周 皞，田晉生，宋 力，劉 建

（1.江蘇省宿遷市水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，江蘇 南京 210000；3.江蘇省水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)所，江蘇 揚(yáng)州 225002；4.江蘇省水利機(jī)械制造有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225001）

土是礦物顆粒在長(zhǎng)期風(fēng)化作風(fēng)下形成的疏松堆積物，由于受生成、搬移及長(zhǎng)期經(jīng)受復(fù)雜地質(zhì)變化及理化作用，土的組成顆粒、緊密度、土層分布及層厚度的變化多樣。如何按照規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，針對(duì)不同水工建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地基條件合理確定液化土層處理方案，在工程實(shí)踐中采取必要的抗液化措施，減輕或減少土質(zhì)液化造成的危害程度，是本研究的目的。

1 水工建筑地基液化處理技術(shù)簡(jiǎn)介

江蘇省興建的水工建筑物多為壅水或擋水型建筑物，眾多的水工建筑物等級(jí)別為Ⅲ等中等3級(jí)以下，地基土層液化等級(jí)一般為中等或輕微液化，對(duì)于此類水工建筑物以及一些基礎(chǔ)下含有多層液化土層且比較厚的建筑物工程，要達(dá)到全部完全處理液化土層目地，需采用樁基、沉井結(jié)構(gòu)，并將樁基、沉井底部沉入不液化土層一定深度，處理工程量大、費(fèi)用高，并且有些技術(shù)問題還有待進(jìn)一步研究解決［1-2］，例如樁間、沉井以及周邊土體液化對(duì)壅水建筑物側(cè)向位移及抗滑穩(wěn)定的影響。當(dāng)前建筑、交通工程領(lǐng)域常見的液化地基處理方法一般為強(qiáng)夯和砂、礫石散體材料擠密樁法，處理原理是物通過強(qiáng)夯、砂石樁振沖擠密，提高非黏性土的密實(shí)度并形成一定的滲水通道，以利于孔隙水壓力的消散。水工建筑物由于基礎(chǔ)有防滲的特殊要求，所以一般不宜采用砂、礫石散體材料樁法，同時(shí)由于水工建筑物上下游水位差較高，勢(shì)必造成建筑物基底可液化土層在動(dòng)荷載作用下近似于不排水狀態(tài)。江蘇省水利工程常用做法是，結(jié)合建筑物的防滲布置，采用地連墻或水泥攪拌樁防滲墻對(duì)液化土層圍封的處理方式，考慮到建筑物上游護(hù)坦位置是土層液化的薄弱部位，如在增加在建筑物上下游基礎(chǔ)外一定范圍間隔施打水泥攪拌樁，阻隔或減輕因區(qū)域外土壤孔隙水壓力增大，進(jìn)而保護(hù)樁周及基礎(chǔ)圍封內(nèi)不發(fā)生或減輕液化和降低承載力重分布的影響［3］。據(jù)有關(guān)資料介紹，日本神戶港1995年遭受強(qiáng)地震，地震震中區(qū)域大部建筑物被損壞，唯有當(dāng)時(shí)正處于施工中一座建筑物基本完好，分析其主要原因，是由于在建筑物基礎(chǔ)下混凝土基樁周圍，采用了格柵狀水泥攪拌樁用于基坑支護(hù)、圍封處理液化土層，提高了混凝土樁的側(cè)向阻力，水泥攪拌樁圍封區(qū)域內(nèi)土層未有產(chǎn)生液化的痕跡。

2 工程概況

宿遷黃河故道整治工程中泓控制建筑物共計(jì)6座建筑物，其中宿城區(qū)段：皂河地涵、蔡支閘位于地震基本烈度Ⅷ度區(qū)，陳圩閘位于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)；泗陽縣段：新袁閘、大興閘、李口閘位于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)?？裳须A段設(shè)計(jì)報(bào)告中推薦建筑物地基液化處理方案：皂河地涵（底板底面位于④層土）、陳圩閘（底板底面位于④-1層淤泥質(zhì)黏土層上，其下為⑥層土）、大興閘（底板地面位于⑥層土）采用施打水泥攪拌樁對(duì)液化土層進(jìn)行圍封的措施；蔡支閘、李口閘（底板底面位于③層土）、新袁閘（底板底面位于③、⑦層土）采用砂石樁擠密法處理液化地基。

