振動擠密砂樁在公路液化地基處理中的應(yīng)用

林晉輝

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

振動擠密砂樁在公路液化地基處理中的應(yīng)用

林晉輝

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

以泉州地區(qū)某新建公路為例，針對沿線砂土液化的振動擠密砂樁的處理方法，通過處理后樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、樁身重型圓錐動力觸探試驗(yàn)，結(jié)合理論分析，探討了擠密砂樁對該公路液化地基的處理效果。分析結(jié)果顯示，擠密砂樁對該公路的液化地基的處理效果良好，同時施工簡潔，成本低廉。本文以實(shí)際工程為依托，結(jié)合理論分析，具有一定代表性，以期能為相同地區(qū)的液化地基處理提供一定的參考和借鑒價值。

振動擠密砂樁；液化地基；地基處理

E-mail:lin.jinhui@qq.com

引 言

近幾十年來我國地震頻發(fā)，幾乎每次都有砂土液化的現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致地面沉陷、路基開裂、地基承載力喪失、斜坡滑移等工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失，因此地基土的液化問題越來越受到人們的重視，對地基土液化問題進(jìn)行處理也很有必要。

在飽和的松散砂土中，因顆粒之間無內(nèi)聚力而主要靠粒間摩擦力來維持自身的穩(wěn)定和承受外力，當(dāng)其受到振動時，顆粒就會改變其相互之間的排列狀態(tài)。如果其原來處于非緊密排列狀態(tài)，則顆粒之間會趨于密實(shí)，而飽和砂土顆粒間是飽水的，要變密實(shí)則勢必要從孔隙間排除相當(dāng)一部分的水，若砂土整體滲透性較差，瞬時振動導(dǎo)致的需要從孔隙間排出的水來不及排出整個砂土之外，孔隙水壓力則必然隨之上升，砂顆粒間的有效正應(yīng)力則隨之降低，當(dāng)孔隙水壓力上升到使砂顆粒間的有效正應(yīng)力為零時，砂顆粒就會整體懸浮在水中，徹底喪失強(qiáng)度和承載能力，導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生。

隨著對砂土液化認(rèn)識的深入，工程上處理地基液化的方法也越來越多，如換填、強(qiáng)夯、加密、加入固化劑和設(shè)置地下圍護(hù)墻等。振動擠密砂樁作為其中的一種方法之一，因其具有施工簡便、成本低廉，處理效果好，能就地取材等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，并逐漸成為一種主要的抗震防液化的加固手段。

1 砂樁加固機(jī)理

目前的研究成果認(rèn)為，振動擠密砂樁加固液化地基和軟弱土層的機(jī)理主要有以下四個方面[1,2]：

1)密實(shí)作用：松散砂土顆粒之間孔隙大，相對位置不穩(wěn)定，在砂樁施工時的靜力和振動作用下，砂顆粒移動至相對穩(wěn)定位置，孔隙變小而變密實(shí)；其次在砂樁施工成樁過程中，樁管擠入松散砂層，對周圍土體產(chǎn)生巨大的橫向擠壓力，樁管位置的土體被擠入周圍土體，使樁管周圍土體孔隙比大大減小，密實(shí)度相應(yīng)增加，較大地改善了土體的物理力學(xué)性能，起到防止振動液化的作用。

2)置換作用：砂樁施工成樁以后，密實(shí)的樁體取代了同樣體積的松散砂土或軟弱土層，形成復(fù)合地基，地基承載力得以提高，地基沉降相應(yīng)變小，進(jìn)而在地震或列車等循環(huán)荷載等作用下不會出現(xiàn)超大孔隙水壓力而導(dǎo)致液化的發(fā)生。

3)排水減壓作用：砂土液化的機(jī)理研究表明，松散的飽和砂土在振動作用下會趨于密實(shí)，在砂土排水條件較差時，孔隙水不能及時排除，導(dǎo)致孔隙水壓力不能及時消散，當(dāng)其增加到一定程度時，顆粒間的有效正應(yīng)力降為零而徹底液化。砂樁成樁后，樁體為滲透性良好的粗顆粒砂料，在地基中加入了一條通暢的豎向排水減壓通道，大大減小了孔隙水排出時的滲透路徑，有效地防止孔隙水壓力的上升，起到防液化的效果，同時能加快地基自身的排水固結(jié)，有效提高地基承載力。

