振沖碎石樁處理嚴(yán)重液化地基的應(yīng)用研究

冀健紅，姜璇，刁慧賢

（1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008；2.中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007）

1 引言

振沖碎石樁是利用振沖器振動(dòng)結(jié)合高壓水沖將振沖器逐漸沉入土中成孔，然后向孔內(nèi)逐段填入碎石料并用振沖器振擠密實(shí)制成碎石樁體，形成樁體和樁間土共同工作的復(fù)合地基。振動(dòng)水沖法（振沖法）由德國Keller公司于1937年首次用于處理松砂地基，1977年引進(jìn)中國后即迅速推廣。大量工程實(shí)踐已充分驗(yàn)證了振沖碎石樁復(fù)合地基抵抗地震液化的顯著功效，但如何反映其抗液化的成效，合理進(jìn)行振沖碎石樁復(fù)合地基的液化檢驗(yàn)和判別，仍然沒有很好地解決。

國內(nèi)主要采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的液化判別法（以下簡稱規(guī)范法），該法規(guī)定：振沖碎石樁加固后，樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的臨界值Ncr。在此基礎(chǔ)上，何廣訥考慮了排水效應(yīng)和應(yīng)力集中效應(yīng)，對標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值進(jìn)行修正，提出了功效當(dāng)量標(biāo)貫法。

國外主流判別方法是seed簡化法，其判斷依據(jù)：循環(huán)阻力比（CRR）大于循環(huán)應(yīng)力比（CSR），則場地飽和砂土不液化，否則為液化。在此基礎(chǔ)上，方磊考慮了排水效應(yīng)和應(yīng)力集中效應(yīng)，提出了一種適用于碎石樁復(fù)合地基的修正“seed簡化法”；周元強(qiáng)考慮了應(yīng)力集中效應(yīng)，提出了一種適用于碎石樁復(fù)合地基的液化判別方法。

對緬甸某高地震烈度區(qū)嚴(yán)重液化場地采用振沖碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，結(jié)合規(guī)范法和功效當(dāng)量標(biāo)貫法對試樁地基進(jìn)行液化判別，確定合理的工程樁設(shè)計(jì)參數(shù)，并對工程樁地基再次進(jìn)行液化判別。

2 振沖碎石樁復(fù)合地基的抗液化機(jī)理

振沖碎石樁復(fù)合地基抗液化的作用主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①樁間土的擠密效應(yīng)。碎石樁在成孔、成樁過程中對周圍土體存在振動(dòng)擠密作用，增強(qiáng)了樁間土的密實(shí)度。②樁體應(yīng)力集中效應(yīng)。碎石樁的剛度遠(yuǎn)大于樁間土，在荷載作用下，二者協(xié)調(diào)變形，地震水平剪應(yīng)力多集中在樁體上，樁間土的地震剪應(yīng)力較小。③碎石樁的排水效應(yīng)。碎石樁為復(fù)合地基提供了排水減壓通道，通過碎石樁排水限制了樁間土中超孔隙水壓力的增長。④預(yù)震效應(yīng)。振沖碎石樁施工過程中的振動(dòng)改變了樁間土料的骨架結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于給其提供了預(yù)震功效，提高其抗液化的能力。

3 振沖碎石樁復(fù)合地基的液化判別方法

3.1 規(guī)范法

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》給出在地面下20 m深度范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr按式（1）計(jì)算。

N≥Ncr，不液化；N＜Ncr，液化，然后按式（2）計(jì)算每個(gè)鉆孔的液化指數(shù)IlE，綜合劃分地基的液化等級。

式（2）中：N0—標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；β—調(diào)整系數(shù)；ds—標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度（m）；dw—地下水位（m）；ρc—黏粒含量百分率；Ni、Ncri—i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測值和臨界值；di—i點(diǎn)所代表的土層厚度；Wi—i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值。

該法僅考慮了樁間土的擠密效應(yīng)，判別結(jié)果偏于保守。

3.2 功效當(dāng)量標(biāo)貫法

何廣鈉在規(guī)范法的基礎(chǔ)上，綜合考慮碎石樁排水效應(yīng)和應(yīng)力集中效應(yīng)，對標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr進(jìn)行修正，提出了功效當(dāng)量標(biāo)貫判別法。

樁體應(yīng)力集中效應(yīng)的減震系數(shù)ητ按式（3）計(jì)算。

碎石樁排水減壓功效的液化折減系數(shù)ημ按式（4）計(jì)算。

綜上所述，振沖碎石樁復(fù)合地基液化判別的功效當(dāng)量標(biāo)貫法判別式為：

式（5）中：K1、K2—分項(xiàng)安全系數(shù)；m—樁體置換率；n—樁土應(yīng)力比；I—場地的地震烈度。

N≥（Ncr）F，不液化；N＜（Ncr）F，液化，然后按式（2）計(jì)算每個(gè)鉆孔的液化指數(shù)IlE，綜合劃分地基的液化等級。

該法綜合考慮了碎石樁復(fù)合地基的多種抗液化功效，且計(jì)算方便、工程實(shí)用性強(qiáng)，但由于兩個(gè)折減系數(shù)僅由少數(shù)的試驗(yàn)資料定量，實(shí)際工程中需注意選用合適的分項(xiàng)安全系數(shù)。

