抗震平台法在处理地基液化中的应用

王先忠

(河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008)

1 工程概况

河南省出山店水库是淮河干流上的大型防洪控制工程，其上游河流长度124km，控制流域面积2900km2，多年平均流量35.2m3/s，多年平均年径流11.1亿m3，多年平均悬移质年输砂量73.1万t，是一座以防洪为主、结合供水、灌溉、兼顾发电等综合利用的大型水利枢纽工程，总库容12.51亿m3。水库正常蓄水位为88.0m，汛期限制水位86.0m，死水位84.0m，5年一遇洪水位88.0m，20年一遇洪水位92.3m，防洪高水位(p=1%)94.80m，水库按1000年一遇洪水设计，设计洪水位为95.78m，10000年一遇洪水校核，校核水位98.12m，大坝型式为混合坝型，主坝轴线长3694.57m，其中土坝段长3265m，混凝土坝段长429.57m(含连接坝段)，坝顶高程100.4m，最大坝高40.6m，迎水面半坡高程91.01m。河南省出山店水库工程为Ⅰ等工程，主坝[土坝段、混凝土坝段(溢流坝段、底孔坝段、电站厂房坝段、南灌溉洞坝段、连接坝段)]、副坝、北灌溉洞等主要建筑物级别1级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物施工围堰及导流明渠为4级建筑物，电站厂房级别为5级。

导流明渠总长1264.75km，明渠采用40cm的铅丝石笼护砌。

Ⅰ级阶地段长1.1km、坝高19.4m，坝型为黏土心墙坝，结构形式主要为黏土心墙与坝壳砂料之间铺设反滤层，上游坝坡采用混凝土连锁块护砌、下游坝坡采用混凝土预制块护砌。Ⅰ级阶地段上游95m高程设22m宽压重台、下游95m高程设25m宽压重台。Ⅰ级阶地存在坝基软土稳定问题、坝基渗漏及渗透变形问题、坝踵部位饱和砂土地震液化问题，针对上述地质问题，采取防渗帷幕进行垂直防渗、采取挤密砂桩进行砂土地震液化处理及坝基软土的排水固结及置换处理。

混凝土坝段坝基岩性为弱—微风化加里东晚期中粗粒黑云母花岗岩，该层分布于砾石层之下。

混凝土坝段开挖料涉及砂砾及花岗岩，花岗岩强风化层厚度较薄，为0～13m，一般厚1.4～2.8m，预计开挖料状态呈碎块—次块状；花岗岩弱风化层呈块状。导流明渠位于坝址区土坝段南侧，后期拆除料涉及砂砾、碎石、块石等，铅丝石笼块石料约7万m3。

2 Ⅰ级阶地地层结构

Ⅰ级阶地地层结构整体属土、岩双层结构，其中上部第四系地层具河流相二元结构特征；下伏基岩主要为古近系红色岩系，主要为紫红色(砂质)黏土岩、砂岩、砾岩，在Ⅰ级阶地前缘之古近系与花岗岩不整合接触面之上，夹有斑脱岩，属弱透水性。

上覆上更新统和全新统地层，具二元结构，总厚度11～16m，局部达18m。其中上部为厚2～4m的第四系全新统黏性土层，地层岩性为黄色-褐黄色低液限黏土(重粉质壤土)，属弱透水性。中部为厚8～10m的第四系全新统砂层，岩性为褐黄-黄色-灰黄色级配不良砂(细砂、中粗砂、含砾砂层)，属中等-强透水性；级配不良砂细化分为三层：上层颗粒以细砂为主，中层颗粒以中粗砂为主，下层颗粒以含砾中粗砂为主。土、砂层之间及砂层中局部夹有灰色、含有机质的软土层，极软-软；该层上叠于上更新统之上，构成Ⅰ级阶地。中下部为1.5～5m的第四系上更新统砾石层，局部卵石含量较高，含量达10%以上，该层多级配良好，局部级配不良，层底局部为卵石层。下部为未揭穿的由古近系毛家坡组(Em)砖红、紫红色粘土岩与砂质黏土岩互层，夹有薄层砾岩及砾质砂岩层等红色岩系。

