侍成 鄢博 陳俊杰

摘 要：地基液化會(huì)給建筑設(shè)施帶來(lái)災(zāi)難性的影響，是巖土地震工程面臨的主要問(wèn)題之一。傳統(tǒng)液化地基處理方法強(qiáng)夯法、擠密砂樁法、碎石樁和水泥土攪拌樁等在工程實(shí)踐中存在成本較高且技術(shù)復(fù)雜的問(wèn)題。新型的液化地基處理方法減飽和法，相對(duì)于傳統(tǒng)液化地基處理方法具有成本低，簡(jiǎn)單易操作等諸多優(yōu)勢(shì)。從加固機(jī)理、減飽和的幾種產(chǎn)氣方法、產(chǎn)生氣體的形態(tài)及穩(wěn)定性等幾方面對(duì)減飽和法進(jìn)行介紹和分析，對(duì)變電站建設(shè)降低地基處理成本提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：地基液化;砂土;減飽和法

中圖分類號(hào)：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

地震作為一種強(qiáng)烈的地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)帶來(lái)巨大的災(zāi)難。大量的地震災(zāi)害調(diào)查表明，飽和土體液化導(dǎo)致的震陷和側(cè)向擴(kuò)展能夠引起地上結(jié)構(gòu)的不均勻沉降、倒塌、傾斜、道路開(kāi)裂、地下結(jié)構(gòu)上浮、破裂和其他形式的破壞等一系列嚴(yán)重的災(zāi)害[1-3]。近年來(lái)，諸多地震發(fā)生時(shí)，也都伴隨有土體液化現(xiàn)象。例如，2011年的新西蘭克賴斯特徹奇地震，2011年的日本東北地區(qū)大地震和2008年的汶川地震[4]。如今，在我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)迅猛發(fā)展的新時(shí)期，如何有效處理地基液化問(wèn)題是保證基礎(chǔ)建設(shè)安全的關(guān)鍵問(wèn)題之一。地基液化通常容易發(fā)生在松散的飽和砂土和粉土地基當(dāng)中。由于其顆粒松散且處于飽和狀態(tài)，在經(jīng)受一定強(qiáng)度的地震荷載作用后，土體中的水不能及時(shí)排出，土中超靜孔隙水壓力不斷上升，土顆粒間有效應(yīng)力下降。最終，土體中有效應(yīng)力降為零，此時(shí)土顆粒處于懸浮流動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)出類似于流體的性質(zhì)，地基土失去承載力，進(jìn)而導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施的沉降、位移、傾覆、結(jié)構(gòu)損壞或其他形式的破壞。

目前，處理液化地基的傳統(tǒng)方法有強(qiáng)夯法，擠密砂樁法，碎石樁和水泥土攪拌樁等方法。工程實(shí)踐表明，這些傳統(tǒng)的地基處理方法可以有效地解決地基液化的問(wèn)題。然而，這些傳統(tǒng)方法通常成本較高，往往無(wú)法在普通的建筑和結(jié)構(gòu)中使用。并且，這些方法難以在已建成建筑的地基中使用。因此，我們迫切需要尋找廉價(jià)且有效的新型的液化地基處理方法。

飽和的松散砂土和粉土在地震作用下容易液化，研究發(fā)現(xiàn)松散砂土的不排水剪切強(qiáng)度和抗液化性能會(huì)隨著飽和度的降低而升高。在循環(huán)三軸和循環(huán)扭剪試驗(yàn)中，如果飽和砂土的飽和度稍有降低，砂土的強(qiáng)度就會(huì)有較大的增強(qiáng)。在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，一些學(xué)者同樣發(fā)現(xiàn)非飽和砂土的超靜孔隙水壓力和體積變形都小于飽和砂土。同時(shí)，在三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)中，當(dāng)松砂的飽和度由100%降低至90%以下時(shí)，松砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線會(huì)由應(yīng)變軟化（液化）型變?yōu)橛不ǚ且夯┬?。這些試驗(yàn)結(jié)果都表明降低土體飽和度可以有效解決或減輕液化問(wèn)題。本文從作用原理，幾種土體減飽和方法，減飽和土體中氣體的形態(tài)，及氣體的穩(wěn)定性幾方面對(duì)減飽和法進(jìn)行介紹和分析。

1 減飽和法的加固機(jī)理和力學(xué)性能

1.1 減飽和法的加固機(jī)理

減飽和法是通過(guò)在飽和土體中注入性質(zhì)穩(wěn)定且不溶于水的氣泡，降低土體飽和度，增強(qiáng)地基抗液化性能的一種新型液化地基處理技術(shù)。減飽和處理后的地基受到一定強(qiáng)度的動(dòng)荷載時(shí)，地基中的氣泡能夠有效地減緩?fù)馏w內(nèi)超靜孔隙水應(yīng)力u的增長(zhǎng)，從而使土體有效應(yīng)力σ'不為0，仍能保留一定的強(qiáng)度保證地基不會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象。減飽和法的加固效果可以通過(guò)有效應(yīng)力原理及有效剪切強(qiáng)度的計(jì)算公式加以證明：

