碎石樁施工“砂沸”現(xiàn)象探討

肖瑞根

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610052)

1 工程概況

唐山市濱海大道位于唐山市南部沿海地帶，是濱海新城建設(shè)的主要交通通道，是濱海新城外環(huán)線的組成部分。大部分地區(qū)為灤河水系形成的沖積平原和在海洋動(dòng)力作用下形成的濱海平原，路基土層由上到下劃分為:填筑土①層、粉砂②層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土②1層、粉砂②2層、粉砂③層等，軟土地基主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土②1層、液化層主要為粉砂②層和粉砂②2層等，地基處理擬采用振動(dòng)沉管擠密碎石樁。

唐山濱海大道某段落約4 km碎石樁的處理范圍寬度約37.9 m，左右幅處理寬度分別為19.5 m，18.4 m。左幅為既有海擋，右幅為蝦池砂礫擠淤填筑而成，從已完成碎石樁施工的處理寬度范圍內(nèi)，右幅處理寬度內(nèi)碎石樁均出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象，左幅處理寬度內(nèi)近中軸線1/3范圍的區(qū)域也不同程度出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象，左幅外側(cè)2/3區(qū)域內(nèi)就沒有出現(xiàn)或者很少出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象。從已有的地勘資料反映、現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況判斷以及“砂沸”(噴水冒砂)的形成機(jī)理綜合分析，我們認(rèn)為左幅外側(cè)2/3區(qū)域內(nèi)基本沒有出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象，主要是淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層或者粉質(zhì)粘土層較厚，大多超過設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，從而使得設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的碎石樁沒有穿透粉質(zhì)粘土層達(dá)到下部的液化土層。下面我們就“砂沸”現(xiàn)象進(jìn)行探討。

2 原因分析

2.1 砂沸的概念

砂沸，俗稱噴水冒砂，飽水的疏松粉、細(xì)砂土在振動(dòng)作用下突然破壞而呈現(xiàn)液態(tài)的現(xiàn)象。由于孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力減小所導(dǎo)致的砂土從固態(tài)到液態(tài)的變化現(xiàn)象。當(dāng)水頭梯度足夠大時(shí)，水流將攜帶大量懸浮的土顆粒，如果頂層特別薄或者地基土存在裂縫等缺陷或有碎石樁之類的通道，水流就會(huì)沖開地面，形成砂沸。特別情況下，砂沸的噴出物在噴出口周圍形成圓錐形沉積，類似小的“火山口”(見圖1)。

圖1 碎石樁施工完后樁口出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象

2.2 砂沸產(chǎn)生緣由

砂沸，屬于砂土液化的一種現(xiàn)象。在振動(dòng)等外載作用下，砂土發(fā)生液化的基本條件在于飽和砂土的結(jié)構(gòu)疏松和滲透性相對(duì)較低，以及振動(dòng)的強(qiáng)度大和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。原因有兩個(gè):1)內(nèi)因——地基土本身的性質(zhì);2)外因——土體中出現(xiàn)超靜孔隙水壓力。

1)地基土性質(zhì)。液化現(xiàn)象多發(fā)生于飽和砂土，飽和的疏松粉、細(xì)砂土體在振動(dòng)作用下有顆粒移動(dòng)和變密的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)力的承受由砂土骨架轉(zhuǎn)向水，由于粉、細(xì)砂土的滲透性不良，孔隙水壓力急劇上升。當(dāng)達(dá)到總應(yīng)力值時(shí)，有效正應(yīng)力下降到0，顆粒懸浮在水中，砂土體即發(fā)生振動(dòng)液化，完全喪失強(qiáng)度和承載能力。粘性土因?yàn)榧?xì)顆粒有粘著力，一般難以發(fā)生液化;粗粒土因?yàn)橥杆源?，振?dòng)時(shí)孔隙水壓力迅速消散，也難以發(fā)生液化。

