广州某输气管道工程处理液化土地基的实例分析

周孔沛

(中国石油天然气管道工程有限公司成都分公司，四川 成都 610000)

1 液化土的研究现状

1.1 概 念

液化一般是指饱和的砂土在地震动荷载作用下孔压增大，土体间有效应力减小，且土体强度随之降低，当孔压上升到等于有效围压力，即孔压比等于1时砂体强度几乎为0，完全丧失承载力，其形态类似于液体，由此称为砂土液化。

液化的宏观现象是指在地震作用下场区发生的喷水冒砂、滑移、房屋下沉等现象，是检验液化的标准[1]。

1.2 对建筑物的影响

对液化土层进行地基液化等级划分是为了将预估的液化危害程度定量化以便采取相应的抗液化措施。通常来说，液化土层的厚度越大、埋深越小，其液化危害程度则越大。按照液化指数(地面下20 m深范围内)的大小可分为轻微、中等和严重三个等级，各级的液化指数、地面喷水冒砂情况以及建筑物遭受的危害程度见表1。

表1 液化等级以及建筑物遭受的危害程度

1.3 处理液化的常规方式

依据建筑抗震设防类别的高低不同，基于拟建场区液化土的严重程度，各种基本抗液化措施可按照表2中要求来选用。

表2 抗液化措施

1.3.1 全部消除液化沉陷的处理方式

1)将全部液化土层进行换填，或者在液化土上方人为增加非液化土层厚度。

2)采用穿透液化土层的桩基础，桩端应进入液化土层之下稳定土层(一般为坚硬土层或基岩)内足够的长度，从而彻底保证上部建筑单体不受液化土层的影响。

3)深埋基础从而规避上方液化土层的影响，一般要求埋入液化土层之下的稳定土层中0.5 m以上[2]。

4)采用复合地基方式进行加固，如振冲碎石桩、水泥土搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩CFG桩、灰土挤密桩等，但要求处理深度必须达到液化土层之下。

1.3.2 部分消除液化沉陷处理方式：

1)仅处理部分深度的液化土层，但能保证其地基液化指数降至5以下。

2)采用复合地基方式进行加固，如振冲桩、CFG桩、挤密碎石桩等。

3)在液化土上方增加一定厚度非液化土层，或者优化场地周围的排水情况。

1.3.3 对基础和上部结构进行处理的方式

1)选择合适的基础埋置深度。

2)调整基础底面积，减少基础偏心。

3)通过采用筏型基础、箱型基础、条形基础或加设基础圈梁等方式，以加强基础的整体性和刚度。

4)合理设置沉降缝或者减少上部荷载作用，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，或者优化结构形式(避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式)等。

