振沖碎石樁在液化場地路橋過渡段中的應用

馮 志 文

(山西誠達公路勘察設計有限公司，山西 太原 030006)

1 概述

飽和砂土在地震荷載的作用下顆?？障蹲冃?，從而導致孔隙水壓力迅速上升，但是由于地震作用短暫，迅速上升的孔隙水壓力無法及時消散，使得砂土的有效應力降低甚至為零，此時砂土的承載力和抗剪強度全部喪失，這就是砂土的液化。我國是一個地震頻發(fā)的國家，而且多數(shù)地區(qū)還是高烈度地區(qū)，因此在工程建設中必須注重對液化場地的判別，防止因地基土液化引發(fā)工程失效。

路橋過渡段是路基工程中的一個重要節(jié)點，它是連接橋梁與路基的樞紐，其變形控制要求嚴格，是設計和施工的重點與難點。保證橋頭路基的穩(wěn)定，對于保障行車舒適性避免橋頭跳車、保證司乘人員的生命安全與機動車的性能有著重要的意義。因此，液化場地中路橋過渡段的地基處理是公路路基設計中需要特殊關注的設計方案，合理有效的處治方案才能保證整條公路平穩(wěn)有效的運營。

2 液化場地的判別與處治

2.1 液化的判別

根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》的有關規(guī)定,當建設場地存在飽和砂土或粉土時，需要進行場地的液化判別，當滿足下列條件之一時可以不考慮土體的液化:

1)建設場地的設計基本地震動峰值加速度為0.10g(0.15g)和0.20g(0.30g)，且地質(zhì)年代為Q3及其以前；

2)粉土中的黏粒含量分別不小于10%,13%,16%，當場地的設計基本地震動峰值加速度為0.10g(0.15g),0.20g(0.30g)和0.40g；

3)上覆非液化土層厚度或地下水埋藏深度符合下列條件之一:

當不滿足上述條件時，需進行詳判，通常情況下利用標準貫入試驗進行判斷：當飽和土未經(jīng)桿長修正的標準貫入錘擊數(shù)小于液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr時，判斷為液化土。

在地下15 m范圍內(nèi)，Ncr的計算公式為：

通過計算所得的Ncr和實測的標準貫入錘擊數(shù)Ni可以計算出液化指數(shù)，然后確定液化等級：

根據(jù)所確定的液化等級最終確定所采用的抗液化措施。

2.2 液化的影響因素

影響土體液化的主要因素是土體自身條件，其粒徑特征和滲透性是關鍵的兩個因素。根據(jù)相關研究表明，飽和土中的細顆粒是相對容易發(fā)生液化的，尤其是平均粒徑在0.1 mm左右的粉細砂最容易發(fā)生液化。砂(粉)土中黏粒含量對液化的影響也十分重要，黏粒含量越多，飽和砂(粉)土越不容易發(fā)生液化。土體的滲透性越差，在地震作用下所產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力越不容易消散，砂(粉)土越容易發(fā)生液化。

其次場地條件對土體液化的影響非常明顯。當液化土體的上部覆蓋土層厚度越厚，在自重壓力越大，進而土的有效應力越大，抵抗液化的性能也就越強。場地的地震烈度越高，其地震動加速度越大，地震作用也就越強烈，就越容易導致土體的孔隙水壓力的上升，進而引發(fā)砂(粉)土液化。

2.3 抗液化措施

綜合考慮構筑物的重要性和土體的液化等級，可以選擇全部消除地基液化或部分消除地基液化。

通常情況下，當液化土層較薄易開挖時，可以選擇挖除液化土層后回填非液化土體；或者場地的建設條件允許時，可以在場地表面填筑并夯實非液化土層，增加土體的有效應力，進而消除液化。

對于重要的構筑物，可以采用樁基礎來承受上部結構傳下來的荷載，樁基礎的受力層應選擇在非液化的穩(wěn)定土層，并進入持力層一定深度，在計算樁側摩阻力時需要進行折減。

對于一般構筑物可以選擇地基處理的方式來消除場地土體的液化，常用的處理措施有強夯、砂樁、擠密碎石樁、振沖碎石樁等，其作用機理就是將土體進行密實，增加土顆粒間的接觸壓力，進而土顆粒間的摩擦阻力得到提高，進而起到土體抗液化的功能。

3 工程實例

3.1 工程地質(zhì)

1)第四系全新統(tǒng)地層為粉質(zhì)黏土、粉土、人工填土等。

2)第四系上更新統(tǒng)地層為粉質(zhì)黏土、粉土。

3.2 液化判定

3.3 抗液化措施的選定

本公路為一級公路，且液化等級為嚴重，根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》表4.3.5的要求，需要全部消除場地液化，結合液化土層厚度及建設項目的特殊性，選擇地基處理的方式來消除液化。由于本工程建設用地緊鄰縣城，周圍全部是民居，不宜采用強夯進行夯實處理，且土體的含水量較高夯實施工難度較大效果不明顯；由于處理的路段是路橋過渡段，該路段對沉降較為敏感，若處理方案僅僅消除土體的液化而不能控制地基土的沉降在本路段也不適用，綜合考慮經(jīng)濟、施工條件等因素，本路段設計采用振沖碎石樁來處治地基土的液化。

根究地勘資料分析，場地土的類型為軟弱土～中軟土，根據(jù)JTG B02—2013公路工程抗震規(guī)范，工程場地類別綜合評定為Ⅲ類，而且地下的穩(wěn)定水位在0.8 m～1.0 m，地下水位較淺。

根究JTG D30—2015公路路基設計規(guī)范的有關要求，本工程路橋過渡段的沉降要求控制在0.1 m以內(nèi)。

表1 路橋過渡段的起點土工試驗數(shù)據(jù)

表2 路橋過渡段的終點土工試驗數(shù)據(jù)

結合有關規(guī)范、設計經(jīng)驗和施工機械設備等因素，振沖碎石樁設計樁徑采用0.8 m，振沖器采用75 kW的功率，因此樁間距采用1.5 m，梅花形布樁，布置圖詳見圖1，處理長度為兩側30 m的地基范圍。在消除地基液化時，需要對處理范圍進行擴大，擴大范圍B≥0.5h，且不小于5 m，h為液化土層的厚度，本項目擴大處理寬度為10.0 m，布置圖詳見圖2。

振沖碎石樁為散體材料樁，其面積置換率m為：

處理后的復合地基承載力fspk、復合土層的壓縮模量Esp分別為：

fspk=[1+m(n-1)]×fsk,

fspk=[1+0.258×(2.4-1)]×110=150 kPa,

Esp=[1+m(n-1)]×Es,

Esp=[1+0.258×(2.4-1)]×5.65=7.69 MPa。

處理后的地基沉降Sz為：

S=ms×Sc=ms×(Sd+Sc+Ss)。

其中，ms=0.123×γ0.7×(θ×H0.2+θ×H)+Y。

最終計算沉降為9.5 cm，滿足規(guī)范要求。

4 結語

在振沖碎石樁施工完成后，利用標準貫入試驗對路橋過渡段的樁間土進行檢測，檢測結果為處理后樁間土的標貫錘擊數(shù)大于液化判別的臨界錘擊數(shù)，表明通過振沖碎石樁的處理，路橋過渡段地基土的液化性已基本消除，且沉降變形滿足規(guī)范要求，處理效果達到預期要求，因此對于類似工程，本項目具有一定的借鑒意義。