一、引言
南水北调中线一期工程总干渠沙河南～黄河南(委托建管项目)潮河段需采用挤密砂石桩进行饱和砂土液化基础处理的渠段累计总长度14.236km，占渠道总长的32% ，其中：潮河-2标2.316km ,潮河-3 标3.18km ,潮河-4 标3.775km ,潮河-5 标2.61km ,潮河-6 标1.485km ,潮河-7 标0.87km。
根据设计要求，挤密砂石桩桩径60cm，三角形布置，桩间距2m，施工前应进行成桩工艺试验。质量检验的标准为挤密砂石桩长度超出液化土层深度≮0.5m，要求处理深度范围内土层的标准贯入击数实测值不低于地震液化的临界标贯击数，或相对密度不低于0.75，以消除地震液化现象。
二、饱和砂土地震液化的危害及其原因
(一)危害
饱和砂土地震液化将使地基软化，地面产生不均匀沉陷，影响南水北调渠道渠坡的稳定性和安全性，严重将导致渠道渠坡失稳后滑坡、损坏、破坏。
(二)原因
饱和砂土和土地振动是发生地震液化的必备条件。饱和砂土是砂和水的复合体系，在振动作用下，饱和砂土是否发生液化，取决于砂和水的特性，是二者相互作用的结果。砂土是散体物质，它主要依靠颗粒间的摩擦力承受外力和维持本身的稳定;水是液体，它的突出力学特性是体积难于压缩，能承受极大的正面压力，但不能承受剪力。在地震过程中，疏松的饱和砂土在振动引起的剪应力反复作用下，砂粒间相互位置必然产生调整，而使砂土趋于密实，以期最终达到非常稳定的紧密排列状态。砂土要变密实就势必排水，在急剧变化的周期性荷载作用下，每次孔隙度减小都要排挤出一些水，进而透水性变差。当砂土透水性不良、排水不通畅时，则前一周期的排水尚未完成，下一周期的排水又产生了，水将会越聚越多，而水又是不可压缩的，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。随着振动持续时间的增长，剩余孔隙水压力因不断地叠加而累积增大，必将导致砂土的抗剪强度不断降低，直至完全丧失，最终液化。
(三)影响砂土液化的因素
1.土的类型及性质
对液化砂土与未液化砂土的颗分表明，粉粒含量大有助于液化，粘粒含量大则不易液化。主要原因是液化砂土的颗粒细小而均匀，透水性较差，又不具粘聚力或粘聚力很微弱，在振动作用下极易形成较高的超孔隙水压力，地震频率变大时可能排挤出更多的孔隙水，因而易液化。相比之下，粘粒含量较高的土，属水胶连结，较强的粘聚力抑制了液化。而粗粒土，尤其当其级配不均匀，结构较密实时，透水性又较强，也是难以液化的。
此外，砂土的密实程度也是影响液化的主要因素之一。松砂极易液化，而密砂则不易液化。
2.饱和砂土的埋藏分布条件
饱和砂层埋藏条件主要包括饱水砂层的厚度、砂层上非液化粘性土层厚度以及地下水埋深这3 方面，它们决定了超孔隙水压力和有效覆盖压力的大小。
饱水砂层愈厚，地震变密时所产生的超孔隙水压力愈大，尤其当砂层较疏松时有可能排挤出更多的孔隙水，则愈易液化。
当液化砂层埋藏较深，上覆以较厚的非液化粘性土层时，由于受到较大的覆盖层自重压力和侧压力，孔隙水压力很难上升到足以克服覆盖层压力的程度，因而抑制了液化，而直接出露于地表的饱水砂层最易于液化。此外，当饱和砂层有不厚的夹层和粘性土层相结合时，也很少发生液化。
地下水水位的埋深直接影响上覆土层对饱水砂土压力，埋深愈深压力越大越不易液化，愈浅压力越小越易液化。
3.地震的强度及历时