公式中σ '為土體總應(yīng)力;τ '為有效剪切強(qiáng)度;c'為土體有效黏聚力;φ'為土體有效內(nèi)摩擦角。

從公式中可以看出，當(dāng)土體內(nèi)超靜孔隙水應(yīng)力u的增長(zhǎng)減緩，其有效應(yīng)力σ' 將大于0，所以土體始終保持一定的剪切強(qiáng)度，以抵抗地基液化現(xiàn)象的發(fā)生。而減飽和法正是通過(guò)降低土體的飽和度，減緩超靜孔隙水應(yīng)力的增長(zhǎng)，以達(dá)到抗液化的效果。

1.2 減飽和法對(duì)土體力學(xué)性能的影響

近年的試驗(yàn)研究表明，降低液化土體的飽和度能夠有效地改善土體的抗液化性能。例如，Martin、Fin 和Seed等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)荷載作用下，孔隙率為40%的試樣飽和度降低1%時(shí)，其超靜孔隙水壓力增量下降28%。Chaneyd等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土體的飽和度由100%降低至90%時(shí)，其抗液化強(qiáng)度會(huì)提高兩倍。之后， Xia 等人對(duì)飽和度不同的砂樣進(jìn)行抗液化試驗(yàn)，結(jié)果表明土體抗液化的強(qiáng)度隨著飽和度的降低而顯著增大，當(dāng)飽和砂樣的飽和度降至97.8%時(shí)，其抗液化強(qiáng)度升高30%，圖1為循環(huán)加載次數(shù)與循環(huán)應(yīng)力比之間的關(guān)系。Ishihara等人發(fā)現(xiàn)土體抗液化強(qiáng)度也會(huì)隨著孔隙水應(yīng)力系數(shù)B值的減小而增大 。三軸試驗(yàn)中的孔隙水應(yīng)力系數(shù)B值是土體飽和度的反映，B值隨著飽和度的降低而降低。

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)顯示，不飽和砂土的抗液化性能明顯高于飽和砂土。飽和砂土的孔隙水壓力系數(shù)接近1，幾乎完全液化（孔隙水壓力系數(shù)在這里定義為超靜孔隙水壓力和初始有效應(yīng)力的比值）;不飽和砂土的孔隙水壓力增長(zhǎng)和體積應(yīng)變均遠(yuǎn)小于飽和砂土;且位于不飽和砂土上的結(jié)構(gòu)物模型幾乎沒(méi)有沉降，而位于飽和砂土上的結(jié)構(gòu)物模型發(fā)生了明顯的沉降。當(dāng)砂樣的飽和度由100%降為87.5%時(shí)，其剪切強(qiáng)度明顯增大，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也由應(yīng)變軟化型變?yōu)橛不?。并且，砂樣的超靜孔隙水壓力也隨著飽和度的降低而減小。

2 減飽和的產(chǎn)氣方法

減飽和法是通過(guò)向地基土內(nèi)部加入氣體，降低土體飽和度，來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)地基抗液化性能的液化地基處理新技術(shù)。處理過(guò)程中，向地基內(nèi)部加入的氣體必須滿足以下基本要求：①通過(guò)注氣量可以準(zhǔn)確地控制土體飽和度;②氣體在土中的分布應(yīng)較為均勻;③氣體在土中能夠儲(chǔ)存較長(zhǎng)的時(shí)間（選擇在水中的溶解性低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可長(zhǎng)時(shí)間埋于地下的氣體）。只有滿足這些要求，減飽和法在工程中才具有可行性?，F(xiàn)有的減飽和產(chǎn)氣方法具體包括以下5種：