4)預(yù)震作用：在砂樁施工時，振沖器的高頻振動，使得填入的砂料和樁周土體在擠密的同時受到巨大的振動作用，然后通過樁管傳遞給周圍土體使得附近的飽和液化土層產(chǎn)生振動孔隙水壓力，進(jìn)而導(dǎo)致部分土體液化，顆粒之間重新排列，孔隙減少，土體趨于密實(shí)，從而提高土體的密實(shí)度，起到振密的作用，同時振動作用能加速地基中水的滲透和流通，促進(jìn)水的排出，進(jìn)一步起到抗震防液化的作用。

2 工程概況

泉州市某新建公路全長約12km，部分地段地基土中有一層6～7m厚的細(xì)砂，前期地質(zhì)勘察顯示該層細(xì)砂有嚴(yán)重液化可能，因此采用振動擠密砂樁加固處理，本文以K11+600～K12+000工程段為例，分析擠密砂樁在液化地基處理中的效果。

2.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)前期的勘察資料，場區(qū)的主要地層結(jié)構(gòu)自上而下依次如下：

①細(xì)砂：灰黃色、灰白色，飽和，松散～稍密，以細(xì)砂為主，含量大于75%，級配較差，其間充填物為礫、砂及少量的粘性土，該層為場地內(nèi)主要液化層。

②淤泥：深灰褐色，飽和，流塑，以粘性土為主，粘性強(qiáng)，含砂量較大，含少量腐殖質(zhì)，略具腥臭味，搖振反應(yīng)慢，捻面較光滑，有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，工程性質(zhì)差。

③粉質(zhì)粘土：灰黃褐、褐紅色，濕，可塑，顆粒成分以粘、粉粒為主，粘性較強(qiáng)，含少量中細(xì)砂顆粒，見暗色礦物，捻面較粗糙，屬中等～高壓縮性土，干強(qiáng)度及韌性中等，無光澤，無搖震反應(yīng)。

④殘積砂質(zhì)粘性土：灰黃色、灰白色，硬塑，稍濕，為花崗巖風(fēng)化殘積形成，粘性較差，砂感較強(qiáng)，含小礫石，局部夾碎塊。

⑤砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：褐黃色、灰白色，硬塑，稍濕，大部分礦物已風(fēng)化，巖芯呈砂土狀，手捏有砂感，手搓易散，浸水易軟化。

⑥全風(fēng)化花崗巖：褐黃色、灰白色，硬塑，稍濕，大部分礦物已風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)尚可辨，巖芯呈密實(shí)土狀，手捏有砂感，局部夾少量強(qiáng)風(fēng)化巖塊，手搓易散，浸水易軟化。

⑦中風(fēng)化花崗巖：青灰色、灰白色，局部肉紅色，中粗粒花崗結(jié)構(gòu)，質(zhì)地較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，多呈短柱狀及塊狀，巖面新鮮，質(zhì)硬，錘擊不易碎。

其中第一層細(xì)砂為場地內(nèi)的主要液化層，前期地質(zhì)勘察顯示其液化指數(shù)ILE=17.3～33.2，為中等～嚴(yán)重液化。

2.2 加固方案設(shè)計(jì)

根據(jù)場區(qū)的工程地質(zhì)條件，擠密砂樁的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1)平面布置：考慮到施工簡潔性和處理效果，擠密砂樁采用正方形布置，平面布置示意圖如(圖1)所示。

2)樁徑：根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求、施工方法和以往工程經(jīng)驗(yàn)，砂樁的直徑采用40cm。

3)樁長：擠密砂樁處理液化地基時應(yīng)達(dá)到液化土層的底部并穿越軟弱土層，進(jìn)入相對硬層一定深度。

4)樁距：根據(jù)規(guī)范要求和灌砂量的要求進(jìn)行計(jì)算，同時結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，樁距設(shè)置為1.2～1.6m。

5)材料：砂樁填充材料采用中粗砂混合，含泥量不高于5%，顆粒級配好。

6)施工機(jī)械：本次施工采用DZ60KSA型振動沉樁機(jī)，內(nèi)置活瓣式樁尖，并配有二次投料口。

7)預(yù)壓：砂樁施工完成后，在路面上加載路基土進(jìn)行預(yù)壓，以加速地基土中水的排出。排水系統(tǒng)主要由豎向砂樁構(gòu)成。

圖1 振動擠密砂樁平面布置示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

用擠密砂樁復(fù)合地基樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)來判別地基土性能好壞和是否液化，這一方法簡單直接，結(jié)果可靠，易于掌握。因此本工程段在評價擠密砂樁對液化地基的處理效果時，首選這種方法。為此在砂樁施工前后，均對本工程段的地基土進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，以便對處理效果進(jìn)行直觀比較。檢測結(jié)果如(表1)。