地震的强度和历时是砂土液化的动力。显然，地震愈强、历时愈长，则愈易引起砂土液化，而且波及范围愈广，破坏愈严重。
地震历时的长短，直接影响超孔隙水压力累积上升。一般的情况是:随振动延续时间加长，将引起超孔隙水压力不断累积上升，发生液化的可能性就愈大。所以，即使地震剪应力大小相同，但振动持续时间不同，对砂土液化也会有不同的影响。随着振动次数的增加，引起液化所需的应力比逐渐下降。
三、挤密砂石桩施工工艺试验
挤密砂石桩是通过沉管的过程挤密砂土，提高砂土的密实度;再通过灌入砂石作为一个排水通道，将地震振动时因孔隙度减小所排出的水通过砂石引入到非液化层内，以达到排水的目的。这种方法既提高了砂土的密实度，又能将水排出，达到消除饱和砂土的地震液化问题。
潮河段第四施工标段按照合同约定及设计要求进行了首次振动沉管法成桩工艺试验,试验未能成功，原因是地面以下4.0~6.0m 地层无法穿透。随后潮河段第二、三、五、六、七标段分别采用振动沉管设备包括D Z75、D Z90 两种挤密砂石桩机，开展了挤密桩成桩工艺试验，除潮河-5 标SH (3)163+479～163+500渠道试验一区和潮河-6 标SH (3)164+500～SH (3)164+520 渠道试验一区外，其他试验区采用振动沉管桩机直接成桩，无法穿透坚硬地层，达不到设计处理深度。根据振动沉管桩机成孔试验情况，多数钻机钻到地面以下4.1m左右(设计桩长8～13m)处钻头不能继续下行，对照该区域地质剖面图，其标贯击数达12～19 击。
初步分析，如潮河四标挤密砂石桩施工试验区，距原始地面线2.2～ 4.2m 以下为砂壤土或细砂层，局部标贯击数达17～23击，较密实，该层厚4～6m ，为第四系全新统下段冲积层alQ 14，采用振动沉管法造孔施工，无法穿透该层，其他标段成孔困难的试验区地层条件相似。
相关标段重新调进大功率振动沉管设备(D Z110、D Z120型)继续试验，发现钻到地面以下2.2～8.0m(设计桩长11～13.8m)处仍不能继续钻进，对照地质剖面图，该处标贯击数达13～23击。
鉴于此种情况，施工单位进行了多种挤密砂石桩施工工艺试验，如：采用型号C40 履带式柴油冲击锤打引孔，引孔直径400m m ，引孔深度视该部位液化砂层深度而定，然后采用成桩直径600m m 振动沉管机进行成桩和挤密施工工艺试验(以下简称“锤击引孔振动沉管法”);采用型号CFG -23 长螺旋钻机钻引孔，引孔直径400m m ，钻孔深度以穿透坚硬土层达到处理的液化砂土层为止，然后采用成桩直径600m m 振动沉管机进行成桩和挤密施工工艺试验(以下简称“螺旋钻引孔振动沉管法”);采用成桩直径600m m、型号1001 履带式柴油冲击锤沉管机直接锤击成桩和挤密施工工艺试验(以下简称“锤击沉管法”);采用在D Z90 型振动沉管桩机上加装柴油锤，改装成复合锤，先用振动沉管法造孔至坚硬土层，再启动桩机上部柴油锤冲击，穿透坚硬土层后继续用振动沉管法进行施工工艺试验(以下简称“复合锤振动沉管法”)。其中螺旋钻引孔或锤击引孔振动沉管法穿透相对密实夹层，方法可行，试验成果能够满足指导下一步施工的需要。对挤密砂石桩施工，专家咨询意见如下：
第一，局部具备条件的渠段，仍按原设计要求，采用振动沉管法(含加大功率振动沉管法)进行挤密砂石桩施工;
第二，不具备采用振动沉管法(含加大功率振动沉管法)施工的渠段，采用螺旋钻引孔振动沉管法或锤击引孔振动沉管法施工，施工工艺参数为：桩径600m m ，三角形布置，桩间距2 m或1.8m，桩长按设计要求。
