力的增长，以达到抗液化的效果。

1.2 减饱和法对土体力学性能的影响

近年的试验研究表明，降低液化土体的饱和度能够有效地改善土体的抗液化性能。例如，Martin、Fin 和Seed等通过试验发现，在循环荷载作用下，孔隙率为40%的试样饱和度降低1%时，其超静孔隙水压力增量下降28%。Chaneyd等研究发现，当土体的饱和度由100%降低至90%时，其抗液化强度会提高两倍。之后， Xia 等人对饱和度不同的砂样进行抗液化试验，结果表明土体抗液化的强度随着饱和度的降低而显著增大，当饱和砂样的饱和度降至97.8%时，其抗液化强度升高30%，图1为循环加载次数与循环应力比之间的关系。Ishihara等人发现土体抗液化强度也会随着孔隙水应力系数B值的减小而增大 。三轴试验中的孔隙水应力系数B值是土体饱和度的反映，B值随着饱和度的降低而降低。

振动台试验显示，不饱和砂土的抗液化性能明显高于饱和砂土。饱和砂土的孔隙水压力系数接近1，几乎完全液化（孔隙水压力系数在这里定义为超静孔隙水压力和初始有效应力的比值）;不饱和砂土的孔隙水压力增长和体积应变均远小于饱和砂土;且位于不饱和砂土上的结构物模型几乎没有沉降，而位于饱和砂土上的结构物模型发生了明显的沉降。当砂样的饱和度由100%降为87.5%时，其剪切强度明显增大，应力应变关系也由应变软化型变为硬化型。并且，砂样的超静孔隙水压力也随着饱和度的降低而减小。

2 减饱和的产气方法

减饱和法是通过向地基土内部加入气体，降低土体饱和度，来实现增强地基抗液化性能的液化地基处理新技术。处理过程中，向地基内部加入的气体必须满足以下基本要求：①通过注气量可以准确地控制土体饱和度;②气体在土中的分布应较为均匀;③气体在土中能够储存较长的时间（选择在水中的溶解性低、化学性质稳定、可长时间埋于地下的气体）。只有满足这些要求，减饱和法在工程中才具有可行性。现有的减饱和产气方法具体包括以下5种：

（1）直接注气法。Okamura等人在2011年利用直接注气法进行了液化地基现场加固试验研究[16]。试验场地为靠近码头的一处液化地基。现场预先将钻有小孔的塑料管插入地面以下，空气注入点布置在可液化层底部附近，空气通过接在塑料管一端的软管注入。试验结果表明，在离注入点4m的范围内土体的饱和度均有降低。注气后，土体的饱和度降为68%～98%，其循环剪切强度变为原来的两倍。为保证气泡进入土体，注气压力应大于静水压力和毛细管压力之和。同时，应小于有效应力（以竖向或水平方向最小者为准），避免注气点周围土体破坏。气体流速与注气压力成线性关系。Catney 和Lynch（2001）的试验结果显示[17]：（a）较低注气压力下，土体非饱和区面积增加较快，当注气压力增大时，土体非饱和区面积增加速率降低;（b）较小的注气孔有助于产生较小的气泡，形成更稳定的非饱和区;（c）为避免注气压力过大造成地基液化，注气前应在地基上部进行堆载。以上结论对直接注气抗液化技术的实施具有一定参考价值。

（2）电解法。为增强地基抗液化性能，Yegian 等[8]采用应变控制式振动台模型试验对饱和、非饱和的砂土进行试验研究，探究电解水法降低土体饱和度的可行性。试验采用模型箱尺寸为20cm×30cm×29cm。当两个电极之间存在電势时，阴极产生氢气，阳极产生氧气，具体反应方程式如下：

阴极：

阳极：

试验过程中，阴极位于模型盒底部，阳极位于顶部。通过观察模型箱内水位的变化，计算土体的饱和度。在525MA的电流作用下，通电3～5.5h后，土体饱和度由100%降至96.3%，并且在动荷载作用下，土体的抗液化性能显著增强。

（3）化学法。化学法是一种将化学试剂注入液化地基中，使其在土中扩散并通过自身化学反应产生气泡以降低土体饱和度的方法。通过该方法产生的气体，以气泡的形式存在于土体孔隙中，使土体达到引气减饱和的目的。

Eseller-Bayat利用NaBO3在水中反应产生的O2进行了地基抗液化的室内试验研究。试验中NaBO3首先与水反应产生H2O2，之后H2O2在水中自行分解产生O2，具体反应化学方程如下：

第一步：

第二步：

通过以上反应，最终在土体孔隙中产生一定量稳定的氧气气泡，从而降低了土体的饱和度。Eseller-Bayat通过试验还指出，土体饱和度与加入NaBO3的质量有密切关系，即可以通过改变加入NaBO3的多少来控制土体的饱和度，并且生成的气泡可以均匀的分布在土体中。

（4）微生物法。微生物法是通过微生物生化反应产生不溶于水的稳定性气体，降低土体饱和度，提高地基抗液化性能的新型抗液化方法。微生物反硝化过程是实现这一目标的一个理想选择。反应过程中，NO3- 在反硝化细菌作用下，逐步还原成N2[19]，降低土体饱和度，最终达到提高抗液化能力的效果。性质稳定且难溶于水。