（1）直接注氣法。Okamura等人在2011年利用直接注氣法進(jìn)行了液化地基現(xiàn)場(chǎng)加固試驗(yàn)研究[16]。試驗(yàn)場(chǎng)地為靠近碼頭的一處液化地基?，F(xiàn)場(chǎng)預(yù)先將鉆有小孔的塑料管插入地面以下，空氣注入點(diǎn)布置在可液化層底部附近，空氣通過(guò)接在塑料管一端的軟管注入。試驗(yàn)結(jié)果表明，在離注入點(diǎn)4m的范圍內(nèi)土體的飽和度均有降低。注氣后，土體的飽和度降為68%～98%，其循環(huán)剪切強(qiáng)度變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍。為保證氣泡進(jìn)入土體，注氣壓力應(yīng)大于靜水壓力和毛細(xì)管壓力之和。同時(shí)，應(yīng)小于有效應(yīng)力（以豎向或水平方向最小者為準(zhǔn)），避免注氣點(diǎn)周圍土體破壞。氣體流速與注氣壓力成線性關(guān)系。Catney 和Lynch（2001）的試驗(yàn)結(jié)果顯示[17]：（a）較低注氣壓力下，土體非飽和區(qū)面積增加較快，當(dāng)注氣壓力增大時(shí)，土體非飽和區(qū)面積增加速率降低;（b）較小的注氣孔有助于產(chǎn)生較小的氣泡，形成更穩(wěn)定的非飽和區(qū);（c）為避免注氣壓力過(guò)大造成地基液化，注氣前應(yīng)在地基上部進(jìn)行堆載。以上結(jié)論對(duì)直接注氣抗液化技術(shù)的實(shí)施具有一定參考價(jià)值。

（2）電解法。為增強(qiáng)地基抗液化性能，Yegian 等[8]采用應(yīng)變控制式振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)對(duì)飽和、非飽和的砂土進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究電解水法降低土體飽和度的可行性。試驗(yàn)采用模型箱尺寸為20cm×30cm×29cm。當(dāng)兩個(gè)電極之間存在電勢(shì)時(shí)，陰極產(chǎn)生氫氣，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，具體反應(yīng)方程式如下：

陰極：

陽(yáng)極：

試驗(yàn)過(guò)程中，陰極位于模型盒底部，陽(yáng)極位于頂部。通過(guò)觀察模型箱內(nèi)水位的變化，計(jì)算土體的飽和度。在525MA的電流作用下，通電3～5.5h后，土體飽和度由100%降至96.3%，并且在動(dòng)荷載作用下，土體的抗液化性能顯著增強(qiáng)。

（3）化學(xué)法?；瘜W(xué)法是一種將化學(xué)試劑注入液化地基中，使其在土中擴(kuò)散并通過(guò)自身化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡以降低土體飽和度的方法。通過(guò)該方法產(chǎn)生的氣體，以氣泡的形式存在于土體孔隙中，使土體達(dá)到引氣減飽和的目的。

Eseller-Bayat利用NaBO3在水中反應(yīng)產(chǎn)生的O2進(jìn)行了地基抗液化的室內(nèi)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中NaBO3首先與水反應(yīng)產(chǎn)生H2O2，之后H2O2在水中自行分解產(chǎn)生O2，具體反應(yīng)化學(xué)方程如下：

第一步：

第二步：

通過(guò)以上反應(yīng)，最終在土體孔隙中產(chǎn)生一定量穩(wěn)定的氧氣氣泡，從而降低了土體的飽和度。Eseller-Bayat通過(guò)試驗(yàn)還指出，土體飽和度與加入NaBO3的質(zhì)量有密切關(guān)系，即可以通過(guò)改變加入NaBO3的多少來(lái)控制土體的飽和度，并且生成的氣泡可以均勻的分布在土體中。

（4）微生物法。微生物法是通過(guò)微生物生化反應(yīng)產(chǎn)生不溶于水的穩(wěn)定性氣體，降低土體飽和度，提高地基抗液化性能的新型抗液化方法。微生物反硝化過(guò)程是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)理想選擇。反應(yīng)過(guò)程中，NO3- 在反硝化細(xì)菌作用下，逐步還原成N2[19]，降低土體飽和度，最終達(dá)到提高抗液化能力的效果。性質(zhì)穩(wěn)定且難溶于水。

何稼等利用乙醇作為電子供體，通過(guò)反硝化細(xì)菌中酶的作用將NO3-還原產(chǎn)生N2：

試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的模具中進(jìn)行，以便于觀測(cè)非飽和土體在動(dòng)荷載作用下超靜孔隙水壓力和上部結(jié)構(gòu)物沉降量的變化。試驗(yàn)對(duì)比分析了飽和土體和飽和度為90%的土體的動(dòng)力特征，結(jié)果表明反硝化細(xì)菌產(chǎn)氣減飽和后，土體抗液化能力明顯增強(qiáng)。

（5）擠密砂樁法。擠密砂樁法是一種傳統(tǒng)的液化地基加固方法，其通過(guò)施工擠密作用，降低土體孔隙率，提高土顆粒間有效應(yīng)力，達(dá)到加固液化地基的效果。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在擠密砂樁施工過(guò)程中，會(huì)向周邊土體引入氣泡，降低土體飽和度，起到引氣減飽和的作用，有利于地基抗液化能力的提升。并且，Okamura 等[21]人通過(guò)試驗(yàn)指出這些氣泡性質(zhì)穩(wěn)定，能夠在土體中儲(chǔ)存較長(zhǎng)時(shí)間。

3 氣體形態(tài)