2 拟建场区地层情况及液化判别

本输气管道工程位于广东省广州市，拟在黄埔电厂西厂区东北角新建输气末站(黄埔电厂末站)，输气末站内将新建进出站阀组区、计量区、清管区内等各种工艺设施。

据钻探揭露，拟建场地地层勘探深度内主要为第四系杂填土(Q4ml)、冲海积(Q4fm)淤泥、粗砂、砾砂、残坡积(Q4el)和白垩系(K2)灰黑色火山角砾岩。根据地层时代、成因、岩性及物理力学指标特征等，将本工程拟建场区地层划分如下。①层杂填土(Q4ml)：灰褐色，主要是由人工堆填的碎石、粗砂和粉质黏土组成。碎石主要成分为花岗岩。该层分布于拟建场区表层，层厚1.4～3.3 m，层底高程-0.78～1.11 m；土石等级Ⅲ级，普式分类Ⅲ类。②层淤泥(Q4fm)：灰褐色，流塑，土质较均匀，含有机质，具腥臭味。该层分布在场区西侧，仅在钻孔ZK1、ZK2和ZK4有揭露，层厚1.6～3.2 m，层底高程-3.98～-2.21 m；土石等级Ⅰ级，普式分类Ⅰ类。③层粗砂(Q4fm)：灰黑色，局部灰黄色，粗砂：灰黑色，饱和，松散，主要成分为石英和长石，含量约90%，颗粒呈亚圆形，颗粒级配一般。局部夹少量淤泥，层厚约0.2～0.3 m。该层分布广泛，除钻孔ZK7之外，其余各钻孔均有揭露，层厚1.7～7.6 m，层底高程-7.11～-1.62 m；土石等级Ⅱ级，普式分类Ⅱ类。③-1层砾砂(Q4fm)：灰黄色，局部灰黑色，饱和，松散，主要成分为石英和长石，含量约90%，颗粒呈亚圆形，颗粒级配一般。该层仅在钻孔ZK5、ZK6、ZK7、ZK8和ZK9有揭露，层厚1.4～7.3 m，层底高程-7.41～-6.49 m；土石等级Ⅱ级，普式分类Ⅱ类。④层粉质黏土(Q4el)：黄褐色，软塑～可塑，土质不均，含石英颗粒，粒径2～5 mm，含量10%～20%。切面无光泽，干强度和韧性差。岩芯呈柱状。该层在拟建场区分布广泛，所有钻孔均有揭露，仅钻孔ZK4、ZK5和ZK6揭穿。揭穿部分层厚0.6～4.1 m，层底高程-10.49～-7.42 m；土石等级Ⅱ级，普式分类Ⅱ类。④-1层粉质黏土(Q4el)：灰白色，可塑，土质不均，含石英颗粒，粒径2～5 mm，含量10%。切面无光泽，干强度和韧性差。岩芯呈柱状。该层仅在钻孔ZK9中有揭露，且未揭穿。土石等级Ⅱ级，普式分类Ⅱ类。⑤全风化火山角砾岩(K2)：黄褐色，主要成分为长石和石英颗粒，粒径2～10 mm，无胶结。含少量黏土，含量约10%。岩芯呈柱状，少量呈散体状，断面可见部分原岩结构。该层仅在钻孔ZK4、ZK5和ZK6中有揭露，层厚1.0～3.8 m，层底高程-12.41～-10.51。土石等级Ⅲ级，普式分类Ⅲ类。⑥层中等风化火山角砾岩(K2)：灰黑色，粗粒结构，角砾状构造，主要成分为长石、石英颗粒，粒径2～10 mm，局部30 mm，含量约80%，钙质胶结。岩芯呈柱状，而局部为短柱状，节理、裂隙发育，RQD约为70%。岩质较软，饱和抗压强度平均值为5.42 MPa。该层仅在钻孔ZK4、ZK5和ZK6中有揭露，且未揭穿。土石等级Ⅵ级，普式分类Ⅵ类。

拟建场区典型的地勘钻孔柱状图见图1。

图1 典型地勘钻孔柱状图

依据勘察规范及抗震规范，初步判定③层粗砂为液化土，需进行进一步液化判别。进一步针对钻孔ZK1、ZK5和ZK9进行液化判别，结果表明，场区③层粗砂的液化指数为13.48～17.15，因此确定拟建场区液化等级为中等。

3 地基处理措施分析及比选

本工程场区需要处理的土层为②层淤泥和③层粗砂，其中淤泥为软弱土层，而粗砂为液化土层，其液化指数上限为17.15，虽然判定为中等液化但实际上已接近严重液化程度(液化指数18以上)，因此必须重点处理③层粗砂。

3.1 针对②层淤泥的处理措施

②层淤泥地基承载力特征值仅有40 kPa，属于标准的软弱土层，对应的常规处理方法一般有换填垫层、复合地基以及桩基础等，由于其仅在钻孔ZK1、ZK2和ZK4有揭露，层厚1.6～3.2 m也较浅，应该与液化土层的处理措施综合考虑、共同确定为宜。

3.2 针对③层粗砂的处理措施

根据地勘报告该层在本场区分布广泛，除钻孔ZK7外，其余钻孔均有揭露，且层厚1.7～7.6 m较大；因勘察报告中确认其为中等液化土层，所以必须采取切实有效的措施来处理液化问题。