何稼等利用乙醇作为电子供体，通过反硝化细菌中酶的作用将NO3-还原产生N2：

试验在自行设计的模具中进行，以便于观测非饱和土体在动荷载作用下超静孔隙水压力和上部结构物沉降量的变化。试验对比分析了饱和土体和饱和度为90%的土体的动力特征，结果表明反硝化细菌产气减饱和后，土体抗液化能力明显增强。

（5）挤密砂桩法。挤密砂桩法是一种传统的液化地基加固方法，其通过施工挤密作用，降低土体孔隙率，提高土颗粒间有效应力，达到加固液化地基的效果。相关研究发现，在挤密砂桩施工过程中，会向周边土体引入气泡，降低土体饱和度，起到引气减饱和的作用，有利于地基抗液化能力的提升。并且，Okamura 等[21]人通过试验指出这些气泡性质稳定，能够在土体中储存较长时间。

3 气体形态

地基减饱和处理的过程伴随着气泡的产生，然而，我们肉眼难以观察气泡在土体内部的分布形态。何稼等人通过CT技术对利用微生物减饱和形成的非饱和砂土进行观察分析。试验所用CT设备采用高分辨率数字摄影和计算机断层扫描系统。CT技术产生的图像中，密度高的材料成像较亮，密度低的材料成像较暗。试验中两个砂样的CT图像如图2所示。饱和砂样的孔隙分布均匀（图a，图b）;非饱和砂样（饱和度为94%），在横向和竖向都存在少量颜色较暗区域（图c，图d），且尺寸略大于沙粒（沙粒的平均尺寸为0.4mm）。这些较暗的区域是由气体或者汽水混合物组成。

Eseller-Bayat等人还通过显微相机拍照技术拍摄了NaBO3反应产生的气泡在土体内部的分布情况。由图3可知，NaBO3反应产生的气泡在土体中的分布较为均匀。

4 气体稳定性

大量试验证明，减饱和液化地基处理技术可以有效提高地基的抗液化性能，但地基中气泡的稳定性是另一个值得关注的问题。何稼等人利用如图4的装置，探究在静水、向上水流和向下水流3种情况下，非饱和土体中气泡的稳定性。饱和度随时间的变化通过砂柱质量的变化计算得到（试验过程中砂柱内的气泡被水取代）。通过测量砂柱内水的流速而得到的渗透率也可以间接反映出砂柱饱和度的变化。试验中，对砂柱的孔隙比进行实时监测。

减饱和处理后的3组砂柱的气泡含量基本相同，仅砂柱上表面溢出少量气泡。试验测试结果如图5所示。

从图5中可以看出，在静水条件下，10d内，砂柱的饱和度基本不变。然而，在向上水流或向下水流的条件下，砂柱中的气泡会逐渐排出。4d后，砂柱的饱和度由89%变为100%。并且，在砂柱饱和度变化的过程中伴随着孔隙比的变化，如图6所示。

砂柱渗透性的改变同样可以反映饱和度的变化。图7所示。在静水条件下，10d内，砂柱的渗透性保持不变，但在水流条件下，砂柱的渗透性逐渐增大，基本与砂柱饱和度的变化一致。以上试验结果表明，静水条件下，气泡在地基中较为稳定;动水条件下，气泡不稳定易消散。本试验所得结果与Okamura等人的试验结果一致。Okamura等人的试验显示，土体中的气泡在静水条件下可以稳定存在超过20年，但在水流的影响下，土体中的气泡将会逐渐消失。所以，当非饱和区存在水流时，应采取一定的措施阻断水流通道，保证气体的稳定性。

5 结语

减饱和法作为一种新型的液化地基处理方法，是通过向液化地基中引入稳定且不溶于水的气泡，降低土体饱和度来提高地基抗液化性能的方法。文章主要从加固机理，减饱和的几种产气方法，产生气体的形态及稳定性进行介绍和分析，并在文末指出了各种产气方法在施工过程中所面临的一些问题。

對于一些全敞开电气布置的变电站工程，场地上多为电气设备基础，无建筑物或建筑多为单层布置，荷载较小，对地基承载力要求较低。但在液化地区也需要进行液化处理以保证地震时的地基承载力要求。

与传统的液化地基处理方法相比，减饱和法处理液化地基具有明显优势。例如，该方法简单易操作且成本较低，可应用于已建成建筑物的液化地基中，且具有一定的环境和生态优势。但是，减饱和液化地基处理技术仍停留在理论研究阶段，离系统的工程应用还有一定距离，需要更多的试验研究和试点应用来实现大面积推广。

参考文献

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[2]刘松玉，朱志铎，方磊，等.高速公路液化地基处理原则与方法[J].岩土工程学报，2001，23（2）：135-138.

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[4]Miloslav ?imek，Linda J???ová，David W Hopkins.What is the so-called optimum pH for denitrification in soil？[J].Soil Biology and Biochemistry，2002，34（9）：1227-1234.