地基減飽和處理的過(guò)程伴隨著氣泡的產(chǎn)生，然而，我們?nèi)庋垭y以觀察氣泡在土體內(nèi)部的分布形態(tài)。何稼等人通過(guò)CT技術(shù)對(duì)利用微生物減飽和形成的非飽和砂土進(jìn)行觀察分析。試驗(yàn)所用CT設(shè)備采用高分辨率數(shù)字?jǐn)z影和計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)。CT技術(shù)產(chǎn)生的圖像中，密度高的材料成像較亮，密度低的材料成像較暗。試驗(yàn)中兩個(gè)砂樣的CT圖像如圖2所示。飽和砂樣的孔隙分布均勻（圖a，圖b）;非飽和砂樣（飽和度為94%），在橫向和豎向都存在少量顏色較暗區(qū)域（圖c，圖d），且尺寸略大于沙粒（沙粒的平均尺寸為0.4mm）。這些較暗的區(qū)域是由氣體或者汽水混合物組成。

Eseller-Bayat等人還通過(guò)顯微相機(jī)拍照技術(shù)拍攝了NaBO3反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡在土體內(nèi)部的分布情況。由圖3可知，NaBO3反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡在土體中的分布較為均勻。

4 氣體穩(wěn)定性

大量試驗(yàn)證明，減飽和液化地基處理技術(shù)可以有效提高地基的抗液化性能，但地基中氣泡的穩(wěn)定性是另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。何稼等人利用如圖4的裝置，探究在靜水、向上水流和向下水流3種情況下，非飽和土體中氣泡的穩(wěn)定性。飽和度隨時(shí)間的變化通過(guò)砂柱質(zhì)量的變化計(jì)算得到（試驗(yàn)過(guò)程中砂柱內(nèi)的氣泡被水取代）。通過(guò)測(cè)量砂柱內(nèi)水的流速而得到的滲透率也可以間接反映出砂柱飽和度的變化。試驗(yàn)中，對(duì)砂柱的孔隙比進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

減飽和處理后的3組砂柱的氣泡含量基本相同，僅砂柱上表面溢出少量氣泡。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，在靜水條件下，10d內(nèi)，砂柱的飽和度基本不變。然而，在向上水流或向下水流的條件下，砂柱中的氣泡會(huì)逐漸排出。4d后，砂柱的飽和度由89%變?yōu)?00%。并且，在砂柱飽和度變化的過(guò)程中伴隨著孔隙比的變化，如圖6所示。

砂柱滲透性的改變同樣可以反映飽和度的變化。圖7所示。在靜水條件下，10d內(nèi)，砂柱的滲透性保持不變，但在水流條件下，砂柱的滲透性逐漸增大，基本與砂柱飽和度的變化一致。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，靜水條件下，氣泡在地基中較為穩(wěn)定;動(dòng)水條件下，氣泡不穩(wěn)定易消散。本試驗(yàn)所得結(jié)果與Okamura等人的試驗(yàn)結(jié)果一致。Okamura等人的試驗(yàn)顯示，土體中的氣泡在靜水條件下可以穩(wěn)定存在超過(guò)20年，但在水流的影響下，土體中的氣泡將會(huì)逐漸消失。所以，當(dāng)非飽和區(qū)存在水流時(shí)，應(yīng)采取一定的措施阻斷水流通道，保證氣體的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

減飽和法作為一種新型的液化地基處理方法，是通過(guò)向液化地基中引入穩(wěn)定且不溶于水的氣泡，降低土體飽和度來(lái)提高地基抗液化性能的方法。文章主要從加固機(jī)理，減飽和的幾種產(chǎn)氣方法，產(chǎn)生氣體的形態(tài)及穩(wěn)定性進(jìn)行介紹和分析，并在文末指出了各種產(chǎn)氣方法在施工過(guò)程中所面臨的一些問(wèn)題。

對(duì)于一些全敞開(kāi)電氣布置的變電站工程，場(chǎng)地上多為電氣設(shè)備基礎(chǔ)，無(wú)建筑物或建筑多為單層布置，荷載較小，對(duì)地基承載力要求較低。但在液化地區(qū)也需要進(jìn)行液化處理以保證地震時(shí)的地基承載力要求。

與傳統(tǒng)的液化地基處理方法相比，減飽和法處理液化地基具有明顯優(yōu)勢(shì)。例如，該方法簡(jiǎn)單易操作且成本較低，可應(yīng)用于已建成建筑物的液化地基中，且具有一定的環(huán)境和生態(tài)優(yōu)勢(shì)。但是，減飽和液化地基處理技術(shù)仍停留在理論研究階段，離系統(tǒng)的工程應(yīng)用還有一定距離，需要更多的試驗(yàn)研究和試點(diǎn)應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)大面積推廣。

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