4 工程實(shí)例

4.1 地質(zhì)條件

緬甸某工程場地屬于海岸堆積地貌，勘測深度內(nèi)揭露6個(gè)主層、4個(gè)亞層，巖土工程特性如表1所示。地下水埋深較淺，低洼處到地面。工程位于地震烈度VIII度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.30 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三分組，液化土層為層①、②、②1、③、③1，均為粉細(xì)砂。

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)推薦值表

試驗(yàn)孔53、54、55按式（1）、（2）進(jìn)行液化判別，N0取16，β取1.05，ρc取3，dw取0，計(jì)算結(jié)果如表2所示，IlE平均值＞18，嚴(yán)重液化。

表2 天然土層液化指數(shù)計(jì)算表

4.2 試樁

工程液化土層為粉細(xì)砂，其黏粒含量8%～19%，粉粒含量8%～28%，滲透系數(shù)1.20×10-3～5.00×10-3cm/s，擬采用振沖碎石樁進(jìn)行地基處理，樁徑φ為800 mm，等邊三角形布樁，樁端至層③1粉細(xì)砂下界，試樁范圍約13 m×13 m。擬定三個(gè)試樁方案，方案一：樁間距1.60 m；方案二：樁間距1.80 m；方案三：樁間距2.00 m。

成樁10 d后進(jìn)行試樁檢測，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，按規(guī)范法進(jìn)行計(jì)算液化指數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表3 試樁檢測的標(biāo)貫擊數(shù)表

表4 規(guī)范法液化指數(shù)計(jì)算表

可以看出：①振沖碎石樁處理后的液化指數(shù)顯著降低。②方案二的液化指數(shù)最低，說明樁間距1.80 m較合適。③表3數(shù)據(jù)顯示只有中上部土層的標(biāo)貫擊數(shù)顯著提高，而中下部土層的標(biāo)貫擊數(shù)沒有提高，究其原因，一是中下部的粉細(xì)砂中黏粒含量多，約12%～19%，可能導(dǎo)致樁間土的擠密效果差；二是碎石樁樁端至層④1粉質(zhì)黏土上界，導(dǎo)致成孔時(shí)碎石樁可能進(jìn)入層④1，該層軟塑～可塑，黏聚力僅12 kPa，不易成樁，導(dǎo)致樁體中下部的填料向下沉而非徑向擠入周圍土體，所以樁間土擠密效果差。④方案二IlE平均值＞18，仍為嚴(yán)重液化，顯然這個(gè)結(jié)論未能反映出碎石樁復(fù)合地基全部的抗液化能力，結(jié)論不合理，因此采用功效當(dāng)量標(biāo)貫法進(jìn)一步進(jìn)行液化判別。m=0.18，n=2，I=8，K1=K2=1.10，計(jì)算結(jié)果如表5所示，6＜IlE平均值≤18，中等液化。綜合判定方案二處理后的地基為中等液化。

表5 功效當(dāng)量標(biāo)貫法液化指數(shù)計(jì)算表

4.3 工程樁

工程樁設(shè)計(jì)方案：樁徑φ800 mm，等邊三角形布樁，樁間距1.80 m，樁端距層④1粉質(zhì)黏土上界大于2.00 m。

根據(jù)工程樁的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果，采用規(guī)范法計(jì)算IlE平均值=13.60，中等液化，采用功效當(dāng)量標(biāo)貫法判別為不液化。

可以看出，工程樁的樁長縮短且大面積布樁，有效提高了樁間土的擠密效果，增強(qiáng)了其抗液化的能力。

5 結(jié)語

①振沖碎石樁處理黏粒含量8%～19%的液化粉細(xì)砂地基是可行的，可以顯著降低液化指數(shù)。②振沖碎石樁并非樁間距越小，樁間土擠密效果越好，而是存在最佳樁間距。③振沖碎石樁樁端應(yīng)進(jìn)入較好的土層，如無法滿足，樁端應(yīng)距軟弱土層有一定的安全距離。④對于高地震烈度區(qū)嚴(yán)重液化場地的振沖碎石樁復(fù)合地基，采用規(guī)范法判別容易出現(xiàn)不合理現(xiàn)象，需綜合考慮其抗液化功效，結(jié)合其他判別方法進(jìn)行判定。⑤與試樁小范圍布樁相比，大面積布置工程樁時(shí)，樁間土的擠密效果顯著增強(qiáng)。