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連徐高速公路液化地基處理

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連徐高速公路液化地基處理
譚發茂
【內容摘要】 液化是一種特殊的工程地質現象,本文簡要介紹了徐州地區液化地基的形成原因,液化的影響因素與工程特性,以及強夯、碎石樁施工的工藝特點。同時總結了連徐高速公路液化地基處理的經濟可行的措施。
一.前言
連徐高速公路是國家重點工程連云港至霍爾果斯歐亞大陸橋的東橋頭堡。該路西段(徐州段)跨越黃淮沖積平原東南部,路線有近一半處于液化土不良地質地段。由我公司承接的標段為該路段的試驗段。通過試驗段施工中的反復試驗,為液化地基處理提供了成功的經驗。本文將從液化土的形成條件、工程特性和處理措施等幾方面簡要介紹該路段液化地基處理施工的情況。
二.液化土形成的原因分析
1.土的液化機理
松散的砂土和粉土,在地下水的作用之下達到飽和狀態。如果在這種情況下土體受到震動,會有變得更緊密的趨勢,這種趨于緊密的作用使孔隙水壓力驟然上升,而在這短暫的震動過程中,驟然上升的孔隙水壓力來不及消散,這就使原來由土顆粒間接觸點傳遞的壓力(有效壓力)減小,當有效壓力完全消失時,土層會完全喪失抗剪強度和承載能力,變成像液體一樣,這就是土的液化現象。
由此可見,發生液化現象,土質多是松散的砂土和粉土,而且受到震動和水的作用。
2.液化的條件
(1)地質條件
黃淮沖積平原為歷史上黃河泛濫泥沙沉積形成。從兩千多年前的周定王五年(公元前602年)&127;,黃河第一次大改道南徒,到入宋以后,夏秋霖潦,&127;黃河多次泛濫成災。&127;而后,1077年的澶州曹村大決口和1855年的蘭考城北黃河大決口,&127;使徐州平地積沙8~10米,這幾層土都處于松散狀態,&127;標準貫入度試驗N值只有3~5擊/0.3米,形成了沿線液化土層的基本條件。
(2)地下水的作用
砂土和粉土只有在飽和狀態才會產生液化,而松散的砂土和粉土,在地下水位以下時才能達到飽和狀態。因此,地下水的作用和地下水位的高低是影響液化的重要條件。
在7度地震區域,地下水位高于6m,地震時容易發生液化。徐州地區地下水豐富,地下水埋深只有0.5~1.5m,這就具備了液化形成的必不可少的條件。
(3)外力的作用
飽和的砂土和粉土在外力如地震的作用下,抗剪強度很快喪失。砂土的抗剪強度τ可用下式表示:
τ=(σ-U)tgΦ
式中σ為剪切面上外力作用下的法向應力,&127;U為剪切面上孔隙水壓力,Φ為土的內摩擦角。
地震時,土體受到強烈的震動,孔隙水壓力U急劇增高,當U與總法向力σ相等時,土體抗剪強度τ=0,地基失去承載力。
地震烈度愈高的地區,地面震動愈強烈,土層就愈容易液化。一般在6度以下的地區,液化現象很少發生,但在7度以上的地區,當地面加速度超過0.13g時才發生液化。當地面加速度為0.16g時,液化就相當普遍了。
連徐路西段為7度地震設防區域,具備了地基液化的外在條件。
3.地基液化的影響因素及液化的判別
地基土體液化在具備上述基本條件的情況下,還與地質年代、土顆粒粒徑、土的密實度等因素有關,土是否液化還需要根據多項指標來綜合分析判斷。當符合下列因素之一時可不考慮液化影響。
(1)地質年代
年代久遠的沉積土,經過長時期的固結作用和地震的影響,土的密實程度增大,從而形成膠結緊密的結構。地質年代愈久,土層的固結度、密實度和結構性也就愈好,液化的可能性就愈小。調查表明,地質年代在第四紀晚更新世(Q3)以前的飽和土不會發生液化。
也就是說,該路段只有Q4地質年代的土層才具有可液化性。
(2)土顆粒徑和粘粒含量
土顆粒愈細愈容易液化,當土的平均粒徑在0.1mm時,抗液化的能力最差。土層中粘粒(粒徑小于0.005mm的顆粒)&127;增加,土的粘聚力增大,從而抵抗液化的能力增強。當粘粒含量超過10%時,7度地震不會引起土體液化。
土的粘性可用塑性指數Ip來定量分析,當土的塑指Ip≤10時,土體可液化性大,&127;該路段表層30~50cm以下至8~10間的土層,塑指Ip一般在9.5~10之間,證明其具有可液化性。
(3)上覆層厚度與土層的埋深
有資料表明,土質的液化深度很少超過15m的,更多的小于10m。
