擠密砂樁在斜坡式護(hù)岸抗液化處理中的應(yīng)用

陳木燦，梁偉

0　引言

近年來國(guó)內(nèi)外發(fā)生的強(qiáng)烈地震越來越頻繁，由地震引起的地基塌陷，邊坡滑移等震害現(xiàn)象十分普遍，其主要原因是地基存在砂土液化現(xiàn)象。水運(yùn)工程中液化地基處理常用的方法有開挖換填、碎石樁、擠密砂樁等，而擠密砂樁具有施工作業(yè)區(qū)域廣、自動(dòng)化程度高、施工進(jìn)度快、工程投資省、施工作業(yè)環(huán)保無污染等明顯優(yōu)勢(shì)。

1　項(xiàng)目概況

?？谀橙斯u形成陸域面積約216 hm2，建設(shè)護(hù)岸總長(zhǎng)6 102 m，護(hù)岸采用斜坡式拋石結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)高水位2.66 m，設(shè)計(jì)低水位0.48 m。工程建設(shè)區(qū)域下臥土層連續(xù)分布松散粉細(xì)砂層，標(biāo)貫擊數(shù)2～10擊，厚度為7～13 m。該場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度，地震動(dòng)峰值加速度為0.30g，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.65 s。工程區(qū)域下臥土層連續(xù)分布松散粉細(xì)砂層為嚴(yán)重液化土層，厚度較大，為保證護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全，必須對(duì)地基進(jìn)行抗液化地基處理。

2　設(shè)計(jì)方案

2.1　加固原理

針對(duì)砂土液化成因，擠密砂樁通過振動(dòng)錘把套管打入到要求的深度，灌入中粗砂并向下擠壓，使砂樁擴(kuò)徑，周圍土體發(fā)生側(cè)向擠壓使其密度增大；同時(shí)通過樁管的反復(fù)振動(dòng)作用，使周圍土體顆粒重新排列組合進(jìn)一步密實(shí)，從而增加土體有效應(yīng)力，達(dá)到消除液化，提高土體的抗剪強(qiáng)度的目的[1-2]。

2.2　設(shè)計(jì)思路

地基處理的最終目的是確保護(hù)岸的整體穩(wěn)定計(jì)算滿足規(guī)范要求。

根據(jù)JTS 146—2012《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，地震作用下的岸坡穩(wěn)定驗(yàn)算的抗力分項(xiàng)系數(shù)不應(yīng)小于1.0。液化地基抗剪強(qiáng)度減弱甚至喪失，嚴(yán)重威脅岸坡的穩(wěn)定安全，因此需要在護(hù)岸地基范圍采用一定置換率的擠密砂樁，部分甚至全部消除液化。

擠密砂樁是一種復(fù)合地基處理方法。根據(jù)JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》[4]，抗滑穩(wěn)定性分析中復(fù)合土層的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式為：

式中：φsp為復(fù)合土層內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；φp為樁體材料內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；φs為樁間土內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；m為面積置換率；csp為復(fù)合土層黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值；cs為樁間土黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值；n為樁土應(yīng)力比。根據(jù)《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，全部消除地基液化，擠密砂樁處理后樁間土不宜小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。地面下20 m深度范圍內(nèi)液化判別錘擊數(shù)臨界值按式（4）計(jì)算：

式中：Ncr為液化判別錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；β為調(diào)整系數(shù)；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度；dw為地下水位在地面以下深度，當(dāng)?shù)孛嫖挥谒聲r(shí)，取值0；Mc為黏粒含量百分率，砂土?xí)r取值3。

2.3　設(shè)計(jì)方案

護(hù)岸整體穩(wěn)定通過試算，砂樁最低置換率為23%。砂樁處理深度范圍至液化砂層底下0.5 m，橫向范圍至護(hù)岸坡腳。典型斷面詳見圖1。

圖1　護(hù)岸典型斷面圖Fig.1　Typical cross-section of revetment

砂樁材料采用中粗砂（φ≥32°），含泥量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒徑小于50 mm的碎石。

地震工況整體穩(wěn)定計(jì)算，其計(jì)算水位分別采用設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位，土層抗剪指標(biāo)采用固接快剪。擠密砂樁處理范圍為復(fù)合地基，考慮全部消除液化，根據(jù)公式（1）～公式（3）計(jì)算得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)csp=0 kPa，φsp=26.7°；擠密砂樁外側(cè)原狀粉砂層嚴(yán)重液化，內(nèi)摩擦角取值0；擠密砂樁內(nèi)側(cè)覆蓋回填料，考慮建筑建成后標(biāo)貫基數(shù)修正，發(fā)生液化后內(nèi)摩擦角折減保守取值8.3°。