表1 砂樁處理前后樁間土標(biāo)貫試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

從(表1)可以看出，該工程段的液化地基經(jīng)擠密砂樁處理后，標(biāo)貫平均擊數(shù)有了很大提高，這表明砂樁的處理效果很明顯，有效的解決了地基土的液化問題，達(dá)到了工程處理液化的目的。

3.2 樁身重型動力觸探試驗(yàn)

砂樁樁身的完整性及其施工質(zhì)量對液化地基的處理效果也起到重要作用，均勻完整的砂樁是一個良好的豎向排水通道，能夠縮短排水路徑，加速水的排出，及時消散土中的孔隙水壓力，避免液化現(xiàn)象的發(fā)生。本文挑選了其中具有代表性的砂樁，動力觸探現(xiàn)場試驗(yàn)圖及其樁身動力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)隨深度分布圖，如(圖2，圖3)。從圖中可以看出，樁身動力觸探錘擊數(shù)均較大，顯示砂樁的施工質(zhì)量較好，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)的要求。

圖2樁身動力觸探現(xiàn)場試驗(yàn)圖 圖3樁身動力觸探擊數(shù)圖

4 結(jié)論與建議

通過分析擠密砂樁處理液化地基的機(jī)理，結(jié)合具體工程實(shí)例，通過成樁前后樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)的對比以及樁身的動力觸探試驗(yàn)，評價了擠密砂樁在泉州某公路液化地基處理中的應(yīng)用，得出了以下主要結(jié)論：

1)飽和的松散砂土在振動作用下有重新排列變密的趨勢，這勢必要求排出孔隙間的水，若土體排水不暢，孔隙水壓力則必然上升，造成土顆粒間有效正應(yīng)力減小，當(dāng)其降為零時，砂顆粒懸浮在水中，砂土徹底液化，喪失強(qiáng)度。

2)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)?zāi)苤庇^體現(xiàn)地基土的密實(shí)度，評價其抗液化能力。砂樁施工前后樁間土標(biāo)貫擊數(shù)的對比結(jié)果表明擠密砂樁對本工程段液化地基的處理效果良好，達(dá)到了抗震防液化的目的，滿足工程的需要。

3)砂樁施工質(zhì)量的好壞也是影響液化地基處理效果的重要因素之一，而樁身的動力觸探試驗(yàn)可以檢驗(yàn)樁身質(zhì)量的好壞及其完整性，從而間接評價其處理效果。

4)振動擠密砂樁能較大的提高地基土的密實(shí)度和強(qiáng)度，起到加固抗液化的作用，同時該方法施工簡單易行，成本低廉，是工程中液化地基處理中一種較為實(shí)用的方法。但目前為止對振動擠密砂樁的工程應(yīng)用多以經(jīng)驗(yàn)為主，因此有待進(jìn)一步深入的研究。

[1]林飛. 高速公路擠密砂樁處置液化土的性能評價[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版), 2010, (10):125-127.

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Application of vibration and compaction sand pile in treatment of highway liquefied foundation

LINJinhui

(Fujian Academy of Building Research, Fuzhou 350025)

Taking a highway in Quanzhou as an example, in view of the foundation treatment method of vibration and compaction piles along the highway, through analyzing the results of the standard penetration test of soil between piles after the treatment and heavy cone dynamic penetration test in the piles, this paper discusses the sand compaction pile treatment effect of the liquefied soil combining the theoretical analysis. The analysis results show that, the treatment effect of sand compaction piles of soil liquefaction on the freeway is good, and it has the advantage of simple construction and low cost. Based on the actual project, according to the theoretical analysis, this paper has the certain representation and reference value with a view to the same area of sandy soil liquefaction processing.

Vibration and compaction sand pile; Liquefied foundation; Foundation treatment

林晉輝(1989.4- )，男，助理工程師。

2015-04-21

U

A

1004-6135(2015)05-0091-03