陳 霞

(山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計有限公司，山西 陽泉 045000)

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建筑場地地震液化及液化地基的處理

陳 霞

(山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計有限公司，山西 陽泉 045000)

簡述了建筑場地地震液化產(chǎn)生的條件及判定方法，介紹了目前常用的抗震液化措施，并結(jié)合太原市清徐縣某住宅小區(qū)的工程地質(zhì)條件，提出了振沖碎石樁處理液化地基的方案，經(jīng)實踐證明該方案達(dá)到了消除液化并提高地基承載力的目標(biāo)。

地震液化，地基處理，振沖碎石樁，承載力

1 概述

淺層分布的松散飽和砂土和粉土受到地震震源處傳來的地震波作用，使得飽和砂土和粉土中孔隙水壓力驟然上升，而在地震過程的短暫時間內(nèi)，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，這就使得原來的砂粒或土顆粒通過其接觸點所傳遞的壓力減小。當(dāng)有效壓力完全消失時，砂土層或粉土層會完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，變成像液體一樣的狀態(tài)，這就是通常所稱的砂土或粉土液化現(xiàn)象。

地震液化最常見的表現(xiàn)是地表出現(xiàn)“噴水冒砂”現(xiàn)象，從而形成場區(qū)地表的不均勻沉降，造成建筑物沉降或不均勻沉陷、傾斜、傾倒、倒塌，以及埋置的罐體、管道、空腔埋置結(jié)構(gòu)的上浮破壞等震害。或者由于液化土層上方坡度較大等地形原因，以及液化土層厚度差異較大分布等，而引起災(zāi)難性的場地破壞——流滑發(fā)生。

2 地震液化產(chǎn)生的條件及判定

2.1 地震液化產(chǎn)生的條件

地震液化的內(nèi)因條件指：砂土或少粘性土(粉土、輕壤土)，土的粒徑與級配不均勻，土的密實程度低，土的上覆壓力和側(cè)壓力較小，是產(chǎn)生地震液化的內(nèi)因條件。反之粘性土、密實的砂土，埋深(或地應(yīng)力)較大則不易或不產(chǎn)生地震液化。

地震液化的外因條件指：飽和的砂土或粉土、地震的地震波作用。干燥狀態(tài)受地震的地震波作用會變得更加緊密～趨密，如果地震烈度小于6度，也認(rèn)為不發(fā)生地震液化。

所以容易產(chǎn)生地震液化的場區(qū)多為河漫灘、河流階地、溝谷、沖積平原、海濱等含水的砂土層，且形成地質(zhì)年代較新、密實度較低的砂土地層。

2.2 地震液化場地判定

巖土工程勘察要求進(jìn)行地震液化的判別，當(dāng)存在飽和砂土和粉土(不含黃土)的地基，除6度設(shè)防外，應(yīng)進(jìn)行液化判別。并在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中注明可初步判別不液化或可不考慮液化影響的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)初步判別認(rèn)為需要進(jìn)一步進(jìn)行液化判別時，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別法判別地面以下15 m深度范圍內(nèi)的液化；采用樁基或埋深大于5.0 m的深基礎(chǔ)時，尚應(yīng)判別15 m～20 m范圍內(nèi)的液化。當(dāng)飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長修正)小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時，應(yīng)判別為液化土。

對存在液化土層的地基，應(yīng)探明各液化土層深度和厚度，并計算每個鉆孔的液化指數(shù)，按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求綜合劃分地基的液化等級。液化等級依據(jù)地面噴水冒砂情況及對建筑的危害程度分為輕微、中等、嚴(yán)重三個等級。

3 抗震液化措施

場地土飽水和地震的發(fā)生往往是人力無法改變的。但液化土有兩個顯著特征：一個是“少粘性”的粉土或“無粘性”的砂土，另一個是密實度差，多處于“松散”狀態(tài)。因此，治理液化措施也就有了明確的方向。

