银川平原高等级公路液化土地基处治

　　简介： 根据银川平原液化土地基的分布及特征，提出液化土地基处治的原则，结合工程实例介绍本地区液化土地基处治方法及处理技术与效果。
　　关键字：银川平原 液化土 地基处治
　　银川平原位于宁夏回族自治区中、北部。北起石嘴山，南至青铜峡，沿黄河分布，南北长165km，东西宽40～50km.地貌上属第四纪黄河冲积平原，构造上处于银川地堑，新构造运动发育，地震活动频繁，地震基本烈度8度。平原区地下水位高，埋深一般小于5m，组成物质以第四系全新世松散冲积物为主，浅部发育粉土、粉细砂，天然地基承载力低，在地震作用下稳定性差，易产生液化现象。GZ25石中高速公路及GZ35银古高速公路纵贯平原南北及横跨平原东西，其沿线均有液化土分布，地基液化是银川平原高等级公路地基失效的主要方式，亦是引起高等级公路破坏的主要原因，对公路工程建设的危害性和潜在威胁很大，在高等级公路建设中应慎重对待，科学处治。
　　1．液化土的分布
　　银川平原可液化土分布广泛，成因类型较为单一，以第四系全新统松散堆积物为主。根据历史地震砂土液化现象及石中高速公路、银古高速公路工程勘察对砂土液化的判别资料，参考历次地震砂土液化的发生规律，以地质、地貌、构造等地质背景条件为基础，对银川平原砂土液化进行潜势分区。分区结果表明，平原区西部贺兰山东麓山前洪积平原及冲洪积过渡平原（相当于黄河三级阶地），由晚更新统冲洪积砂及砂砾组成，为非液化区。黄河河漫滩及一、二级阶地浅部由全新统饱和粉土、粉细砂组成，上部粉质粘土厚度一般小于5m，地下水位埋深随季节变化在0.5～4m，属液化区。其中一级阶地饱和粉土、砂土裸露，无覆盖层，液化等级中等～严重，二级阶地上部一般分布有2～6m厚的粉质粘土覆盖层，液化等级轻微～中等。
　　GZ25石中高速公路北段K20＋500～K73＋200段、中段姚叶公路与南段第1～7合同段纵贯银川平原南北，GZ35银古高速公路银石段横跨银川平原东西，其沿线处于黄河一、二级冲积阶地，通过地段均为不同程度的液化地基。
　　2．液化土地基处治方案
　　2.1处治原则
　　液化土在地震作用下产生液化，对公路路基引起的破坏类型主要为路基下沉、开裂、边坡坍滑及沉陷四种，其破坏程度受地基土、路堤高度、填料性质、地震强度等因素制约，其中地基土的工程地质性质及水文地质条件是关键因素。根据银川平原公路工程地质勘察资料，确定可液化土层的埋深、厚度、液化程度，分析其对公路工程的影响与危害程度，结合地基变形特性、地基处治的目的及公路不同构造部位的要求等综合确定银川平原液化土地基的处理原则。
　　2.1.1一般路基路段
　　（1）路堤高度小于等于3m时，不处理液化地基；
　　（2）路堤高度大于3m小于5m，在地面以下6m深度范围内液化土层累计厚度小于2m时，不处理液化地基；
　　（3）8度地震区上覆非液化土层厚度或地下水位埋深大于6m时，不处理液化地基；
　　（4）在不能满足上述条件之一时，按液化等级处理液化土地基，轻微液化路段不处理，中等液化路段部分消除液化，严重液化路段全部消除液化。
　　2.1.2桥涵构造物
　　（1）小桥涵、通道按液化等级处理，轻微液化对基础结构或上部结采取构造措施，以减小地基不均匀沉降，中等～严重液化全部消除液化；
　　（2）大中桥、立交跨线桥不分液化等级应全部消除液化。
　　2.2地基处治方案
　　高等级公路液化土地基处理方法，应根据公路构筑物的特性及地基的要求，液化土地基的工程特性、液化等级及液化深度与对公路工程的影响威害程度，结合施工环境条件、施工工期及当地筑路材料的来源，经技术经济比较后综合确定。银川平原工民建常用的处理方法包括混凝土夯扩桩、碎石挤密桩、振冲碎石及灰砂桩等。公路工程由于其线性分布特征，液化土处治范围一般较大，构造物对地基要求各异，需综合考虑处理方法。GZ25石中高速公路南段第1～7合同段，位于银川平原南部，沿线液化土分布较广，根据不同路段的特征经综合分析，采用换填、挤密砂石桩、强夯三种方法处理液化土地基。
　　3．地基处理技术
　　3.1换填法
　　3.1.1换填法特点
　　换填法处理液化土地基是将分布于浅层的可液化土部分或全部挖除，换填以强度较高的砂砾、碎石、卵石等，并分层夯压实。全部挖除换填法适用于分布于地表且厚度小于3m的可液化土地基处理，从根本上改善了地基，全部消除了液化，为最彻底的措施。
　　3.1.2换填法应用