工程沿線典型建筑物陳圩閘、蔡支閘處地質(zhì)剖面見圖1。陳圩閘底板底面置于④-1層淤泥質(zhì)黏土層上，依次由上至下分布為：粉質(zhì)夾砂層、淤泥黏土層、粉土夾黏土層及粉砂夾粉質(zhì)層，分別對(duì)應(yīng)⑥層、⑦-1層、⑦層及⑧層分層，其中⑥層及⑧層為液化層。蔡支閘底板底面置于③層輕粉質(zhì)砂壤土層，其下臥粉砂夾粉土層（⑥層）、粉砂加粉質(zhì)黏土層（⑧層）均為易液化土層。兩閘地基不同之處為，陳圩閘地基⑥層與⑧層兩液化土層之間內(nèi)夾不液化土層，蔡支閘地基⑥層、⑧層液化土層底面緊鄰，為深厚液化地基。

圖1 建筑物工程地質(zhì)剖面

3 部分處理液化基礎(chǔ)方案及結(jié)構(gòu)措施優(yōu)化

3.1 部分處理液化基礎(chǔ)總體方案優(yōu)化

宿遷黃河故道整治工程建筑物工程等級(jí)為Ⅲ等，建筑物級(jí)別為3~4級(jí)，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB51247—2018）》及《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（SL203—1997）》確定本工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)為丙類。

對(duì)于水工建筑物的抗液化措施，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）給出建議措施見表1，規(guī)范中對(duì)于甲類建筑的地基基礎(chǔ)抗液化措施并未專門列舉推薦措施，但說明其相應(yīng)措施要求不能低于乙類建筑要求［4-6］。

表1 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)抗液化建議措施

鑒于黃河故道建筑物地基液化等級(jí)一般為輕微、中等液化等級(jí)，采用了對(duì)上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)部份綜合處理措施。江蘇省工程等級(jí)Ⅲ等、建筑物級(jí)別為3~4級(jí)水工建筑物鱗次櫛比，部分建筑物地基液化需處理，建議考慮部分處理消除地基液化的技術(shù)措施，對(duì)于1、2級(jí)壅水建筑物的地基抗液化措施應(yīng)進(jìn)行專門研究。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（SL203—1997）》及《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB51247—2018）》規(guī)定：地震的液化土層，根據(jù)工程的類別和具體情況，可以選用地下混凝土連續(xù)墻或套打多頭深層水泥攪拌樁方案圍封液化特性地基。采用多頭深層水泥攪拌樁方案的目的，一是為了阻斷建筑物基礎(chǔ)下土層與周邊土層相互作用，二是由于判別砂土地基液化土層，貫入擊數(shù)一般較低，需要采用攪拌樁進(jìn)行加固地基。

采用圍封方案處理液化地基的機(jī)理［7］為：阻斷建筑物基礎(chǔ)下土層與周邊土層相互作用，通過攪拌樁注入水泥漿充分?jǐn)嚢韬螅瑢?duì)樁間土起到擠壓增加密實(shí)度的效果，在上部荷載作用下，由樁體承載大部份荷載，而樁體之間的土應(yīng)力相對(duì)減小，樁體同時(shí)起到對(duì)樁間土限制側(cè)向位移及側(cè)向變形；水泥攪拌樁為半剛性體，較樁群間土體，其豎向及側(cè)向承載力均大于普通土體，通過水泥和周圍土體中水分發(fā)生水化反應(yīng)，減少周圍土體的飽和度，降低液化趨勢(shì)，同時(shí)由于水泥固化劑的摻入，一定程度上增加了土壤黏粒含量（可根據(jù)水泥顆粒分析計(jì)算，一般資料介紹約增加黏粒含量約為3%），改善了樁周土的工程特性（特別是砂土和粉土）［8］。