采用樁基或深基礎(chǔ)伸入或置于下伏穩(wěn)定土層中。

采用加密法進(jìn)行加固，常用的有振沖、振動加密、擠密碎石樁、強(qiáng)夯等。

采用非液化土替換全部液化土層。

采用化學(xué)的固結(jié)方法，使土層膠結(jié)或者變得密實。

采用圍堵或覆壓的措施，使土層達(dá)到不產(chǎn)生液化的效果。

采用減輕液化影響的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)措施。

振沖擠密碎石樁是處理液化地基的常用措施。

1)通過振沖碎石樁的施工對松散砂土和粉土地基起到了如下作用：a.擠密作用。用過振動成孔，沉入樁管對周圍的土層產(chǎn)生了很大的橫向擠壓力，與樁管等體積的土擠向樁管周圍，使得樁管周圍土層孔隙比減小，密實度增加，干密度和內(nèi)摩擦角增大，提高地基承載力，同時，抗液化性能得到改善。b.振密作用。沉管擠密碎石樁施工時，沉管特別是振動能量以波的形式在地基土中傳播，引起樁的四周土體振動，在擠壓和振動作用下，土的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，孔隙水壓力逐漸增大。使土層由較松散的狀態(tài)變?yōu)槊軐崰顟B(tài)。而孔隙水壓力進(jìn)一步增大，達(dá)到大于主應(yīng)力值時，土體開始液化成流體狀，遇排水通道(碎石樁)水就沿著碎石樁排水，隨著孔隙水壓力消散，土粒重新排列、固結(jié)，形成新的結(jié)構(gòu)。由于孔隙水排出，土體孔隙比降低、密實度提高。c.抗液化作用。在碎石樁成孔和擠密碎石樁體的過程中，一方面，樁周土在水平和垂直振動力作用下產(chǎn)生徑向和豎向位移，使樁周土體密實度增加，另一方面，土體在反復(fù)振動作用下，產(chǎn)生液化，液化后土體顆粒在上覆土壓力、重力、填料擠壓力作用下，重新排列組合，形成更加密實的狀態(tài)，從而提高了樁間土的抗剪強(qiáng)度和抗液化能力。d.抗震作用。表現(xiàn)為碎石樁體減振作用和樁間土預(yù)振作用。由于碎石樁體強(qiáng)度遠(yuǎn)大于樁間土強(qiáng)度，在荷載作用下，應(yīng)力集中于樁體，減小了樁間土的剪應(yīng)力。由于碎石樁施工過程中往復(fù)振動作用下，地基土局部產(chǎn)生液化，達(dá)到地基土的預(yù)振作用。e.排水通道作用。碎石是透水材料，碎石樁成為良好的排水通道，可使超孔隙水壓力加速消散，使孔隙水壓力的增長和消散同時發(fā)生，降低孔隙水壓力上升幅度，從而提高地基土的抗液化能力。

2)液化地基處理。液化地基往往也是軟土地基，天然地基具有承載力低的特點。因此，地基處理在達(dá)到消除液化或降低液化等級的同時，還需要同時達(dá)到提高地基承載能力、減小變形的目的。因此，根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、建筑物對地基承載力和變形的不同要求，采取相應(yīng)的處理措施。如碎石樁、碎石樁+攪拌樁、碎石樁+CFG樁、碎石樁+管樁等不同的處理措施。

4 工程實例

4.1 工程概況

太原市清徐縣某住宅小區(qū)，工程場地位于清徐縣孔村北面，西鄰914縣道，清徐縣位于晉中盆地西北部，為汾河一級河流階地地貌單元。規(guī)劃總建筑面積39.626萬m2，擬建場地內(nèi)的建筑物有8棟高層住宅樓，72棟6層住宅樓，1棟5層辦公樓，1棟3層幼兒園及臨街商鋪(1層～3層)。清徐設(shè)防烈度為8度。