　　石中高速公路南段第1合同段K110＋300～K110＋400段，位于惠农渠南岸桥头，路堤平均高度4.22m，地下水位埋深0.4m，地基土呈二元结构，表层1.8～2.5m为淤泥质粉土、粉细砂，之下为砂砾石，上部淤泥质粉土及粉细砂，标贯击数2～4，液化指数18.6，为严重液化地基，需进行工程处理。液化地基，处治采用挖除换填法，即将表层液化土全部挖除，换填砂砾土，根据土质情况分层夯实，其处理范围为路堤中心至两侧坡脚外排水沟外缘全部。并将挖除的液化土，经处理后用于桥头路堤100m以外路段的路基填料，分层填筑于路堤中部，或用于护坡道及绿化用土。
　　本段经换填处理后，经进行标贯，动探检测，地基土达到中密～密实，地基承载力达到250kpa以上，比处理前提高了2～3倍以上，极大地改善了地基土抗液化性，全部消除了液化，保证桥头路堤的稳定。
　　3.2挤密砂桩
　　3.2.1挤密砂桩的特点
　　挤密砂桩是利用挤密或振动使地基土密实，并在振动或挤密过程中回填砂料，形成砂桩，与桩间土一起组合复合为地基。其主要目的是提高地基土承载力，减少变形和增强抗液化性。在加固地基抗液化方面的机理主要是，通过在成桩过程中桩管对周围液化土产生横向挤压力，使其周围土层孔隙比减小，密实度增大；通过在桩孔内充填粗砂，在地基中形成渗透性能良好的竖向排水降压通道，有效地消散和防止超孔隙水压力的增高，防止砂土产生液化，加快地基排水固结；通过在成孔成桩时振动锤的强烈振动，使填入料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震，增加砂土抗液化能力。
　　3.2.2挤密砂桩的应用
　　石中高速公路南段第2合同段大古铁路高架桥两端，路堤高度达8.5～9.4m，地基土上部为饱和低液限粉土，标贯击数2～7，厚度3.0～5.5，其下为砂砾石，地下水位埋深0.6m，经液化判别，上部低液限粉土为可液化土，液化指数16.4，为严重液化，要求全部消除液化，采用挤密砂桩处理液化地基。
　　（1）设计计算
　　本项目通过计算，采用挤密砂桩桩径0.4m，桩长穿透上部可液化层至下部砂砾石层，按正方形布置，桩距1.0m，加固范围至路堤坡脚处。设计要求砂桩和桩间土经处理后桩间土地基承载力大于150kpa，标贯击数N>10，全部消除液化，砂料采用中粗混合砂，含泥量不大于5％。
　　（2）加固效果
　　全部砂桩施工完毕后，采用标准贯入试验对处理效果进行了检验，并采取原状土样作了室内土工试验。试验结果表明，标贯击数由加固前2～7提高到9～18，被加固软塑状低液限粉土已变成了硬可塑状，地基承载力达到180kpa以上，孔隙比由0.84～0.88减小到0.61～0.72.本场地经挤密砂桩加固后，抗剪强度显著提高，压缩性明显降低，消除了8度地震时产生液化的可能性。
　　3.3强夯
　　3.3.1技术特点
　　强夯法处理地基是1969年由法国Menard技术公司首先创用的。它通过10～40t的重锤和10～40m落距，对地基以冲击和振动，从而提高地基的强度并降低其压缩性。我国于1978年开始在天津新港、河北秦皇岛等地进行了强夯法的试验研究和工程施工，取得了较好的加固效果，接着强夯法迅速在全国各地推广应用。
　　强夯法适用于处理碎石土、砂土、粉土、粘性土、杂填土和素填土等地基。它不仅能提高地基土的强度，降低其压缩性，同时还能改善其抗振动液化的能力和消除土的湿陷性，所以还常用于处理可液化地基和湿陷性黄土地基等。强夯法处理液化土地基，在江苏省徐连高速公路作为课题进行了试验研究，并在工程中得到成功应用。
　　3.3.2强夯法设计要点
　　（1）强夯技术参数的确定。强夯法虽然已在工程中得到广泛的应用，但至今尚无一套非常成熟的设计计算方法，一般应参照国内强夯法加固地基的成功经验，初步确定各类地基的强夯参数，在强夯施工前，选择代表性路段（夯区）进行试夯，以确定合理的强夯参数与施工工艺。强夯法的主要设计参数包括：锤重、落距、垫层材料与厚度，有效加固深度、夯击能、夯击次数、夯击遍数、间隔时间、夯击点布置和处理范围等。
　　（2）施工质量控制。强夯地基的质量检验，包括施工过程中的质量监测和夯后地基的质量检验，其施工过程检验指标分别为施工控制夯沉量和有效处理深度。强夯施工结束后，间隔2周对地基加固质量进行检验，检验频率为每100m一个断面，每断面检验3点，其中路中一点、左右边坡坡脚各一点，检验方法可选用标准贯入试验、静力触探试验、动力触探试验及现场荷载试验等方法并结合室内土工试验。检测深度不小于设计处理深度。
　　3.2.3强夯法应用
　　石中南段第7合同段K132＋500～K134＋200段应用强夯技术处理液化土地基。
　　（1）场地工程地质条件
　　该路段为关马湖互通立交区，处于黄河东岸一级阶地，地势平坦，地下水位埋深0.5～1.3m，地震烈度8度。场区由第四系全新统（Q4al）松散冲积物组成，可划分4个工程地质结构层。
　　第Ⅰ层耕土层：分布于场区地表，灰黄色，稍湿～湿，以粘性土为主，结构松散，厚1.0～1.4m.
