連徐高速公路液化地基處理
譚發(fā)茂
【內(nèi)容摘要】 液化是一種特殊的工程地質(zhì)現(xiàn)象，本文簡(jiǎn)要介紹了徐州地區(qū)液化地基的形成原因，液化的影響因素與工程特性，以及強(qiáng)夯、碎石樁TRANBBS施工的工藝特點(diǎn)。同時(shí)總結(jié)了連徐高速公路液化地基處理的經(jīng)濟(jì)可行的措施。
一.前言
連徐高速公路是國(guó)家重點(diǎn)工程連云港至霍爾果斯歐亞大陸橋的東橋頭堡。該路西段（徐州段）跨越黃淮沖積平原東南部，路線有近一半處于液化土不良地質(zhì)地段。由我公司承接的標(biāo)段為該路段的試驗(yàn)段。通過(guò)試驗(yàn)段施工中的反復(fù)試驗(yàn)，為液化地基處理提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。本文將從液化土的形成條件、工程特性和處理措施等幾方面簡(jiǎn)要介紹該路段液化地基處理施工的情況。
二.液化土形成的原因分析
1.土的液化機(jī)理
松散的砂土和粉土，在地下水的作用之下達(dá)到飽和狀態(tài)。如果在這種情況下土體受到震動(dòng)，會(huì)有變得更緊密的趨勢(shì)，這種趨于緊密的作用使孔隙水壓力驟然上升，而在這短暫的震動(dòng)過(guò)程中，驟然上升的孔隙水壓力來(lái)不及消散，這就使原來(lái)由土顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的壓力（有效壓力）減小，當(dāng)有效壓力完全消失時(shí)，土層會(huì)完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，變成像液體一樣，這就是土的液化現(xiàn)象。
由此可見(jiàn)，發(fā)生液化現(xiàn)象，土質(zhì)多是松散的砂土和粉土，而且受到震動(dòng)和水的作用。
2.液化的條件
(1)地質(zhì)條件
黃淮沖積平原為歷史上黃河泛濫泥沙沉積形成。從兩千多年前的周定王五年(公元前602年)&127;，黃河第一次大改道南徒，到入宋以后，夏秋霖潦，&127;黃河多次泛濫成災(zāi)。&127;而后，1077年的澶州曹村大決口和1855年的蘭考城北黃河大決口，&127;使徐州平地積沙8～10米，這幾層土都處于松散狀態(tài)，&127;標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)N值只有3～5擊/0.3米，形成了沿線液化土層的基本條件。
(2)地下水的作用
砂土和粉土只有在飽和狀態(tài)才會(huì)產(chǎn)生液化，而松散的砂土和粉土，在地下水位以下時(shí)才能達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，地下水的作用和地下水位的高低是影響液化的重要條件。
在７度地震區(qū)域，地下水位高于6m，地震時(shí)容易發(fā)生液化。徐州地區(qū)地下水豐富，地下水埋深只有0.5～1.5m，這就具備了液化形成的必不可少的條件。
(3)外力的作用
飽和的砂土和粉土在外力如地震的作用下，抗剪強(qiáng)度很快喪失。砂土的抗剪強(qiáng)度τ可用下式表示：
τ＝(σ－U)tgΦ
式中σ為剪切面上外力作用下的法向應(yīng)力，&127;U為剪切面上孔隙水壓力，Φ為土的內(nèi)摩擦角。
地震時(shí)，土體受到強(qiáng)烈的震動(dòng)，孔隙水壓力U急劇增高，當(dāng)U與總法向力σ相等時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度τ＝0，地基失去承載力。
地震烈度愈高的地區(qū)，地面震動(dòng)愈強(qiáng)烈，土層就愈容易液化。一般在６度以下的地區(qū)，液化現(xiàn)象很少發(fā)生，但在７度以上的地區(qū)，當(dāng)?shù)孛婕铀俣瘸^(guò)0.13g時(shí)才發(fā)生液化。當(dāng)?shù)孛婕铀俣葹?.16g時(shí)，液化就相當(dāng)普遍了。