3 地震动参数

出山店水库库区未发生过有历史记录的地震，在其周边40km以内也只发生过次数不多的5级6度的地震；根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，水库区地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度6°；地震专业部门进行了专门地震评价，确定地震基本烈度为6°。

根据GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》，该水库工程抗震设防类别为甲类，因此可将水库工程主体建筑物的设计烈度在基本烈度的基础上提高1°，采用7°。

4 坝址区液化判别

砂土的液化机制：松散的砂土受到震动时有变得更紧密的趋势，但饱和砂土的孔隙全部为水充填，因此这种趋于紧密的作用将导致孔隙水压力的骤然上升，而在地震过程的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力(有效压力)减小，当有效压力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样，即通常所说的砂土液化现象。根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》附录P，地震时饱和无黏性土和少黏性土的液化判别，应根据土层的天然结构、颗粒组成、松密程度、地震前和地震时的受力状态、边界条件和排水条件以及地震历时等因素，结合现场勘察和室内试验综合分析判定。

坝址区Ⅰ级阶地中部砂层为第四系全新统饱和少黏性土，经初判可能产生地震液化问题，复判采用标准贯入锤击数法。

根据GB 50487—2008附录P，符合下式要求的土应判为液化土：

N

(1)

式中,N—工程运行时，标准贯入点在当时地面以下的深度ds(m)处的标准贯入锤击数，击；Ncr—液化判别标准贯入锤击数临界值，击。

当标准贯入试验点深度和地下水位在试验地面以下的深度，不同于工程正常运用时，实测标准贯入击数值应按式(2)进行校正，并应以校正后的击数N作为复判依据。

(2)

校正后的标准贯入锤击数和实测标准贯入锤击数均不进行钻杆长度修正。

液化判别标准贯入锤击数临界值根据式(3)计算。

(3)

式中,ρc—土的黏粒含量质量百分率,%，当ρc<3时，ρc取3；N0—液化判别标准贯入锤击数基准值，击，取值6；ds—当标准贯入点在地面以下5m以内深度时，应采用5m计算。

根据上述规定，工程运用时选取不同位置判别，由于埋深和水位的不同，就可能造成判别结果较大差异。据此，根据坝体的结构形状，本水库坝址区Ⅰ级阶地中部的第四系全新统砂层液化判别复判计算时选取坝顶、迎水面半坡、迎水面坝踵等三种不同典型位置来进行液化判别计算。以Ⅲ1- 28号孔为判别代表孔进行计算(地面高程81.62m，标准贯入试验时地下水位埋深8.1m)，经计算，坝顶及迎水坡半坡位置不液化，而在坝踵位置存在饱和砂土地震液化问题，见表1。

表1 工程正常运行时Ⅰ级阶地中部砂层地震液化判别表(位置：坝踵)

表2 工程正常运行时Ⅰ级阶地中部砂层挤密砂桩施工后地震液化判别表(位置：坝踵)

5 可液化坝基的处理

Ⅰ级阶地地层中，土、砂层之间及砂层中局部夹有灰色、含有机质的软土层，呈极软—软状，存在坝基软土稳定问题。结合坝基软土稳定问题及饱和砂土地震液化问题，坝基采用挤密砂桩处理方案，上下游侧坝基处理边界分别至上、下游坝脚线外10m之间全断面布置、深度为清表后地面以下10m。挤密砂桩布置以防渗墙中心线为基准，分别向上下游布置，采用等边三角形布置，防渗墙中心线至上下游压重平台坝基范围内桩间距为2.0m、桩径0.5m，压重平台外至上下游坡脚线外10m范围内桩间距为1.5m、桩径0.5m。其中，桩间距为2.0m的挤密砂桩主要处理坝基软土稳定问题；桩间距为1.5m的挤密砂桩以处理饱和砂土地震液化问题为主，并在处理饱和砂土地震液化问题的同时，亦解决了坝基软土稳定问题。

6 抗震平台法处理液化问题的提出

Ⅰ级阶地地层中，振动沉管成桩法挤密砂桩施工前，根据要求，对桩径0.5m的成桩工艺、桩间距2.0m及桩间距1.5m的成桩挤密进行了试验。其中，成桩挤密试验采用了标准贯入试验和重型动力触探进行检测，重型动力触探检测其成桩效果，标准贯入试验检测桩间土挤密效果，根据桩间土标准贯入锤击数对地基液化问题的处理效果进行了检测。

