侯曉寧

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

振沖碎石（砂）擠密樁法處理液化地基分析

侯曉寧

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

飽和砂土抗液化分析是巖土工程中的一個(gè)重要研究課題。目前在眾多的防治液化措施中，碎石樁復(fù)合地基因其加固效果好、施工簡(jiǎn)便、成本低等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。碎石樁法處理可液化地基土一般采用振動(dòng)成樁工藝。地表會(huì)因振動(dòng)密實(shí)產(chǎn)生一定的沉降，沉降量的大小與樁間距的設(shè)計(jì)有關(guān)。而樁間距的大小，又直接影響到地基處理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

振沖碎石樁；液化判別；碎石樁液化地基處理樁間距；地表沉降量

文章分析了當(dāng)前振沖碎石（砂）樁抗液化應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)碎石（砂）樁的抗液化合理樁間距的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，展示應(yīng)用碎石（砂）樁復(fù)合地基抗液化處理具有廣闊的前景。

振動(dòng)水沖法是1937年由德國(guó)凱勒公司設(shè)計(jì)制造出的具有現(xiàn)代振沖器雛形的機(jī)具，用來(lái)擠密砂石地基獲得成功。20世紀(jì)60年代初，振沖法開(kāi)始用來(lái)加固黏性土地基，由于用料是碎石，故稱為碎石樁?，F(xiàn)在的振沖碎石（砂）樁擠密法是指碎石樁法和砂樁合稱為粗顆粒土樁，是指用振動(dòng)、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂擠壓入土孔中，形成大直徑的碎石或砂所構(gòu)成的密實(shí)樁體，并和原樁周土組成復(fù)合地基的地基處理方法。其大規(guī)模使用的年限雖然不長(zhǎng)，但因其加固液化地基效果好、施工簡(jiǎn)便、成本低等特點(diǎn)，故在處理砂性土等可液化地基方面得到了廣泛應(yīng)用，碎石（砂）樁處理可液化地基的有效性已為國(guó)內(nèi)外不少實(shí)際地震和試驗(yàn)研究成果所證實(shí)。

振沖法加固地基的特點(diǎn)是：機(jī)具設(shè)備簡(jiǎn)單，僅需一臺(tái)吊車，一個(gè)振沖器。節(jié)約三材、就地取材?？刹捎盟槭⒙咽?、砂或礦渣等作為填料。用料具有良好的透水性可加速地基固結(jié)，振沖過(guò)程中的預(yù)震效應(yīng)可增加地基抗液化能力。加固速度快，節(jié)約投資。

適用范圍：振沖擠密樁適用于處理砂土和粉土等地基，最適宜水利工程施工，以及建筑結(jié)構(gòu)工程中水位較高且對(duì)承載力要求較低的工程。

工藝原理：振動(dòng)器產(chǎn)生高頻振動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)水泵，通過(guò)噴嘴噴射高壓水流，在邊振邊沖的共同作用下，將振沖器沉到土中的預(yù)定深度，經(jīng)清孔后，從地面向孔內(nèi)逐段填入碎石、卵石等填料，使在振動(dòng)作用下被擠密實(shí)，達(dá)到要求的密實(shí)度后即可提升振動(dòng)器。

施工順序：定位→成孔→填料→振密→邊提邊上料邊振密→成樁。

材料要求：填料可采用含泥量不大于5%的碎石、卵石、礦渣或其他性能穩(wěn)定的硬質(zhì)材料，不宜使用風(fēng)化易碎的石料。對(duì)30 kW振沖器，填料粒徑宜為20～80 mm;對(duì)55 kW振沖器，填料粒徑宜為30～100 mm;對(duì)75 kW振沖器,填料粒徑宜為40～150 mm。