基于宿遷黃河故道整治工程建筑物等級(jí)以及地基實(shí)際情況，黃河故道中泓控制建筑物底板下普遍為2~3層液化質(zhì)土層，等級(jí)輕微至中等的特點(diǎn)，工程實(shí)施綜合采用：第一類防止地基液化的方法（地基加固、圍封的方法）及第二類即使發(fā)生液化也不使其對(duì)結(jié)構(gòu)物的使用產(chǎn)生影響（改善結(jié)構(gòu)受力的方法）的處理方法即部分處理液化地基的優(yōu)化措施：

（1）水泥攪拌樁圍封第③層、④層、⑥層可液化土層；

（2）閘基水泥攪拌樁處理，結(jié)合地基處理在建筑物底板下圍封樁內(nèi)施打水泥攪拌承載樁，減輕及削弱液化沉陷及液化影響。

3.2 液化地基水泥攪拌樁處理深度的確定

水工建筑物水閘、泵站主體結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是構(gòu)筑物在土基兩側(cè)邊墻后有回填土區(qū)域的半埋入結(jié)構(gòu)［9］，上下游連接段的擋墻(翼墻）結(jié)構(gòu)為墻后填土、墻前鄰水的擋土建筑物，根據(jù)地基液化土層的埋置深度，可以根據(jù)以下幾種情況確定地基液化處理深度或樁長(zhǎng)。

（1）根據(jù)上部水工建筑物安全性等級(jí)要求完全消除地基因液化引起的沉陷性影響，此種情況設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)須完全穿過液化土層，設(shè)計(jì)樁底到達(dá)該液化土層的底端。

（2）上部水工建筑物安全性要求部份消除地基因液化引起的沉陷性影響，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)應(yīng)同時(shí)符合如下要求：①當(dāng)計(jì)算樁長(zhǎng)達(dá)到15m時(shí)，液化指數(shù)IlE≤4，當(dāng)判別深度為20m時(shí)，液化指數(shù)IlE≤5；對(duì)于條形基礎(chǔ)及獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，不應(yīng)小于基礎(chǔ)底面下液化土特征深度和基礎(chǔ)寬度的較大值；②位于處理深度范圍內(nèi)，應(yīng)保證標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值N≥液化判別臨界值N cr。

本次施工階段采用按部分消除地基液化沉陷變形的方案，考慮建筑物基底有效覆蓋壓力的影響，參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010），適當(dāng)加厚地基上部非液化質(zhì)土厚的覆蓋厚度，水泥攪拌樁圍封、加固樁長(zhǎng)按下列公式計(jì)算：

式中：du為扣除淤泥質(zhì)土層厚度后的上層非液化土層厚度；dω為地下水位深度；db為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)埋深，基礎(chǔ)埋深≤2.0m時(shí)，取2m；do為液化土特征深度。

建筑物底板下圍封周邊水泥攪拌樁樁底高程，通過計(jì)算確定滿足上述要求的圍封樁長(zhǎng)。采用水泥攪拌樁單樁套打圍封處理液化土層，由于水泥攪拌樁樁身存在攪拌均勻性離差大的缺陷，圍封攪拌樁的長(zhǎng)度宜控制在10m左右。

（3）目前江蘇省內(nèi)工程界也有一種意見，認(rèn)為液化土層處理圍封深度下限值，對(duì)于建筑物基礎(chǔ)下存在深厚液化土層，均采用土層標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界值判別深度15m作為圍封下限，對(duì)于深基礎(chǔ)采用20m下限。

3.3 結(jié)構(gòu)輔助措施

（1）結(jié)合建筑物防滲處理，建筑物主體以及上、下游聯(lián)接段翼墻底板下地基液化深度一定范圍內(nèi)，采用套打水泥攪拌樁防滲墻圍封底板四周的部分消除液化沉陷措施，結(jié)合主體建筑物基礎(chǔ)承載力處理，在水泥攪拌樁圍封范圍內(nèi)建筑物底板下布置水泥攪拌承載樁的技術(shù)措施。

（2）在擋水建筑物底板上、下游護(hù)坦部位以及翼墻迎水側(cè)底板前沿散打一定數(shù)量的水泥攪拌樁加固地基，通過部分置換，減輕骨架破壞時(shí)圍封范圍內(nèi)地基土壤顆粒產(chǎn)生的懸浮影響。

