振动挤密碎石桩抗砂土液化性在公路工程中的应用

摘要 本文结合振动挤密碎石桩公路工程中的应用实例，介绍了振动挤密碎石桩抵抗砂土液化的原理、性能和设计方法

关键词：砂土液化  振动   挤密   碎石桩   地基

1概述

饱和松散的砂土地基，其本身有很大的的震密性，当遇到强大的地震力作用时，土的孔隙要减小。但因短时间内充满土孔隙中的水难以实时排出，土孔隙无法减小，土骨架呈松驰状态，土粒间的有效应力逐渐转变为超孔隙水压力，随着振动的持续作用，土中超孔隙水压力不断地聚集、提高，当其值达到相应的固结压力，土粒呈悬浮状态，土粒间有效应力几乎减小为零，地基土骤然丧失抗剪强度和承载能力，土体变为粘滞液体，并出现喷沙冒水等现象，即产生液化。当产生液化时，地基的承载力将会大大降低，对其上的工程造成巨大的破坏作用。

公路工程通过处于地震列度区7度以上区的饱和松散砂性土地基时，应当对地基土进行液化分析，当地基土为液化性土时，应对地基进行处理，以减小或消除地基的液化，降低甚至消除其对公路工程的破坏。振动挤密碎石桩是由河北省建筑科学研究所等单位开发成功的一种地基加固技术，它首先用振动成孔器成孔，成孔过程中桩孔位的土体被挤到周围土体中去，成孔后提起振动成孔器，向孔内倒入约1米厚的碎石再用振动成孔器进行捣固密实，然后提起振动成孔器，继续倒碎石，直至碎石桩形成。振动挤密碎石桩与地基土形成复合地基，是一种有效的处理砂土液化的地基处理方法，近年在公路工程中得到了广泛的应用。

2加固机理

2.1挤密作用

振动挤密碎石桩在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力，使桩周围的土粒重新排列密实，孔隙比减小，密实度增大，这就是挤密作用。通过挤密作用，提高砂土的强度和砂土地基的承载力，消除液化的可能性，根据震害调查表明，当地震烈度分别为7、8、9度时，只要砂土的密实度分别达到或超过55％、70％或80％，即不会产生液化。

2.2排水降压作用

碎石桩加固砂土时，桩孔内填充碎石，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水通道，使桩间土产生的振动超孔隙水压力的水迅速地由碎石桩体排出，土中孔隙水压力亦随之减小，难以聚集提高，从而消除或减小液化的可能性。

2.3预震效应

美国西特等人(1975)的试验表明，相对密度为54％但受过预震影响的砂样，其抗液化能力相当于相对密度80％的未受过预震的砂样。可见，在施工过程中使填土料和地基土在震密的同时获得强烈的预震，对于增强砂土抗液化能力是极为有利的。