3.3 综合处理措施对比分析

本工程新建进出站阀组区、计量区、清管区内等各种工艺设施，其抗震设防类别为乙类，根据1.3章节表2中的规定，对应该采取全部消除液化沉陷的措施。由于新建的各种工艺设施、工艺管线及撬装计量设备等对不均匀沉降极为敏感，在不均匀沉降下会对管线产生拉裂，将对今后正常生产运行产生极大隐患，因此对各种措施进行对比分析见表3。

表3 各种处理措施对比分析结果

根据以上针对③层粗砂的各种处理措施分析结果得知，换填垫层和深埋基础至液化土层之下的方法受限于液化土层较厚较深而无法实施，因此只能采用桩基础或者复合地基加固，由于拟建的工艺管线和各种设施对不均匀沉陷极为敏感，显然采用桩基础是最合适、最彻底的处理办法，能够同时处理建设场地存在的淤泥和液化土两种特殊土层。

3.4 对于桩基础选型的确定

桩基础根据成桩工艺的不同分为预制桩和灌注桩两种。

预制桩主要是指在施工场地以外事先预制好的预应力高强混凝土管桩(PHC桩)，其采用先张法预应力离心成型工艺，并经过高温高压蒸汽养护，制作的一种空心筒体型预制混凝土构件，标准桩长一般为10 m，其桩径一般不超过800 mm，混凝土强度等级至少为C80。

灌注桩主要是指在现场先成孔、后绑扎放置钢筋笼、最后浇筑混凝土成型的钢筋混凝土实心桩型，根据成孔方式的不同又可以细分为钻孔灌注桩、冲孔灌注桩及人工挖空灌注桩等。

预制管桩和钢筋混凝土灌注桩最大差别之处就在于，前者桩身是空心而后者桩身为实心，这就从本质上决定了管桩仅能承受很小的水平荷载而灌注桩却可以承受很大的水平荷载。在本工程存在较厚液化砂土层的案例中，若产生水平地震作用时，③层粗砂将会快速液化而失去承载能力，同时也对桩身产生较大的水平荷载，因此从工程安全角度来说采用预制管桩是不合理的，而应该采用能承受很大水平荷载的钢筋混凝土灌注桩。

另外，江苏、福建等沿海省份也专门针对液化土地区桩基选用及预制管桩的使用范围给出了明确的指导意见。江苏省扬州市明确要求严重液化场地中不得使用预应力混凝土管桩；中等液化场地中20 m以上高度的建筑物不得使用预应力混凝土管桩，20 m以下建筑在使用预应力混凝土管桩时，要求桩端必须进入下部非液化土层足够的深度。福建省则直接要求在较厚中等或严重液化土层的场地中不应该使用预应力混凝土管桩。

本工程最终采用的是直径800 mm钢筋混凝土灌注桩，采用冲击钻方式成孔并浇筑，在后续承台筏板、上部设备基础及工艺管线设施等施工、安装过程中均顺利进行，项目运行至今上部所有工艺管线经检测未发生不均匀沉降。

4 结 论

在目前的工程实践中，浅层液化土(深度3 m以内)一般可采用换填法进行处理；而对深层液化土则可采用人工加密法形成的复合地基(如强夯处理、振冲碎石桩、沉管挤密碎石桩、水泥粉煤灰碎石桩CFG桩、灰土挤密桩等)，亦可采用桩基础形式穿透上部液化土层，以下部非液化坚硬土层或基岩作为桩端持力层，从而彻底规避液化土层对上部结构的影响。深层处理方式中，桩基础较复合地基处理效果更加彻底，但其造价可能稍高。

如果对拟建场区土层的地质情况以及液化性状掌握不够彻底，很可能会发生因处理方法不当而造成地基处理失败的情况。因此在实际工程中，针对场区地层结构、液化土性状、抗震设防要求、上部建(构)筑物特点及对不均匀沉降的敏感度等情况应综合考虑，必须通过仔细对比分析后，最终采取技术最优、造价合理的措施来处理、解决液化土。

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