（3）增加、改善擋水建筑物上部結(jié)構(gòu)剛度，采用框架式閘室結(jié)構(gòu)，將水閘閘上公路橋、工作邊橋以及工作橋與閘墩全部固結(jié)，增加了建筑物側(cè)向總體剛度。

4 實(shí)施效果分析

黃河故道宿遷段水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)整治工程中建筑物的工程級(jí)別相對(duì)較低，各建筑物基礎(chǔ)土體液化判為中等，綜合考慮土質(zhì)條件，工程實(shí)施階段采用了對(duì)地基基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)處理措施，消除不良地質(zhì)條件液化沉陷負(fù)面影響。

陳圩閘底板底面高程▽15.20m，基坑地質(zhì)由下至下分別為淤泥質(zhì)黏土、粉砂夾粉土、淤泥質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土夾粉土，對(duì)應(yīng)④-1、⑥、⑦-1及⑦層土體。其中粉砂夾粉土為液化土層，水泥攪拌樁連續(xù)墻穿越⑦-1淤泥質(zhì)黏土層，樁底進(jìn)入⑦層土0.7~1.0m，樁長(zhǎng)約為6.0m，⑦層層底高程▽6.30m，其下為液化土層粉砂加粉質(zhì)黏土，未采取圍封措施。

蔡支閘底板底面高程▽18.20m，位于輕粉質(zhì)砂壤土層（③層），基坑土質(zhì)分別為粉砂夾粉土（⑥層）及粉質(zhì)黏土夾粉砂（⑧層），全部為液化土，面層面相鄰，⑧層土其下為⑨層黏土層，⑨層黏土層層面高程▽0.00m（部分鉆孔未揭示），蔡支閘地基為深厚液化地基?？紤]徹底處理所需樁長(zhǎng)、投資增加均較大，陳圩閘、蔡支閘上、下游聯(lián)結(jié)段翼墻部考慮到墻后上覆非液化土層較厚，因按照規(guī)范規(guī)定可部分消除液化沉陷的原則，圍封樁長(zhǎng)采用了8~9m，計(jì)入建筑物基底有效覆蓋壓力作用，圍封樁長(zhǎng)不再增加，同時(shí)在翼墻前齒底板下也設(shè)水泥攪拌樁連續(xù)墻，并與閘室底板周邊圍封連續(xù)墻銜接。

陳圩閘、蔡支閘分別于2021年1月14日開始施工，2022年1月20日通過完工驗(yàn)收，實(shí)施效果表明：本優(yōu)化方案更適合黃河故道整治建筑物工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，解決了原有方案的局限，能更好滿足建筑物地基抗震防液化要求，為整個(gè)工程施工的順利實(shí)施提供了可靠保障。

5 建議

水利工程地基液化處理問題，無論是理論研究還是實(shí)際工程應(yīng)用，抗液化效果的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及檢驗(yàn)手段并不成熟，建議如下：

（1）工程施工階段，基坑降排水會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生固結(jié)壓實(shí)影響，同時(shí)水泥攪拌樁的實(shí)施會(huì)對(duì)地基土壤起到一定的擠密和改良作用，需要通過對(duì)水泥攪拌樁樁間土體靜力觸探試驗(yàn)（CPT）和十字板剪切試驗(yàn)，探明土體在加固前、后物理力學(xué)性能變化，并檢驗(yàn)加固處理后土層液化指數(shù)的變化，從而對(duì)液化地基處理后土層的改變情況進(jìn)行評(píng)估、總結(jié)

（2）水工建筑物上、下游護(hù)坦部位由于上覆建筑物有效壓力以及覆蓋土層厚度均較小，是水工建筑物土層的抗液化處理的薄弱部位，應(yīng)加強(qiáng)該部位研究處理方案。

（3）水泥攪拌樁施工時(shí)建議采用濕噴、干噴法(對(duì)環(huán)境有一定的揚(yáng)塵)進(jìn)行方案比較，以鑒定2種工法對(duì)加固效果的影響。

（4）建議淘汰或改進(jìn)老的水泥攪拌樁施工設(shè)備，選用水泥攪拌樁新型改進(jìn)后的施工設(shè)備，以提高水泥攪拌樁體的無側(cè)限強(qiáng)度、滲透系數(shù)以及樁體強(qiáng)度的均勻性。