上覆層土層具有抑制可液化土層的噴砂冒水的作用,在7度地震區域,當覆蓋層厚度超過7m時,可不考慮液化。
連徐路西段上覆土層厚只有約0.5~1.0m,&127;上覆土層對液化翻漿的抑制作用很小。
(4)土的密實度
有關資料分析表明,&127;相對密實度小于50%的砂土地震時普遍發生液化,而相對密實度大于70%的土層不大可能發生液化。
液化的進一步判別,采用標準貫入試驗進行。詳細情況在本文“效果檢驗”中介紹。
4、液化土的工程特性
(1)液化等級的劃分
液化等級的劃分由液化指數確定。液化指數即綜合反應各種因素的影響和液化的危害程度,也是液化等級劃分的主要參數。液化指數按下式計算:
n Ni
I=∑ (1- ───)diWi
i=1 Ncri
式中:
I- -液化指數
n- -15m范圍內飽和土層中標準貫入(標貫)點總數
Ni,Ncri- -分別為i點標貫錘擊數實測值和臨界值
di--i點所代表的土層厚度
Wi--i土層考慮單位土層厚度的層位影響權函數值(單位為m),Wi=15-Dsi,Dsi為該層土中點的深度,Dsi取≥5m。
當0≤I≤5時為輕微液化;當5≤I≤15時為中等液化;當I>15m時為嚴重液化。
(2)液化土的分布
可液化土在全線呈間斷分布。液化土層以Q4Ⅱ及軟塑亞砂土及粉細砂,Ip≤10的亞粘土為主。液化層厚度在1.5~8.0m之間,埋深0~8m,以嚴重液化為多。
(3)液化土的直觀特性
可液化土都具有較好的保水性能,&127;含水量接近50%時,泌水也非常緩慢。剛挖出來的土,外表看起來沒多少水份,輕輕的拍一拍,土的表面就會上來水分,土體就會顫悠。在地基處理過程中,機械震動引起液化之后,表面的硬土層就像是漂在水面一樣,踩上去跳動可以引起幾米內的漂動。液化土和表面的硬土層就如雞蛋的蛋清和蛋殼,表層一旦破壞,翻砂冒漿隨即發生,下面的液化土就像蛋清一樣往外冒
三.液化地基處理措施
液化地基處理的基本原則就是提高土層密實度和改善排除孔隙水的條件,增大其透水性。從而提高其抗液化的能力。
1. 液化地基的處理方法 
連徐高速液化段地基處理主要采用強夯和碎石樁的方法。
2. 液化地基的處理范圍 
考慮到高速公路與工民建相比有涉及范圍大、發生震害產生的損失小和修復相對容易等特點,從經濟上考慮,連徐路砂土液化路段沒做全部處理。
對中等以上的液化地基,大型橋梁采用碎石樁加固;對嚴重的液化地基,構造物基礎原則上以碎石樁處理,若處理段與強夯處理相連時,采用強夯全幅處理;對于高路堤,強夯至坡腳外3m;路堤中心線兩側各10m范圍內不進行主夯和副夯,只進行滿夯;對于存在軟弱薄層的中等以上可液化段,進行全幅處理。
實際發生震害時,兩側坡腳處往往容易發生噴砂冒水而導致路基邊坡以外地基和路堤共同沉陷和滑移破壞,所以坡腳至邊溝外緣部分需全部進行加固。對于一般路基,根據液化產生的規律,中心線兩側各10m的范圍內不做處理。
3. 施工工藝. 
1. 強夯施工 
1)強夯的作用機理
強夯法通過重錘自由落下,在極短的時間內對土體施加一個巨大的沖擊能量,這種沖擊能又轉化成各種波型&127;(包括壓縮波,剪切波和瑞利波)&127;,使土體強制壓縮、振密、排水固結和預壓變形,從而使土顆粒趨于更加穩固的狀態,以達到地基加固的目的。
2)強夯施工工藝
a. 強夯機械的選用 
本路段強夯主要有兩種類型的機械(見圖2),一種是起重能力50t的履帶吊配18~20t的鑄鐵夯錘;&127;另一種是20~25t起重能力的吊機配16~20t的夯錘,&127;這種夯機吊臂頂上須配輔助門架。因此,每個夯點須移一次吊機,而且移動速度慢,效率較低。相比較使用大噸位吊移動方便,移一次機可打3~4個夯點,效率要比帶輔助門架的夯機高出近1倍。
b. 施工步驟 
強夯處理,進行主、副夯和滿夯3遍夯擊。施工要點如下:
.清理場地,設置墊層
連徐地區表面固結較好的土層只有0.5m左右,原

設計沒有設置墊層,機械震動很容易引起表面破壞和地基液化冒漿,承載力下降,機械下陷行進困難,同時夯坑過深起錘困難。根據試驗段總結的經驗,設計增加了強夯碎石墊層。 墊層的作用主要是:支承強夯機械的行走;形成應力擴散層,利與夯擊能的傳播;利于表層水的排除;加大夯坑底與地下水位之間的距離,避免夯坑翻漿。實踐證明,墊層作用明顯。

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