强夯置换法在南水北调渠基液化处理中的应用

何清举，齐仁贵，王永智，赵明勤

（1.河南省水利第二工程局，450016，郑州；2.河南省水利科学研究院，450003，郑州）

强夯置换法在南水北调渠基液化处理中的应用

何清举1，齐仁贵2，王永智2，赵明勤2

（1.河南省水利第二工程局，450016，郑州；2.河南省水利科学研究院，450003，郑州）

强夯置换；液化；标准贯入；南水北调

一、工程概况

1.基本情况

南水北调安阳段桩号AY 26+892.9～AY 27+172.3(七标段施工范围内)为高填方段，最大填土高度达11 m。该段渠基土层在地面以下7 m深范围内为轻粉质壤土()，存在饱和少黏性土地震液化问题。该区地震动峰值加速度为0.15 g，相当于地震基本烈度为Ⅶ度。该段液化地基需要处理的总面积为30804.45 m2， 其中 10222.44 m2区域上部有220 kV高压线影响，不能用强夯法施工，需改为其他方法处理。

2.液化土成因分析

桩号AY27+172.3以北地面30～50 cm以下均为砂卵石和黏土岩混合层，该段地面以下有厚度达7 m的轻粉质壤土，与别处不同，因为它位于安阳河北侧200 m左右，为老河床沉积层。由于地球的自转作用，水体受地球引力影响，向地心方向产生重力，同时水体又在所在纬度圆面产生径向离心力，两力的合力偏向赤道方向。东西方向河流中的水流动时，必定会向赤道方向的河岸进行冲刷，日积月累，河流主河槽逐渐朝赤道方向滚动。我国长江、黄河和淮河东西向河段的主河槽均靠近南岸，安阳河段也不例外。

一般来说，对以砂性土为主的土层，当埋深浅、地下水位高且天然地基承载力低时，在地震作用下容易产生液化现象。所谓液化是指由于孔隙水压增加及有效应力降低而引起粒状材料（砂填土、粉土等）由固态转化为液态的过程。影响液化的主要因素有：颗粒级配 （包括黏粒、粉粒的含量百分数，平均粒径d50的含量百分数）、透水性能、相对密度、结构、饱和度、动荷载（包括振幅、持时等）。地震发生时，地基液化是引起建 （构）筑物破坏的主要形式，尤其是液化土层位于面波影响深度区间内。因此地基液化分析与处理一直是土动力学的主要研究课题之一。

3.液化地基处理方案

该段地基处理招标文件要求采用加密法或换土法等处理方法消除地基液化沉陷，设计图纸要求采用强夯进行地基加密法处理。施工单位在按设计要求进行试夯时，由于地基较软，土的含水率偏大(地面以下3 m处达26.1%)，夯击5次夯锤下陷达3 m深，出现提锤困难、坑壁坍塌、坑间地面隆起现象。经各参建单位代表在现场共同查看，并邀请专家充分进行研究论证和方案遴选，报河南省南水北调中线工程建设管理局批准，变更了地基加固处理方法。变更后的渠基处理要求为：改用强夯置换法，并选定2000 m2区域进行试验；每夯点夯击至起锤困难时填充从渠道开挖出来的砂卵石（粒径小于20 cm）继续夯击，每次回填量以能够起锤顺利为原则；夯击次数根据试验确定，最后两击的相对沉降量小于10 cm；最后进行标贯检验，标准贯入击数不低于临界贯入击数。

二、强夯置换试验

1.试验目的

①核查轻粉质壤土层强夯置换处理后的标贯击数，是否能够达到液化判别标贯击数临界值。

②检查强夯置换机具的性能是否满足施工要求。

③选定合理的施工技术参数：锤重、落距、单击夯击能、夯击次数、墩位布置、墩间距。

④确定有关质量控制的技术要求和检测方法。

2.夯击能的计算

根据设计要求和能够获得的强夯机械，选用圆柱形夯锤，夯锤直径2.5 m，重196 kN，铸钢材料，锤体具有4个φ300的排气孔，吊环为φ50圆钢。经大量试验统计分析后采用以下公式计算：