2)外載作用下的超靜孔隙水壓力。液化是土體內(nèi)超靜孔隙水壓力發(fā)展至ug=6'3c(ug為孔隙水壓力;6'3c為側(cè)向有效固結(jié)壓力)的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生超靜孔隙水壓力是由于飽和砂土外載振動(dòng)的強(qiáng)度大與持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，土顆粒產(chǎn)生變密趨勢(shì)，從而在土體內(nèi)部產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，又未及時(shí)消散時(shí)，一旦超過上層土重量，孔隙水就會(huì)尋找通道沖出地面，并將土顆粒一起帶出，出現(xiàn)噴水冒砂，即砂沸現(xiàn)象。

3 施工分析

該段落碎石樁施工時(shí)，激振器產(chǎn)生的振動(dòng)通過樁管傳給土層，使得其樁尖及樁管著力附近飽和土地基產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致部分土體液化。不過振動(dòng)荷載在土體內(nèi)所引起超靜孔隙水壓力的積累，不一定能達(dá)到液化的程度，能否發(fā)生液化，主要還是決定于地基土的性質(zhì)。分析的該施工段落左幅外側(cè)2/3區(qū)域內(nèi)地基土上部主要為粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，表層為鹽場(chǎng)蝦池經(jīng)填方而成:1)從設(shè)計(jì)圖紙附勘察報(bào)告中地質(zhì)資料反映看，表層為粉質(zhì)粘土，層厚約1 m，第②層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，層厚約8 m，從鉆孔ZK81資料看出地表至淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土底部為10.2 m(見圖2)。2)從樁機(jī)沉樁施工過程看，不少樁位施工時(shí)不用激振器，樁錘將樁管較容易壓入土中。綜合判斷，該區(qū)域內(nèi)粉質(zhì)粘土層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層較厚。

圖2 鉆孔ZK81工程地質(zhì)剖面圖

根據(jù)碎石樁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為10.2 m部分范圍還短，從而推斷，很有可能該長(zhǎng)度的碎石樁沒有穿透粘土層達(dá)到液化層。根據(jù)碎石樁已有的研究，未打穿液化土層的碎石樁的抗液化效果比打穿液化土層的碎石樁處理效果要差一些，但基本達(dá)到消除液化的目的。所以碎石樁沒有穿透液化層或者穿到部分液化層，即碎石樁在非液化土層是不容易出現(xiàn)砂沸現(xiàn)象或者比在液化土層中要滯后出現(xiàn)。對(duì)于飽和粘性土地基，由于碎石樁沉管成樁過程中的擠壓和振動(dòng)等強(qiáng)烈的擾動(dòng)，粘粒之間的結(jié)合力以及粘粒、離子、水分子所組成的平衡體系受到破壞，孔隙水壓力急劇升高，飽和土地基在樁周圍一定范圍內(nèi)，產(chǎn)生較高的超靜孔隙水壓力。因此，需要靜置一段時(shí)間，粘性土孔隙水壓力消散的所需時(shí)間較長(zhǎng)，使其強(qiáng)度恢復(fù)。并考慮碎石樁成樁的井阻和涂抹作用——好似在碎石樁周邊抹了一層不透水土膜，粘土地基中碎石樁的砂沸現(xiàn)象的出現(xiàn)不像砂性土地基中明顯且快，甚至有可能不出現(xiàn)砂沸現(xiàn)象。而且，對(duì)于飽和的軟粘土，特別是靈敏度高的淤泥或者淤泥質(zhì)粘土，在成樁過程中，由于振動(dòng)力和側(cè)向擠壓力的作用，產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)，發(fā)生觸變。如上覆硬土層較薄，則形成碎石樁后，會(huì)使地面隆起，而且由于樁間土的側(cè)限作用較小，使樁體碎石不易密實(shí)。由于淤泥、淤泥質(zhì)土強(qiáng)度很低，對(duì)樁的約束作用很差。工程實(shí)踐表明，若樁間土密度不變，僅靠樁的置換作用，地基承載力提高的幅度一般為20%～60%，并且處理后的沉降仍然難以有效控制。所以，在飽和的軟粘土中施工碎石樁時(shí)，特別對(duì)于上部樁體不易密實(shí);承載力提高幅度也小，而且工后沉降不易控制。