砂土液化的現(xiàn)象在日常生活中較為常見(jiàn)，如地震砂土液化、泥石流、流砂等都屬于砂土液化不同的自然形態(tài)，飽和無(wú)黏性土或稍具黏性土由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從而失去強(qiáng)度和穩(wěn)定性，稱為液化，液化對(duì)工程危害極大，它大多發(fā)生在疏松的飽和粉砂、細(xì)砂中。試驗(yàn)研究表明：液化取決于諸多因素，如土的類型、土的密度、土的結(jié)構(gòu)、土的應(yīng)力歷史和約束壓力以及地形、地貌、地震加速度等。判別可液化的土,目前應(yīng)用較多的有臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、靜力觸探貫入阻力、剪切波速法和抗液化剪應(yīng)力法。

碎石（砂）樁法用于處理可液化地基，國(guó)內(nèi)外也有較多的工程實(shí)例。但應(yīng)注意由于軟黏土含水量高、透水性差，碎石（砂）樁很難發(fā)揮擠密效用，其主要作用是部分置換并與軟黏土構(gòu)成復(fù)合地基，同時(shí)加速軟土的排水固結(jié),從而增大地基土的強(qiáng)度，提高軟土地基的承載力。在軟黏土中應(yīng)用碎石（砂）樁法有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有失敗的教訓(xùn)。因而不少人對(duì)碎石（砂）樁處理可液化地基持有疑義，認(rèn)為黏土透水性差，特別是靈敏度高的土在成樁過(guò)程中，土中產(chǎn)生的孔隙水壓力不能迅速消散，同時(shí)天然結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)將導(dǎo)致其剪切強(qiáng)度降低，如置換率不夠高是很難獲得可靠的處理效果的。此外，認(rèn)為如不經(jīng)過(guò)預(yù)壓，處理后地基仍將發(fā)生較大的沉降，對(duì)沉降要求嚴(yán)格的建筑結(jié)構(gòu)難以滿足允許的沉降要求。所以，用碎石（砂）樁處理飽和軟黏土地基，應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)的具體條件區(qū)別對(duì)待，最好是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后再確定是否采用。

碎石樁除了加密作用，也應(yīng)考慮其排水效應(yīng)和減震作用,并在抗液化設(shè)計(jì)中綜合考慮三種效應(yīng)，從而適當(dāng)降低工程造價(jià)，僅憑借經(jīng)驗(yàn)考慮擠土加密作用偏保守，造成不必要的浪費(fèi)。

碎石（砂）樁的平面布置可采用等邊三角形、正方形或長(zhǎng)方形。對(duì)于砂土地基，因靠碎石（砂）樁的擠密提高樁周土的密度，所以采用等邊三角形更有利，它使地基擠密較為均勻。對(duì)于軟黏土地基，主要靠置換，因而選用任何一種均可。振沖碎石樁樁徑宜為800～1 200 mm；碎石（砂）樁處理松砂地基的效果受地層、土質(zhì)、施工機(jī)械、施工方法、填砂石的性質(zhì)和數(shù)量、碎石（砂）樁排列和間距等多種因素的綜合影響，較為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外雖然已經(jīng)有不少實(shí)踐，并曾進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究，積累了一些資料和經(jīng)驗(yàn)，但是有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如樁距、灌砂石量以及施工質(zhì)量的控制等仍須通過(guò)施工前的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)才能確定。

以擠密為主的碎石（砂）樁施工時(shí)，應(yīng)間隔（跳打）進(jìn)行，并宜由外側(cè)向中間推進(jìn)；對(duì)黏性土地基，碎石（砂）樁主要起置換作用，為了保證設(shè)計(jì)的置換率，宜從中間向外圍或隔排施工；在既有建（構(gòu)）筑物臨近施工時(shí)，為了減少對(duì)臨近建（構(gòu)）筑物的振動(dòng)影響，應(yīng)背離建（構(gòu)）筑物方向進(jìn)行。