計(jì)算軟件采用天津地基計(jì)算系統(tǒng)，計(jì)算方法采用簡(jiǎn)單條分法，地震工況整體穩(wěn)定計(jì)算得抗力分項(xiàng)系數(shù)≥1.02。

2.4　液化判斷

針對(duì)護(hù)岸地震工況，對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)和地基的抗震穩(wěn)定性。分析內(nèi)容包括：1）采用非線性增量有限元方法進(jìn)行有限元靜力分析，計(jì)算地基處理前后護(hù)岸結(jié)構(gòu)和地基在自重作用下的應(yīng)力；2）根據(jù)地震動(dòng)峰值加速度和規(guī)范反應(yīng)譜，采用地震波人工生成技術(shù)，生成不同相位的地震波時(shí)程，考慮地基地震孔壓模型，采用基于等效線性模型和廣義Biot固結(jié)理論的有效應(yīng)力有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析方法，計(jì)算在給定地震（加速度時(shí)程）作用下地基處理前后護(hù)岸結(jié)構(gòu)和地基的地震應(yīng)力、加速度、孔隙水壓力等響應(yīng)，為液化分析提供動(dòng)應(yīng)力；3）基于靜力和動(dòng)力有限元的分析結(jié)果，計(jì)算地基處理前后護(hù)岸地基土地震孔壓比，分析地基的液化可能性；4）基于有效應(yīng)力計(jì)算的孔壓，采用圓弧滑動(dòng)面擬靜力法驗(yàn)算地基處理前后護(hù)岸結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的整體穩(wěn)定性[5]。

預(yù)計(jì)采用地基處理后標(biāo)貫擊數(shù)平均值不低于20擊，暫考慮取值標(biāo)貫擊數(shù)20擊進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

有限元?jiǎng)恿Ψ磻?yīng)分析顯示：護(hù)岸斷面頂部的水平加速度最大值在2.67～2.77 m/s2之間。由于地基孔隙水壓力升高后，地基軟化，加速度并沒有產(chǎn)生明顯放大作用，因此水位對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響不明顯。

孔壓分析顯示：無加固措施時(shí)，震后地基超孔隙水壓力最大值均位于陸域底部區(qū)域，超孔隙水壓力最大值為90 kPa。采用加固措施后，加固區(qū)域超孔隙水壓力明顯降低，但基本不影響加固范圍以外區(qū)域的超孔隙水壓力分布。典型斷面孔壓分布詳見圖2、圖3。

圖2　護(hù)岸典型斷面孔壓分布（低水位，加固前）Fig.2　The pore pressure distribution of the typical revetment(low water level,pre-reinforcement)

孔壓比表示地震超孔隙水壓力與震前初始有效應(yīng)力的比值，可以用于表示液化的程度，隨著孔壓比的增加，土體強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)孔壓比接近或達(dá)到1時(shí)，可以認(rèn)為土體完全液化，此時(shí)土體將完全喪失強(qiáng)度。無加固措施時(shí)，護(hù)岸坡腳區(qū)域②1粉細(xì)砂（混淤泥）層與②2粉細(xì)砂層孔壓比位于0.35～0.75之間，外海側(cè)液化程度較大。采用加固措施后，由于加固區(qū)液化強(qiáng)度（標(biāo)貫）提高，加固區(qū)孔壓比明顯降低。加固后坡腳加固區(qū)孔壓比減小至0.05～0.35。擠密砂樁處理范圍孔壓比趨近0，即基本不液化。典型斷面孔壓比分布詳見圖4、圖 5。

地震時(shí)土體超孔隙水壓力增加，導(dǎo)致土體強(qiáng)度的弱化，將對(duì)護(hù)岸的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。有效應(yīng)力法可直接計(jì)算出孔隙水壓力和土體的有效應(yīng)力，穩(wěn)定計(jì)算時(shí)可以引入孔壓計(jì)算結(jié)果。未采用加固措施時(shí)，地震工況整體穩(wěn)定抗力分項(xiàng)系數(shù)分別為0.54（低水位）和0.53（高水位）；采用加固措施后，由于加固區(qū)孔壓比明顯降低，抗力分項(xiàng)系數(shù)分別提高至1.21（低水位）和1.07（高水位）。

數(shù)值模擬分析的結(jié)果表明：護(hù)岸結(jié)構(gòu)地基采取23%置換率的擠密砂樁處理后，地震作用下護(hù)岸結(jié)構(gòu)的液化危險(xiǎn)性降低，整體穩(wěn)定性滿足要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。