式中，H为强夯加固土层影响深度（m）；M 为夯锤重力（kN）；h 为落距（m），锤提起时锤底至起夯击面的距离；k为修正系数，一般取0.4～0.7。

式（1）可转换为落距的计算公式：

将处理深度、夯锤重代入，经计算，h=5.0～15.31 m。夯锤提起高度取最大值h=15.31 m，计算夯击能为：

E=M·h=196×15.31=3000.76 kN·m

取整数，夯击能E=3000 kN·m。

3.试验方法及过程

（1）试验方法

在渠基需处理范围内选定一块平坦的区域，作为本次试验的试验区，面积2000 m2。夯坑填充材料采用从渠道开挖出来的砂卵石，粒径小于20 cm，处理影响深度为7 m，第一、二遍采用现场设备最大夯击能3000 kN·m，最后一遍选择最小的夯击能1000 kN·m，连续排夯。根据设计图纸要求强夯置换墩位按正三角形布置，第一遍两墩中心间距6.5 m，第二遍夯点在第一遍夯点之间布置，第三遍满堂拍平。

（2）试验过程

2008年3月7日，开始进行第一遍夯击，3月12日进行第二遍夯击，3月21日开始进行第三遍夯击；3月22日完成三遍夯击，整个过程历时15 d。

4.处理效果检测

2008年4月5日 （第三遍夯击14 d后），邀请第三方试验室到现场进行标准贯入法试验及取样检测，共选择3个部位进行标贯试验及取样，共取样21组。

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287—99）液化判别标贯锤击数临界值计算公式为：

式中，Ncr为液化判别标贯锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值，根据本地区地震烈度，从表1中查得N0=8；ds为饱和土标准贯入点深度（m），ds不大于 15 m；dw为地下水位深度（m），本区域根据挖探坑检测为3.5 m；Pc为黏粒含量百分率，Pc不大于 3。

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287— 99）的地震液化判别采用标准贯入锤击法，符合下式的土判为液化土：

式中，N63.5为标准贯入点在当时地面下ds深度处的标准贯入锤击数，Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值。

5.试验成果分析及结论

①根据对土样颗粒分析结果，计算出临界贯入击数Ncr、现场标准贯入击数N63.5均大于临界贯入击数Ncr，判定饱和土液化已经消失。

表1 标准贯入锤击数基准值N0

②通过对第一遍105个和第二遍57个夯击点位的分析，最后两击相对沉降量8.5～11 cm，第一遍平均为9.93 cm，第二遍平均为8.91 cm，两遍平均为9.57 cm。试验结果均满足设计要求。

③第一、二遍采用最大夯击能3000 kN·m （锤重 196 kN，落距15.31 m），夯击 15～17 击，最后一遍采用最小夯击能 1000 kN·m （锤重98 kN，落距 10.20 m），满堂拍平。

④夯点采用正三角形布置，第一遍两墩间距6.5 m，第二遍墩点位在第一遍墩间布置，处理范围按设计要求超出基础外边缘线3 m。

⑤每个夯击点的填料量在18.9～27.3 m3之间，第一遍平均为23.08 m3，第二遍平均为21.94 m3，两遍平均22.68 m3。

⑥每个夯击点的最后两击相对沉降量和填料量，第一遍均略大于第二遍。分析其原因是，第二遍是在第一遍夯点之间夯击，第一遍夯击时两夯点之间的土体己初步被挤密，第二遍是在比第一遍相对密实的点位上夯击，故每个夯点的最后两击相对沉降量和填料量，第一遍均略大于第二遍。

⑦2000 m2试验区中两遍合计157个夯点填料总量为3673.98 m3，单位面积上填充量为1.837 m3/m2。■

[1]乐平，刘献刚，邵忠心.地震液化产生的原因及对应措施探讨[J].中国勘察设计，2008(10）.

[2]李勇.浅析块石强夯置换法[J].科技风，2008（21）.

[3]江正荣.强夯法加固地基影响深度的计算[J].建筑工人，2000（5）.

[4]谢仁追.强夯置换法应用关键技术[J].水运工程，2009（5）.

责任编辑 车小磊

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1000-1123（2011）04-0064-02

2010-10-26

何清举（1975—），男，工程师。