實(shí)際工程中，施工時(shí)對(duì)地基有振密和擠密雙重作用，而且地面下沉，施工后地面平均下沉量可達(dá)100～300 mm。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012），樁間距與要求的復(fù)合地基承載力及樁和原地基土的承載力有關(guān)。如按要求的承載力算出的置換率過(guò)高、樁距過(guò)小不易施工時(shí)，則應(yīng)考慮增大樁徑和樁距。在滿足上述要求條件下，一般樁距應(yīng)適當(dāng)大些，可避免施工過(guò)大地?cái)_動(dòng)原地基土，影響處理效果。

采用碎石樁處理方案，樁間距是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，若樁間距過(guò)大，則難以保證消除地基液化；樁間距過(guò)小，又會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，且施工困難。目前對(duì)于碎石樁間距的確定仍以經(jīng)驗(yàn)為主，一種是直接先假定樁間距，通過(guò)驗(yàn)算復(fù)合地基承載力和沉降變形，再對(duì)樁間距進(jìn)行校正；一種考慮功率不同的振沖器；另一種是采用同時(shí)考慮砂性土振動(dòng)擠密時(shí)的擠密作用和振密作用而得到的基于孔隙比的計(jì)算公式。

1 復(fù)合地基承載力要求確定樁間距的方法

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012中復(fù)合地基承載力計(jì)算公式：

式中：fspk——振沖樁復(fù)合地基承載力特征值；fsk——處理后樁間土承載力特征值,宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，如無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對(duì)于一般黏性土地基可取天然地基基礎(chǔ)承載力特征值，松散的砂土、粉土可取原天然地基承載力特征值的（1.2～1.5）倍；m——樁土面積置換率，即碎石樁面積與影響面積之比。

對(duì)于正三角形布樁：de=1.05s

對(duì)于正方形布樁：de=1.13s

式中：A和Ap分別為影響面積和樁截面積；d和de分別為樁的平均直徑和等效影響圓的直徑；a和b分別為樁的半徑和等效影響圓半徑；s、s1、s2分別為樁間距、縱向間距和橫向間距。

由復(fù)合地基要求達(dá)到的承載力標(biāo)準(zhǔn)值就可以推求出樁土置換率，進(jìn)而可以確定樁間距，然后按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）中的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法進(jìn)行樁間土的抗液化校核，若樁間土的標(biāo)貫錘擊數(shù)大于由規(guī)范算出的臨界值，則設(shè)計(jì)滿足要求，否則應(yīng)修改設(shè)計(jì)方案。樁間土所需滿足的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr為：

式中：Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度；dw為地下水位；ρc為黏粒含量百分率,當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r,應(yīng)采用3;β為調(diào)整系數(shù),設(shè)計(jì)地震第一組去0.8,第二組取0.95,第三組取1.05。

2 振沖碎石樁間距規(guī)定

振沖碎石樁間距應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載大小和場(chǎng)地土層情況，并結(jié)合所采用的振沖器功率大小綜合考慮。30 kW振沖器布樁間距可采用1.3～2.0 m; 55 kW振沖器布樁間距可采用1.4～2.5 m；75 kW振沖器布樁間距可采用1.5～3.0 m;不加填料振沖擠密孔距可為2.0～3.0 m。

3 以抗液化要求確定樁間距的方法

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012中規(guī)定等邊三角形布置

式中：ε為修正系數(shù)，當(dāng)考慮振動(dòng)下沉密實(shí)作用時(shí)，可取1.1～1.2；不考慮時(shí)，可取1.0；d為樁徑；eo、e1分別為地基處理前和要求達(dá)到的孔隙比。

規(guī)范給出的公式僅考慮了碎石樁的加密作用，這種設(shè)計(jì)方法雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但形成的設(shè)計(jì)方案過(guò)于保守，造成很大浪費(fèi)，如果在進(jìn)行碎石樁的抗液化設(shè)計(jì)時(shí)能綜合考慮到樁體的排水減壓和減震的有利作用，形成的設(shè)計(jì)方案才更趨向合理化，不僅可以抵抗地震液化，還可以降低工程造價(jià)，使施工順利進(jìn)行。

[1]JGJ79—2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

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

[3]GB 50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)[S].