2.5　工程投資比較

文中依托工程建設(shè)護(hù)岸較長(zhǎng)，松散飽和砂土厚度較大，需要處理的液化地基工程量較大，地基處理的工程投資占護(hù)岸建設(shè)投資比例較大，因此采取何種地基處理方案成為控制工程總造價(jià)的關(guān)鍵因素。?？诘貐^(qū)中粗砂單價(jià)遠(yuǎn)低于塊石、碎石價(jià)格，因此擠密砂樁在工程造價(jià)上相比開挖換填塊石、碎石樁方案具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)分析比較，擠密砂樁方案護(hù)岸工程造價(jià)12.1萬元/m，開挖換填塊石方案護(hù)岸工程造價(jià)17.3萬元/m，碎石樁方案護(hù)岸工程造價(jià)20.2萬元/m。

3　實(shí)施效果

3.1　檢測(cè)要求

擠密砂樁地基處理后消除液化的標(biāo)準(zhǔn)即樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)不宜小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。由式（4）計(jì)算得各深度范圍內(nèi)需達(dá)到標(biāo)貫擊數(shù)見表1。需要錘擊數(shù)平均值為24.2擊，大于數(shù)值模擬分析的標(biāo)貫擊數(shù)取值20擊。

表1　液化判別錘擊數(shù)臨界值計(jì)算結(jié)果Table1　The calculation results of standard penetration number critical value of the liquefaction discrimination

3.2　施工關(guān)鍵技術(shù)

擠密砂樁施工關(guān)鍵技術(shù)包括：振動(dòng)錘激振力、樁套管內(nèi)壓力設(shè)置、樁套管提升速率等[6]。

專業(yè)砂樁船砂樁套管直徑一般為0.8～1.0 m，處理淤泥軟弱土，可形成最大樁徑2.0 m，最大置換率可達(dá)到70%，施工效率較高，平均每天可打設(shè)砂樁1 100 m3[7]。

該項(xiàng)目采用“砂樁3號(hào)”，振動(dòng)錘電機(jī)功率360 kW，砂樁套管直徑1.0 m，在滿足砂樁均勻性和連續(xù)性質(zhì)量前提下，由于套管對(duì)原狀砂土有振密作用，砂樁擴(kuò)徑、置換率以及施工效率都難以匹配至處理淤泥的砂樁參數(shù)。根據(jù)典型試驗(yàn)施工，在粉細(xì)砂層中可擴(kuò)徑至1.35 m，置換率宜控制在30%以內(nèi)，平均每天可打設(shè)砂樁約900 m3。

根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算要求置換率，砂樁樁徑1.35 m，采用正三角形布置，樁間距2.7 m。

砂樁施工采用GPS定位，通過高精度GPS實(shí)時(shí)定位儀器保證樁位偏差小于100 mm。套管下沉?xí)r向套管內(nèi)加壓，控制管內(nèi)泥水面高度不超過2.0 m。套管貫入至-8 m時(shí)，開始加砂振動(dòng)下沉，以保持套管內(nèi)壓力直至達(dá)到設(shè)計(jì)底標(biāo)高。

打設(shè)砂樁時(shí)，提升套管1.9 m，排砂量等體積換算，回打0.9 m，使砂樁擠密擴(kuò)徑至1.35 m，形成1.0 m的實(shí)際砂樁高度，如此循環(huán)直至整根砂樁完成。砂樁供砂效率不低于0.72 m3/min，成樁速率不大于0.5 m/min。成樁后體積換算得砂樁充盈系數(shù)1.33。

3.3　檢測(cè)結(jié)果

砂樁施工完成后，通過樁間土標(biāo)貫擊數(shù)檢測(cè)，其結(jié)果均大于液化判別錘擊數(shù)臨界值，即擠密砂樁處理范圍地基全部消除液化。典型檢測(cè)結(jié)果詳見表2。

表2　典型施工樁間土標(biāo)貫擊數(shù)檢測(cè)結(jié)果Table2　Thetest resultsof thestandard penetration number in thesoil between pilesof the typical construction

4　結(jié)語

1）擠密砂樁首次在華南地區(qū)水工工程液化地基中應(yīng)用，處理效果良好，對(duì)推進(jìn)水運(yùn)工程建設(shè)具有深遠(yuǎn)意義。

2）數(shù)值模擬分析和工程實(shí)施效果驗(yàn)證，采用合理的砂樁置換率和嚴(yán)格的施工技術(shù)要求，擠密砂樁對(duì)液化地基處理效果可靠。

3）抗液化處理擠密砂樁技術(shù)要求與常規(guī)淤泥質(zhì)軟弱土處理的擠密砂樁技術(shù)在擴(kuò)徑、置換率以及施工效率上相差甚遠(yuǎn)，大面積施工前可根據(jù)施工試驗(yàn)取得施工參數(shù)。

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