3地基的液化判定

当在地面以下20m范围内有饱和砂土或饱和亚砂土层时，可根据下列情况初步判定其是否有可能液化：

3.1地质年代为第四纪晚更新世（Q₃）及其以前时，可判为不液化。

3.2基本列度为7度、8度、9度区，亚砂土的粘粒（粒径<0.005mm的颗粒）含量百分率Pc（按重量计）分别不小于10、13、16时，可判定为不液化。

3.3基础埋置深度不超过2m的天然地基，可根据下图中规定的上覆非液化土层厚度d_u或地下水位深度d_w，判定土层是否考虑液化影响。

3.4经初步判定有可能液化的土层，可通过标准贯入试验来进一步判定土层是否液化。

4设计方法

4.1平面布置形式

碎石桩一般呈正三角形或梅花形布置，有时也有呈正方形布置。

4.2桩径

碎石桩的直径，应根据置换率、成桩方法、施工机械能力等因素来确定，其直径多采用50～100cm，最大直径可达200cm。

4.3桩长

<1>在可液化土层中，碎石桩长应按抗震要求处理的深度来确定。

<2>对按稳定性控制的，工程碎石桩长不应少于最危险滑动面以下2.0m。

<3>对按变形控制的工程，碎石桩长度应满足使复合地基的沉降量不超过对构筑物地基容许沉降量的要求。

<4>对软弱土层厚度小于15m或在该深度以内遇有较硬土层时，将桩端置于较硬土层中。

4.4处理范围

用碎石桩防止砂土液化时，每边处理宽度应不少于液化层厚度的1/2，并不小于3m，对道路路堤应设置到排水沟外缘。

4.5垫层设置

为了充分发挥碎石桩的加固效果，宜在碎石桩上设置30～50cm的碎石垫层。

4.6桩距计算

首先计算置换率：

m：碎石桩置换率

a：桩间土承载力的修正系数，对砂土取1.2～2.0

n：桩与土应力比，一般取2～4

：复核地基标准承载力

：天然地基标准承载力

桩距计算：

          当以正三角形布置时    

当以正方形布置时      

d：碎石桩桩距

A₀：单桩加固面积

5质量检验与评价

振动碎石桩的检验与评价分为两个方面：一是碎石桩的施工质量，如桩位偏差、桩径、桩体密实度等，二是复合地基的功效，如承载力、沉降量、抗地震液化能力等是否达到了规定的要求。我们常用单桩荷载实验和桩体动力触探试验，对功效的检验则有单桩复合地基荷载试验、多桩复合地基大型荷载试验、桩间土的荷载试验、标准贯入试验、静力触探等。

6工程实例

某高速公路某试验段，地震基本烈度为7度区，本段由第四系粘(粉)性土构成，结构松散、标贯击数低、抗剪力极差，均呈饱和状态，勘察期间水位埋深约1.0～3.0m,亚砂土层为富水层，是典型的可液化地基。依据详细勘察报告，本路段工程地质特征分以下6层：

1、   0～1.50m为黄色、软塑、亚粘土填土层；

2、   1.50～3.35m为黄至灰色、软塑亚粘土，标贯3～4击；

3、   3.35～10.6m为软塑深灰亚砂土，标贯2～3击，属液化土层；

4、   10.3～12.0m为灰色、软塑粘土，标贯3～4击；

5、   12.0～16.0m为细砂，灰褐色、松散、饱和，标贯6～7击，属可液化土层；

6、   16.0～20.5m为下卧硬塑灰色粘土。

通过液化试验分析，本路段可液化土层主要分布于距地表1.40m以下，液化态势为中等至严重。

本路段路基填土高度为6.0～6.5m,为满足对较高路堤或构造物地基的承载力和抗震稳定性要求，采用振动挤密碎石桩加固处理。成桩直径采用50cm，则单桩面积为0.196m²，天然地基平均容许承载力为95Kpa。碎石桩平均容许承载力采用350Kpa,设计复合地基容许承载力140Kpa，应力比取4，桩间土承载力修正系数取1.3，碎石桩按正三角形布置。

计算置换率：

按碎石桩间距 计算

取单桩面积为1.7m²,则碎石桩间距d约为1.4m,桩长依据地质资料采用10.6m，碎石垫层采用50cm。

抗液化效果检验：经振动挤密碎石桩加固处理后，经一定的恢复期，地基土标贯击数沿深度都有不同程度的提高，4m以上一般均大于8击，4～7m范围内标贯击数比处理前提高1倍以上，深部也有一定的提高，

7施工应注意问题

7.1施工前一般应进行试桩，用来确定设计桩径和桩距是否合适。

7.2根据设计图纸现场放线布桩，桩位偏差不得大于3cm。

7.3每次填料不可过多。

8结束语

振动挤密碎石桩能够对砂基起到挤密作用、排水降压作用、预震作用，是处理砂土液化的一种经济、有效的地基处理方法，我们在饱和松散地基上修建公路工程时，可以考虑使用此方法处理地基，以免遇地震时，地基土发生液化现象，对公路工程造成毁坏性地破坏、交通中断，对国家和人民财产造成巨大损失。