桩径0.5m、桩间距2.0m的挤密砂桩试验区内的砂桩施工后检测成果以钻孔GH- 2为判别代表孔进行叙述(地面高程81.56m，标准贯入试验时地下水位埋深7.9m)，见表2。

桩径0.5m、桩间距1.5m的挤密砂桩试验区内的砂桩施工后检测成果以钻孔GH- 6为判别代表孔进行叙述(地面高程81.67m，标准贯入试验时地下水位埋深7.9m)，见表3。

经计算，按2.0m及1.5m的桩间距进行挤密砂桩施工后，下部砂土的液化问题已处理完毕，但上部4m深度内的液化问题仍然存在，需重新考虑该区域的坝基液化处理问题。

根据砂土的液化机制及工况下液化判别校正的因素，对于本水库工程而言，能人为作用的影响砂土液化主要因素为：颗粒组成、砂土密度、砂土的埋藏深度。

颗粒组成因素：由于该水库工程土坝为1级建筑物，段长1.1km，表层为2～4m黏性土层，液化深度10m，现状地下水埋藏较浅、砂土的渗透性为中等-强透水性，若采用改变液化土层的颗粒组成的方法——换填法(用非液化土层替换全部液化土层)进行处理，则存在工程量大、降排水困难、处理深度大等问题，无论从工程造价及施工难度而言，该方法都不适宜于本工程。

表3 工程正常运行时Ⅰ级阶地中部砂层挤密砂桩施工后地震液化判别表(位置：坝踵)

砂土密度因素：对于本水库工程而言，坝基中上部土、砂层之间及砂层中局部夹有灰色、含有机质的软土层，存在坝基软土稳定问题，采取桩径0.5m、桩间距2.0m的挤密砂桩进行处理——排水固结法结合置换法；故采用挤密砂桩处理坝基液化问题是必选方法，即增高桩间砂土密度的方法——加密法。从挤密砂桩的挤密效果理论上讲，挤密砂桩间距越小，挤密效果越好；从施工角度而言，挤密砂桩间距越小，施工难度越大。从本次试验结果可知，桩间距1.5m的挤密砂桩施工后，液化深度同为4m，若桩间距调为1.0m，邻桩间的振动等影响越大、施工难度增大，从而难以解决上部砂性土的液化问题。

砂土的埋藏深度因素：前述的工程正常运用时坝顶、迎水面半坡等典型位置的液化复判，虽为坝体填筑，亦为加大砂土的埋藏深度的方法消除液化问题的措施，故在现状条件下判别为液化的区域，在坝体填筑后，其坝顶、迎水面半坡等典型位置因标准贯入试验贯入点深度的增加，而在进行工程正常运用时条件下判别为不液化。若采用加大砂土的埋藏深度的方法——本水库工程为扩大坝体断面法进行处理，以Ⅲ1- 28号孔为判别代表孔进行叙述，见表4，至少需扩大坝体断面高程为91m，坝体91m高程位置至坝踵上游坡脚线外10m的距离为39.5m，增加断面面积365m2，1.1km的Ⅰ级阶地需增加40万m3的坝体填筑。存在工程量大、扩大断面高等问题。

如前所述，对于本水库工程能人为作用的影响砂土液化的三个因素中，颗粒组成因素不适宜本工程，砂土密度因素为必选因素，砂土的埋藏深度因素为可考虑因素。根据挤密砂桩的试验结果，桩径0.5m、桩间距1.5m的挤密砂桩施工后，下部液化问题已消除，液化深度均为4m，若调小间距，邻桩间的振动等影响越大、施工难度增大，从而难以解决上部砂性土的液化问题。若要解决该问题，目前还有一可考虑因素，考虑在坝踵上游增设一上覆土层，加大砂土的埋藏深度，以处理挤密砂桩施工后上部4m的液化问题。至此，提出抗震平台法处理液化问题理念。

桩径0.5m、桩间距2.0m的挤密砂桩施工后，在坝踵上游增设一上覆至85m高程的抗震平台(压重平台)处理挤密砂桩施工后上部4m的液化问题，检测成果以钻孔GH- 2为判别代表孔进行叙述，见表5。