那么，碎石樁出現(xiàn)砂沸現(xiàn)象，對(duì)碎石樁的成樁的質(zhì)量是否有不良影響。這需要從碎石樁的特點(diǎn)去分析，查最新的《地基處理手冊(cè)》可知碎石樁在松散砂土和粉土地基中的作用有:1)擠密作用:成樁過程中的橫向擠壓使樁管周圍的砂層空隙比減小，密實(shí)度增大，改善了土的物理力學(xué)性能，使地基承載力和抗液化能力有所提高;2)振密作用:成樁過程中激振器產(chǎn)生的振動(dòng)通過樁管傳給土層，引起地基土振動(dòng)，產(chǎn)生振密作用——土顆粒重新排列趨向密實(shí);3)碎石樁排水通道:碎石樁加固砂土?xí)r，在地基中形成滲透性良好的人工豎向排水通道，可以使由于擠壓和振動(dòng)作用產(chǎn)生增長(zhǎng)的孔隙水壓力及時(shí)消散，從而提高地基土的抗液化能力，并加速地基排水固結(jié);4)抗震作用:包含碎石樁體減振作用和樁間土的預(yù)振作用，前者是在地震力效應(yīng)下，應(yīng)力集中于樁體，減小了樁間土的應(yīng)力，后者是碎石樁施工中地基土在往復(fù)振動(dòng)作用下局部產(chǎn)生液化，達(dá)到地基土的預(yù)振作用。

可以看出，碎石樁成樁后，使得樁間土密實(shí)，性能得以改善，并發(fā)生局部的液化，出現(xiàn)砂沸現(xiàn)象，通過樁體排水固結(jié)，形成較好的復(fù)合地基。工后使用過程中若發(fā)生地震，由于樁體土附近液化已經(jīng)提前完成，而碎石樁體在地基中形成良好排水通道并能及時(shí)減少孔隙水壓力，防止整體地基在地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生液化，從而降低該公路工程被地震液化破壞的可能性。

所以，在砂性土中出現(xiàn)砂沸現(xiàn)象說明液化處理效果較好，而軟土地基中，則可以采取增加碎石樁的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，穿透軟土層而達(dá)到液化土層從而產(chǎn)生砂沸現(xiàn)象，消除震后液化。實(shí)際上，碎石樁體的密實(shí)度是同樁周土性質(zhì)和施工中留振時(shí)間及反插情況等因素有關(guān)系，砂沸對(duì)碎石樁的成樁質(zhì)量是沒有不良影響的。當(dāng)然，砂沸會(huì)引起復(fù)合地基的地面局部下沉或隆起，因此，樁頂壓實(shí)和路基填筑前地表碾壓并設(shè)置透水墊層是必要的。

4 結(jié)論及建議

1)出現(xiàn)砂沸現(xiàn)象的原因是樁周圍土體產(chǎn)生了液化，主要與地基土性質(zhì)和超靜孔隙水壓力有關(guān)。是否能發(fā)生液化，主要還是取決于地基土的性質(zhì)，該工程部分段落粉質(zhì)粘土層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層較厚，碎石樁是不容易出現(xiàn)砂沸現(xiàn)象或者比在砂性土層中要滯后出現(xiàn)。2)根據(jù)地基處理的主要目的是提高承載力還是消除液化或者兩者并存而進(jìn)行設(shè)計(jì)施工調(diào)整，如果是后者，就要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況調(diào)整碎石樁的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度達(dá)到液化層。3)由于粉砂②層，粉砂②2層屬于液化層，可以考慮將碎石樁穿至或者穿透該層，達(dá)到較好地消除液化的效果，可以確保復(fù)合地基在地震時(shí)不液化。4)為確保地基處理的效果，并結(jié)合工程造價(jià)問題，可將碎石樁處理的樁長(zhǎng)設(shè)置成間隔形式，即一部分穿透液化土層，一部分不穿透液化土層。

［1］地基處理手冊(cè)編委會(huì).地基處理手冊(cè)［M］.第3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008:217-253.

［2］葉 琦.沉樁施工過程中出現(xiàn)“砂沸”現(xiàn)象的分析與處理［J］.化工設(shè)計(jì)，2008，18(4):28-30.