1)工程地質(zhì)概況。根據(jù)勘察報告可知：擬建場地土為中軟土，建筑場地類別為Ⅲ類，設(shè)計特征周期為0.45 s；場地主要地層如表1所示。

表1 場地主要地層參數(shù)表

擬建建筑場地液化土層最大深度14.0 m，第②層飽和粉土承載力較低，僅為80 kPa；②-1層粉質(zhì)粘土層，雖不具液化，由于該層土承載力特征值僅為90 kPa，故須考慮其地基震陷的影響；③層粉砂層承載能力為150 kPa；④層粉土及以下為第四系晚更新統(tǒng)(Q3)土層，無液化且承載力較高。

勘察深度范圍內(nèi)均揭露地下水，地下水類型為潛水，勘察時間為2014年7月～11月，豐水期地下水位埋深為1.2 m～2.9 m，水位標(biāo)高介于760.96 m～758.75 m；平水期地下水位埋深為1.5 m～3.5 m，水位標(biāo)高介于760.85 m～759.81 m。豐水期、平水期水位的最大變化幅度為1.06 m。

根據(jù)勘察報告顯示,該場區(qū)分為輕微液化、中等液化、嚴(yán)重液化三個不同的區(qū)域，液化區(qū)域分布如圖1所示。

2)地基處理要求見表2。

4.2 方案設(shè)計

根據(jù)場區(qū)條件，采用擠密碎石樁降低或消除液化，高層住宅采用碎石樁+CFG樁進(jìn)行地基處理，同時提高建筑基底持力層的地基承載力。設(shè)計樁徑0.4 m～0.5 m，正三角形布置，樁距1.05 m～1.1 m，樁長12.0 m，碎石樁采用振沖沉管擠密工藝，CFG樁采用長螺旋成孔工藝，并在場區(qū)選擇四個區(qū)域進(jìn)行試驗。

擬建場區(qū)按液化土層厚度確定四個試樁區(qū)，全部消除地基的液化，則Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區(qū)(中等液化及嚴(yán)重液化區(qū)域)處理厚度自現(xiàn)地面起算不小于12 m，Ⅳ區(qū)(輕微液化區(qū)域)處理厚度自現(xiàn)地面起算不小于10 m。

表2 地基處理要求表 kPa

試樁正三角形布樁，每個區(qū)域分為2組均以1.0 m和1.15 m兩種樁間距布設(shè)，樁徑為0.4 m和0.5 m，共分8組進(jìn)行試樁，每組試打68根樁。振動沉管工藝，樁管直徑377 mm，樁體材料可用含泥量不大于5%的碎石、礫砂或石屑等硬質(zhì)材料，最大粒徑不宜大于50 mm，砂∶石=3∶7(體積比)。樁頂和基礎(chǔ)之間宜鋪設(shè)厚度為300 mm的砂石墊層，其夯填度不應(yīng)大于0.9。由于上覆砂石重量不足，成樁后樁頂1.5 m左右的范圍內(nèi)樁身較松散，因此,應(yīng)注意對褥墊層底部樁頂進(jìn)行大噸位碾壓。

施工時應(yīng)控制填砂石量、提升高度和速度、擠壓次數(shù)和時間、電機(jī)的工作電流等。施工中應(yīng)選用能順利出料和有效擠壓樁孔內(nèi)砂石料的樁尖結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用活瓣樁靴時，宜選用尖錐形；一次性樁尖可采用混凝土錐形樁尖。砂石樁樁孔內(nèi)材料填料量，通過現(xiàn)場試驗確定，樁徑0.4 m充盈系數(shù)不小于1.05，樁徑0.5 m充盈系數(shù)不小于1.65。

4.3 效果分析

成樁14 d后檢測結(jié)果，采用振動沉管擠密碎石樁，當(dāng)樁徑0.4 m、樁距1.0 m時，處理后地基承載力特征值為107 kPa；當(dāng)采用振動沉管擠密碎石樁樁徑0.5 m、樁距1.15 m處理后地基承載力特征值為120 kPa。采用以上方式進(jìn)行地基處理后地基土液化等級可消除至輕微～中等。