桩径0.5m、桩间距1.5m的挤密砂桩施工后，在坝踵上游增设一上覆至85m高程的抗震平台(压重平台)处理挤密砂桩施工后上部4m的液化问题，检测成果以钻孔GH- 6为判别代表孔进行叙述，见表6。

表5 工程正常运行时Ⅰ级阶地中部砂层挤密砂桩施工后增设抗震平台地震液化判别表(位置：坝踵)

表6 工程正常运行时Ⅰ级阶地中部砂层挤密砂桩施工后增设抗震平台地震液化判别表(位置：坝踵)

从表5—6的液化判别结果可知，在增设至85m高程的抗震平台后，桩间距2.0m及桩间距1.5m的挤密砂桩施工后的上部4m未消除的液化问题均全部消除。

综上所述，针对Ⅰ级阶地坝基软土稳定问题及饱和砂土地震液化问题的处理方案调整为，上游侧坝基处理边界至上游坝脚线外10m之间全断面布置，深度为清表后地面以下10m，采用等边三角形布置，桩径0.5m，桩间距2.0m；针对坝基液化问题，在上游增设至85m高程的抗震平台，平台顶面边界至上游坝脚线外10m，然后按1∶3坡度向上游顺延至原始地面。

根据该调整方案，挤密砂桩将减少2.8万根，减少挤密砂桩挤密砂量5.5万m3；增设抗震平台需增加填筑料9.7万m3，其填筑料可选取混凝土坝段开挖料及导流明渠铅丝石笼拆除料，亦可解决水库部分开挖弃渣料的安置问题。

7 抗震平台法在水利行业的适用性

根据GB 50487—2008附录P，增设抗震平台，工况下加大了标准贯入点在当时地面以下的深度，当校正后的标准贯入锤击数大于液化判别标准贯入锤击数临界值，复判为不液化地层。有抗震要求的堤坝，堤坝体自身已起到抗震平台的作用，若堤坝本身能消除地基液化问题，或采取其他地基液化处理措施后仍需结合坝体本身才能全部消除地基液化问题时，在其坡脚处最为不利，可采取扩大设计断面处理(当堤身相对不高，一般不会出现堤裙处理方式，且堤裙形式影响美观与协调，建议采用扩大设计断面处理)；若增设非液化土平台的高度较低时，可采用抗震平台(以坝裙的方式)进行液化处理，在基础边缘以外的处理宽度为应超过基础底面以下处理深度的1/2，且不小于基础宽度的1/5。根据水工建筑物过水性能，除堤坝建筑物外，其他水工建筑物基础一般位于地面以下，不适宜于采用抗震平台法进行地基处理。

抬升建筑地面标高及加大填筑体设计断面处理地基液化问题，亦是抗震平台理念的一种体现，但实际使用中，却体现不出抗震平台的效应。但对于大坝工程，若增设非液化土平台的高度要求较低时，以坝裙的形式进行饱和砂土地震液化处理，此时，抗震平台理念得以充分体现。因此，抗震平台(亦称压重平台)，适用于允许地面抬升的建筑物地基及堤防、大坝等工程的地基液化处理，最适宜于大坝工程的坝基液化处理。

8 结论与建议

本文的重点内容为提出抗震平台法理念，为地基液化处理时打开一种思维，为开挖弃料提供一种处理方向。

通过本文论述，形成以下结论：

(1)通过该工程实例，针对性提出“抗震平台法”处理液化问题设计理念。

(2)抗震平台处理土的地震液化问题的原理为：有抗震要求的建筑物，其填筑体根据设计、填筑标准必为非液化土层，以增设上覆压重平台的方法达到地基液化处理。

(3)抬升建筑地面标高及加大填筑体设计断面处理地基液化问题，亦是抗震平台理念的一种体现，但实际使用中，却体现不出抗震平台的效应。但对于大坝工程，若增设非液化土平台的高度要求较低时，以坝裙的形式进行饱和砂土地震液化处理，此时，抗震平台理念得以充分体现。

(4)增设抗震平台最适宜于大坝工程的坝基液化处理，亦与其他地基液化处理的方法相结合。