連徐路西段為７度地震設(shè)防區(qū)域，具備了地基液化的外在條件。
3.地基液化的影響因素及液化的判別
地基土體液化在具備上述基本條件的情況下，還與地質(zhì)年代、土顆粒粒徑、土的密實(shí)度等因素有關(guān)，土是否液化還需要根據(jù)多項(xiàng)指標(biāo)來(lái)綜合分析判斷。當(dāng)符合下列因素之一時(shí)可不考慮液化影響。
(1)地質(zhì)年代
年代久遠(yuǎn)的沉積土，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的固結(jié)作用和地震的影響，土的密實(shí)程度增大，從而形成膠結(jié)緊密的結(jié)構(gòu)。地質(zhì)年代愈久，土層的固結(jié)度、密實(shí)度和結(jié)構(gòu)性也就愈好，液化的可能性就愈小。調(diào)查表明，地質(zhì)年代在第四紀(jì)晚更新世(Q3)以前的飽和土不會(huì)發(fā)生液化。
也就是說(shuō)，該路段只有Q4地質(zhì)年代的土層才具有可液化性。
(2)土顆粒徑和粘粒含量
土顆粒愈細(xì)愈容易液化，當(dāng)土的平均粒徑在0.1mm時(shí)，抗液化的能力最差。土層中粘粒(粒徑小于0.005mm的顆粒)&127;增加，土的粘聚力增大，從而抵抗液化的能力增強(qiáng)。當(dāng)粘粒含量超過(guò)10%時(shí)，７度地震不會(huì)引起土體液化。
土的粘性可用塑性指數(shù)Ip來(lái)定量分析，當(dāng)土的塑指Ip≤10時(shí)，土體可液化性大，&127;該路段表層30～50cm以下至8～10間的土層，塑指Ip一般在9.5～10之間，證明其具有可液化性。
(3)上覆層厚度與土層的埋深
有資料表明，土質(zhì)的液化深度很少超過(guò)15m的，更多的小于10m。
上覆層土層具有抑制可液化土層的噴砂冒水的作用，在７度地震區(qū)域，當(dāng)覆蓋層厚度超過(guò)7m時(shí)，可不考慮液化。
連徐路西段上覆土層厚只有約0.5～1.0m，&127;上覆土層對(duì)液化翻漿的抑制作用很小。
(4)土的密實(shí)度
有關(guān)資料分析表明，&127;相對(duì)密實(shí)度小于50%的砂土地震時(shí)普遍發(fā)生液化，而相對(duì)密實(shí)度大于70%的土層不大可能發(fā)生液化。
液化的進(jìn)一步判別，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行。詳細(xì)情況在本文“效果檢驗(yàn)”中介紹。
４、液化土的工程特性
(1)液化等級(jí)的劃分
液化等級(jí)的劃分由液化指數(shù)確定。液化指數(shù)即綜合反應(yīng)各種因素的影響和液化的危害程度，也是液化等級(jí)劃分的主要參數(shù)。液化指數(shù)按下式計(jì)算：
n Ni
Ｉ＝∑ (1- ───)diWi
i=1 Ncri
式中：
Ｉ- -液化指數(shù)
n- -15m范圍內(nèi)飽和土層中標(biāo)準(zhǔn)貫入(標(biāo)貫)點(diǎn)總數(shù)
Ni，Ncri- -分別為i點(diǎn)標(biāo)貫錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值和臨界值
di－－i點(diǎn)所代表的土層厚度
Wi－－i土層考慮單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值(單位為m)，Wi=15-Dsi，Dsi為該層土中點(diǎn)的深度，Dsi取≥5m。
當(dāng)0≤I≤5時(shí)為輕微液化；當(dāng)5≤I≤15時(shí)為中等液化；當(dāng)Ｉ＞15m時(shí)為嚴(yán)重液化。