四、施工方法
以潮河段第七施工标段挤密砂石桩施工为例。
(一)螺旋钻引孔振动沉管法
施工设备：走管式振动桩机D Z-75、螺旋钻孔机ZK L-25，装载机2 台(斗容0.3m 3)。
1.场地清理：施工前清除地表耕植土30cm，平整场地，清除障碍物。
2.桩点布置图绘制：技术人员根据设计图纸编制好合理的编号，确认无误后作为挤密砂石桩现场点位布置的依据。
3.测量人员测量放线，定出控制轴线、施工区域边界线并标识。
4.桩点布设：放线完成后，现场人员根据桩点布置图、现场已放出的控制轴线和施工区域边界线用钢卷尺定出各个桩点，现场技术人员对各桩点偏差进行校核无误后，用竹签对桩点进行标记。
5.螺旋钻机就位：根据布点进行螺旋钻机桩点对位，现场技术人员用盒尺量得其偏差在5cm以内，并用靠尺检验垂直度≯1% 时进行引孔作业。引孔作业直至达到该桩设计桩深止(参照标记刻度)，并记录施工开始时间。
6.移动螺旋钻机：引孔完毕后提钻杆至地面，螺旋钻机移至下一个桩点。
7.孔口清理：用装载机配合人工对孔口土进行清理，直至桩口无杂土，且地面较平整能进行下一道工序为止。
8.桩机就位：移动振动成桩机使桩管对准孔口。
9.沉管：启动桩机下管至设计标高，桩头为活门开关，沉管时闭合，严密形成密闭桩管，拔管时活门开启，可以下料。
10.加料：从桩管上部往桩管内加2 m高的碎石料。
11.提管和反插：启动振动锤，边振动边提升桩管，活瓣在碎石重力作用下自动打开，碎石充满桩孔。每提升2 m反插1 次，每反插一次留振不少于20s(留振至桩体密实桩管不能沉入为止)。记录反插次数，并用秒表记录反插时间。
12.二次加料：检查管内石料，并用吊绳控制料斗进行空中二次加料到规定的石料用量，每提升2m振动反插一次，直到地面。记录装载机总共加料次数，并根据装载机每次的加料量计算每桩的实际填料量。算出充盈系数并记录。
13.移位提升桩管到地面，移动桩管到下一个桩位，并记录施工结束时间。
(二)锤击引孔振动沉管法
施工设备：走管式振动桩机D Z-75、柴油爆发锤D D -25，装载机2 台(斗容0.3m 3)。
施工工序和振动沉管法大部分一样，仅柴油爆发锤在振动沉管桩机无法贯穿坚硬土层时使用，其他均用振动沉管桩机。
五、施工质量检验
施工后应间隔一定时间方可进行质量检验。对饱和粘性土地基应待孔隙水压力消散后进行，间隔时间不宜少于28d;对粉土、少粘性土和杂填土地基，不宜少于7d。
(一)检验方法
对桩间土可采用现场标准贯入试验方法。桩间土质量的检测位置应在等边三角形的中心。
(二)检验标准
施工后应满足挤密砂石桩长度超出液化土层深度≮0.5m，并且处理深度范围内土层处理后的标准贯入击数实测值不低于地震液化的临界标贯击数，或相对密度不低于0.75，达到不液化的要求。
(三)检验数量
检验点数量不应少于桩孔总数的2% ，检验深度应不小于设计处理的深度。
六、结语
采用螺旋钻引孔振动沉管法和锤击引孔振动沉管法施工，施工参数如下：桩径600m m ，三角形布置，引孔直径≯400m m ，桩间距1.8m，桩长按设计要求。检测结果表明，在南水北调中线潮河段应用上述施工工艺，均能完全消除渠道地基的地震液化问题，满足设计要求。
作者简介：艾东凤(1974-)，女，河南台前人，工程师，从事水利工程施工工作。