因工程延緩，于成樁140 d后，第二次進(jìn)行了碎石樁復(fù)合地基檢測，并只檢測了試樁擠密碎石樁樁間距1.00 m，樁徑為0.4 m的試樁區(qū)，檢測成果復(fù)合地基的承載力特征值達(dá)到162 kPa，地基土液化基本消除。液化判定結(jié)果匯總表見表3。

表3 液化判定結(jié)果匯總表

因此，采用碎石樁復(fù)合地基達(dá)到消除液化并提高地基承載力目的，本次設(shè)計要求先將場地回填砂卵石，而后再施工碎石樁。本設(shè)計方案碎石樁滿足承載力及沉降變形要求。

4.4 成片施工

一期開工C區(qū)12棟樓，設(shè)計均采用樁間距為1.10 m，樁徑為0.4 m，正三角形布置，根據(jù)計算在嚴(yán)重液化區(qū)域有效樁長為12.0 m，在中等液化區(qū)域有效樁長為11.0 m。建筑物地段地基處理范圍為每邊基礎(chǔ)外擴(kuò)6.5 m。相鄰2棟建筑物之間外擴(kuò)邊界會重合搭接。樁頂鋪設(shè)300 mm厚砂石褥墊層，復(fù)合地基承載力特征值不小于150 kPa。

樁體材料采用含泥量不大于5%的碎石，碎石粒徑為20 mm～40 mm，且最大粒徑不宜大于50 mm；樁體充盈系數(shù)不小于1.4。一期12棟住宅樓，建筑面積一共44 958.5 m2，工程共布置沉管碎石樁13 614根,共計173 080.5 m。

由于現(xiàn)場為低洼地形，整個場平標(biāo)高要比現(xiàn)場區(qū)高1.0 m～2.5 m不等，且現(xiàn)有場地表層為原荒廢耕地，為耕植土，回填土前需要進(jìn)行全面清表，清表土厚度0.50 m～1.0 m，回填土厚度根據(jù)現(xiàn)場情況確定。場地大面積填土應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)施工前完成。

振沖碎石樁施工中場地普遍下沉量在0.35 m～0.5 m不等，平均沉降量為0.35 m。

按規(guī)定時間進(jìn)行竣工質(zhì)量檢驗，均滿足設(shè)計規(guī)范要求。

5 結(jié)語

通過本工程,再次驗證沉管碎石樁在處理飽和液化建筑地基的應(yīng)用是一種比較理想的措施,它具有施工操作簡便,造價低,無泥漿污染,無噪聲污染等特點。在降低液化等級或消除液化的同時，提高地基承載力，達(dá)到地基處理的目的。

振沖碎石樁在大面積施工前應(yīng)通過試樁驗證設(shè)計參數(shù)的合理性及工藝適宜性，并根據(jù)試樁結(jié)果進(jìn)行方案調(diào)整。還需要注意振沖碎石樁在施工中及施工后的沉降量，以保證設(shè)計樁頂標(biāo)高及建筑物竣工后首層地面標(biāo)高的正確設(shè)定。

[1] 龔曉南.地基處理手冊[M].第3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

On earthquake-induced liquefaction on architectural sites and liquefaction foundation treatment

Chen Xia

(ShanxiGuochenConstructionandEngineeringSurveyandDesignCo.,Ltd,Yangquan045000,China)

The paper indicates the conditions for the earthquake-induced liquefaction on architectural sites and its judgment methods, introduces the common seismic liquefaction measures, puts forward the scheme of using the vibro-replacement stone column to deal with the liquefaction foundation by combining with the engineering geological conditions for some residential complex in Qingxu county of Taiyuan, and proves the scheme can eliminate the liquefaction and improve the foundation loading capacity.

earthquake-induced liquefaction, foundation treatment, vibro-replacement pile, loading capacity

1009-6825(2016)32-0075-03

2016-09-06

陳 霞(1980- )，女，工程師

TU472

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