　　第Ⅱ层低液限粉土：黄褐色～灰褐色，软塑～流塑，饱和，厚1.5～2.9m，标贯击数3～7.
　　第Ⅲ层细砂：黄褐色～灰褐色，饱和，厚1.6～7.0m，标贯击数深度7m以上2～11，7m以下13～22.
　　第Ⅳ层圆砾：杂色，磨圆度较好，分选性差，中粗砂充填，中密～密实，厚度大于20m，层位稳定，地基强度高。
　　按《公路工程抗震设计规范》（JTJ004－89）第2.2.3条公式进行液化判定，场区第Ⅱ层低液限粉土与第Ⅲ层上部埋深7m以上的细砂为可液化土，液化指数6.8～18.3，液化等级为中等～严重，第Ⅲ层埋深7m以下及第Ⅳ层为非液化土。设计要求全部消除液化。
　　（2）强夯设计参数
　　根据国内外类似工程经验，结合本项目构筑物的要求与场地工程地质条件，经综合分析，采用锤重18t、锤底面积5m2的夯锤实施强夯，夯点按正方形布置，点间距5m，夯击三遍，即主夯、副夯与满夯，主、副夯单击夯能2000KN·m，按规定间距夯击，夯击数4击，满夯单击夯能850KN·m，采用夯锤印彼此搭接四分之一连续夯击，夯击数按最后一击夯沉量不大于3cm控制，三遍夯击间歇时间均为72小时，砂砾垫层厚70cm.
　　根据初定的强夯参数，选择K133＋450～K133＋500段进行强夯试验，通过测试，与夯前测试数据进行对比，检验强夯效果，以确定本工程采用的各种强夯参数。
　　（3）强夯试验评价
　　在试验段强夯7天后，进行了标贯及土工试验，试验结果表明，土层标贯击数比夯前明显增大，夯前第Ⅱ层粉土标贯击数3～7，夯后提高到11～19，第Ⅲ层7m以上细砂夯前标贯击数2～11，夯后提高到12～22，且全部消除了液化，同时地基土物理力学性能得到了比较大的改善，含水量降低，天然容重增大，孔隙比减小，密实度提高，地基土抗剪强度得以明显改善。
　　通过强夯试验，单击能量采用2000KN·m时，有效加固深度7.0m，由于本工程可液化土主要分布于7m以上，因此采用单击能量2000KN·m可以达到处理深度要求，最佳夯击次数为4击。
　　（4）强夯施工效果
　　从试夯区试验结果表明，试夯区的加固效果十分显著，可以满足工程设计要求，其强夯参数可以直接用于施工，本项目采用强夯法处理液化土地基，施工历时3个月，通过标贯、动力触探及室内土工试验检验，其加固效果达到预期目的，全部消除了液化。
　　4．结语
　　银川平原液化土分布广泛，液化土是高等级公路建设中的主要工程地质问题之一。石中高速公路南段针对不同的工程地质条件，不同的公路构造部位，采取了相应的处理原则和设计方案，经工程实践证明，换填法可彻底改善地基土的特性，彻底消除液化，适用于分布于地表厚度小于3m且规模较小的可液化土地基处治；挤密砂桩对深层地基加固及固结排水良好，既提高了地基强度，消除不均匀沉降，又彻底消除液化，适用于桥头高路堤液化土地基处治；强夯对面积较大浅层液化地基加固效果明显。由于其不同的处治方案其加固效果与投资差异较大，因此对液化土地基处治应根据场地工程地质条件结合公路工程特点，制定合理的处治原则，选择合理有效的处治措施。
　　参考文献：
　　[1]宁夏建筑工程研究所.宁夏地基土特性及技术对策研究.1993.
　　[2]叶书麟.地基处理工程实例应用手册.1998.
　　[3] 中国公路工程咨询监理总公司.姚伏至叶盛高速公路工程地质勘察报告.1996.
　　[4]中国公路工程咨询监理总公司.叶盛至中宁高速公路工程地质勘察报告.1999
　　[5]宁夏公路勘测设计院.麻黄沟至姚伏高速公路工程地质勘察报告.1999.