(2)液化土的分布
可液化土在全線呈間斷分布。液化土層以Q4Ⅱ及軟塑亞砂土及粉細(xì)砂，Ip≤10的亞粘土為主。液化層厚度在1.5～8.0m之間，埋深0～8m，以嚴(yán)重液化為多。
(3)液化土的直觀特性
可液化土都具有較好的保水性能，&127;含水量接近50%時(shí)，泌水也非常緩慢。剛挖出來(lái)的土，外表看起來(lái)沒(méi)多少水份，輕輕的拍一拍，土的表面就會(huì)上來(lái)水分，土體就會(huì)顫悠。在地基處理過(guò)程中，機(jī)械震動(dòng)引起液化之后，表面的硬土層就像是漂在水面一樣，踩上去跳動(dòng)可以引起幾米內(nèi)的漂動(dòng)。液化土和表面的硬土層就如雞蛋的蛋清和蛋殼，表層一旦破壞，翻砂冒漿隨即發(fā)生，下面的液化土就像蛋清一樣往外冒
三.液化地基處理措施
液化地基處理的基本原則就是提高土層密實(shí)度和改善排除孔隙水的條件，增大其透水性。從而提高其抗液化的能力。
1. 液化地基的處理方法 
連徐高速液化段地基處理主要采用強(qiáng)夯和碎石樁的方法。
2. 液化地基的處理范圍 
考慮到高速公路與工民建相比有涉及范圍大、發(fā)生震害產(chǎn)生的損失小和修復(fù)相對(duì)容易等特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)上考慮，連徐路砂土液化路段沒(méi)做全部處理。
對(duì)中等以上的液化地基，大型橋梁采用碎石樁加固；對(duì)嚴(yán)重的液化地基，構(gòu)造物基礎(chǔ)原則上以碎石樁處理，若處理段與強(qiáng)夯處理相連時(shí)，采用強(qiáng)夯全幅處理；對(duì)于高路堤，強(qiáng)夯至坡腳外3m；路堤中心線兩側(cè)各10m范圍內(nèi)不進(jìn)行主夯和副夯，只進(jìn)行滿夯；對(duì)于存在軟弱薄層的中等以上可液化段，進(jìn)行全幅處理。
實(shí)際發(fā)生震害時(shí)，兩側(cè)坡腳處往往容易發(fā)生噴砂冒水而導(dǎo)致路基邊坡以外地基和路堤共同沉陷和滑移破壞，所以坡腳至邊溝外緣部分需全部進(jìn)行加固。對(duì)于一般路基，根據(jù)液化產(chǎn)生的規(guī)律，中心線兩側(cè)各10m的范圍內(nèi)不做處理。
3. 施工工藝. 
1. 強(qiáng)夯施工 
1）強(qiáng)夯的作用機(jī)理
強(qiáng)夯法通過(guò)重錘自由落下，在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)土體施加一個(gè)巨大的沖擊能量，這種沖擊能又轉(zhuǎn)化成各種波型&127;(包括壓縮波，剪切波和瑞利波)&127;，使土體強(qiáng)制壓縮、振密、排水固結(jié)和預(yù)壓變形，從而使土顆粒趨于更加穩(wěn)固的狀態(tài)，以達(dá)到地基加固的目的。
2)強(qiáng)夯施工工藝
a. 強(qiáng)夯機(jī)械的選用 
本路段強(qiáng)夯主要有兩種類型的機(jī)械（見(jiàn)圖２），一種是起重能力50t的履帶吊配18～20t的鑄鐵夯錘；&127;另一種是20～25t起重能力的吊機(jī)配16～20t的夯錘，&127;這種夯機(jī)吊臂頂上須配輔助門(mén)架。因此，每個(gè)夯點(diǎn)須移一次吊機(jī)，而且移動(dòng)速度慢，效率較低。相比較使用大噸位吊移動(dòng)方便，移一次機(jī)可打3～4個(gè)夯點(diǎn)，效率要比帶輔助門(mén)架的夯機(jī)高出近1倍。
b. 施工步驟 
強(qiáng)夯處理，進(jìn)行主、副夯和滿夯3遍夯擊。施工要點(diǎn)如下：
.清理場(chǎng)地，設(shè)置墊層
連徐地區(qū)表面固結(jié)較好的土層只有0.5m左右，原

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