振冲法在水库坝基抗液化处理中的应用

高艳

（北票市三宝水利服务站，辽宁 北票 122121）

拦河大坝是水库工程的核心组成部分，随着水库规模的不断扩大，对拦河坝的要求也不断增加，其中最重要的防渗性、坚固稳定性是首要考虑因素，而这又与坝基有着直接关系。坝基一旦处理不好，可能会造成渗漏、变形、失稳等众多问题，甚至坝体崩溃。

曹家堡水库位于辽宁鞍山市海城市曹家堡村，总库容约1 250 万m3，之前曹家堡水库于1969年12月投入使用，经过专家评估已无除险加固必要，且各项指标已达不到相关标准要求，因此决定拆除重建。经地质勘查，设计坝基属于第四系地层，由上而下依次为：粉质粘土层（1.50～3.00 m）、粉砂层（2.20～6.50 m）、细砂土层（3.20～6.60 m）、中砂层（1.20～3.70 m），其中粉砂层厚度及层位及其不稳定，且存在地震液化问题，必须进行处理。

2.1 坝基液化程度分析

通过从地震局查阅相关资料，此项目区地震基本烈度值约6.65度，按照7度作为标准，基本加速度值设计0.15 g。在此沿着坝轴线，每隔50 m设置一个钻孔（共计63个），其中超过85%的钻孔存在液化问题，集中在粉砂层。

在此根据试验室动三轴试验计算坝基土的抗液化剪应力比△T/σf0，并依据美国seed简化法来判别坝基土液化程度，计算见公式（1）。当计算值大于试验值时，则可判断为存在液化可能，见表1所示。由此可知：在同一坝基深度下，粉砂和细砂均有液化的危险，而中砂则没问题，因此确定坝基处理深度为15 m，范围由坝基脚内15 m延伸至脚外5 m。

表1 坝基砂土液化分析表

式中：τav为地震作用平均水平剪应力，kPa；
σv为初始有效上覆压力，kPa；
amax为基本加速度值，0.15 g；
g为重力加速度，9.80 N/kg；
σ0为总上覆压力，kPa；
k为应力折减系数。

2.2 坝基液化处理方案设计

新建曹家堡水库大坝为土石坝，且处于地震区，为了消除附加孔隙水压力影响，可以通过减小坝坡角度或在坝脚处填筑压重平台来达到目的，但前者会大大增加填筑工程量，后者只能减小但无法根除液化，因此经过论证后全部否定。目前针对地基液化病害，常见的处理方式为强夯法，但受制于坝区实际情况以及环保要求，该方法也被排除，最终确定最合适的处理方案为振冲碎石（砂）桩法。

2.2.1 现场试验设计

为了确定合理的施工参数（诸如：布置间距、填料等），在现场共设计4个试验区，编号1～4，每个区具体设计参数见表2。

表2 振冲试验4个区参数设计表

2.2.2 试验结果分析

此项目利用“标贯法”和“剪切波速法”分别对坝基液化处理效果进行检测，若两个结果均显示良好才算合格。

①“标贯法”液化判别。此项目采用“标贯法”判定为液化的标准为：N63.5＜Ncr，其中液化临界锤击数Ncr计算见公式（2）。

式中：N0为饱和土液化临界标准贯入锤击数，取值6；
ds为标准点在地面下深度，m；
dw为地下水位深度，m；
ρc为系数，取值3.00%。

②“剪切波速法”液化判别。此项目采用的“剪切波速法”为单孔法和跨孔法，前者激发源位于地面，后者激发源位于孔内（另一个孔接收）。“剪切波速法”判定为液化的标准为：土层剪切波速Vs＜Vst（上限剪切波速），其中Vst计算见公式（3）。

式中：KH为地震加速度系数，取值0.10；
Z为深度，m；
rd为深度折减系数，取值0.20。

通过两种方法的独立判别，结果表明：4个试验区内，深度不超过2.50 m时，均存在液化砂土（程度轻微）；
振冲砂桩间的饱和砂土仅1个测试孔出现轻微液化问题，其他孔基本不存在（共计20个孔）；
振冲碎石桩间的饱和砂土测试孔均未发现液化问题。由此可知经振冲碎石（砂）桩处理后效果显著，可以应用。

3.1 方案布置

由于曹家堡水库大坝周边无足够粗砂料可供使用，但附近有风化碎石料（安山岩为主），经过技术人员检测其含泥量约为7%，抗压强度80 MPa，运距大概15 km，经济上可行。因此最终确定此项目处理方案为“振冲碎石桩为主，振冲粗砂桩为辅”。

结合试验数据，确定布桩形式为“等边三角形”，桩距均为3 m，桩径0.90 m，加密电流80 A，填料量为1.00 m3/m（±0.20 m3），其余参数均与表2 保持一致。共计工期60 d，振冲桩共计4 850 根，为了降低孔位间影响，按照1→2→3 序孔施工顺序，见图1。

图1 振冲桩布置示意图

3.2 施工分析

①测量和机具放位。测量人员严格按照布置图标记桩位，误差要求在2 cm以内；
打桩机就位后合拢桩尖，桩管向下垂直对准位置入土，角度误差控制在1.50%以内。②插拔管要点。考虑到此项目坝基土层松软，设计采用“反插法”施工方式，即先振动再拔管。当填充料高度超过1/3管长时开始拔管；
为了控制桩体均匀性，要严格控制拔管速度（≤0.50 m/min），每提升0.50～1.00 m，再将桩管下沉0.30 m（要求不宜大于活瓣桩尖长度的2/3）。拔管前先振动10 s，边振动边拔，每拔出0.50 m 停止振动，拔管过程中分段添加填充料，要求管内填充料始终高出地表面（或者高出地下水位1.00 m以上）。③桩体质检。此项目要求施工1 周后对桩体进行质量检查，方法要求两种以上，在此采用“载荷试验+动力触探试验”。检测点位置取等边三角形中心点，检测点数量240个（不得低于总桩数的2.00%），包括：桩体、桩间土、复合地基。此项目检测点合格率达到了98%（低于90%则需要采取补救措施），满足规定要求，因此加固工程合格。

曹家堡水库坝基经过振冲碎石（粗砂）桩处理后，坝基液化问题被圆满解决，但在施工过程中遇到一些问题需要注意：振冲法相对来说对浅部地层挤密效果不出众，可以适当加密或联合其他方法；
振冲桩在处理深度较大孔时，施工难度大，且无法扩大桩径；
振冲桩对拔管、留振施工要求很高，此项目就出现了3 次技术不达标事故。因此在使用该方法时应保证地质勘查的准确性，且施工时严格监测。