強夯、擠密碎石樁對液化地基的處理

毛景亞 高藝萌

（河南省公路工程局集團有限公司，河南 鄭州 450000）

液化土具有較好的保水性能，含水量接近50%時，泌水非常緩慢。在地基處理過程中，機械振動引起液化之后，表面上的硬水層就像漂在水面上一樣，踩上去跳動，可以引起幾米以外內的漂動。擠密碎石樁就是用相同的夯擊能量和相同的貫入度控制樁體質量，使處理深度范圍內地基土上下均勻。由于施工設備采用高能量實現孔內夯擊填料，對樁底和樁間土施以振動和擠密，使松散砂土顆粒重新排列，可提高砂土的承載力和壓縮模量及消除砂土的液化可能性。

1 液化土形成的原因

1.1 土的液化機理

松散的沙土和粉土，在地下水的作用下達到飽和狀態。如果在這種情況下土體受到震動。土就會變得更緊密的趨勢，這種趨于緊密的作用，使空隙水壓力驟然上升，而在這短暫的震動過程中，驟然上升的空隙水壓力來不及消散，這就使原來由土顆粒間接觸點傳遞的壓力（有效壓力）減小，當有效壓力完全消失時，土層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變成像液體一樣，這就是土的液化現象。

由此可見，發生液化現象，多是松散的砂土和粉土，而且要受到震動和水的作用。

1.2 液化的條件

地質條件。黃淮沖積平原是由歷史上黃河泛濫泥沙沉積而成，經過黃河多次泛濫、大決口，現在這幾層土都處于松散狀態，標準貫入度N值只有3～5擊/0.3m，形成了沿線液化土層的基本條件。

地下水作用。砂土和粉土只有在飽和的狀態下，才會發生液化，而松散的砂土和粉土，在地下水位以下時才能達到飽和狀態。因此，地下水的作用和地下水位的高低是影響液化的重要條件。

在7度地震區域，地下水位高于6.0m，地震時就易發生液化，這就具備了液化形成的必不可少的條件。

外力作用。飽和的砂土和粉土在外力如地震作用下，抗剪強度很快喪失。地震時，土體受到強烈的震動，孔隙水壓力u急劇增高，當u與剪切面上外力作用下的法向應力相等時土體抗剪強度為o，此時，地基失去承載力。

地震烈度愈高的地區，地面震動愈強烈，土層就愈容易液化。

2 液化地基處理措施

液化地基處理的基本原則，就是提高土層密實度和改善排孔孔隙水的條件，增大其透水性。考慮到高速公路與工民建相比有涉及范圍大、發生震害產生的損失小和修復相對容易等特點，從經濟上考慮，可對路段不做全處理，經過試驗段確定了如下方案。

對中等以上的液化地基，大型橋梁采用碎石樁加固；對嚴重的液化地基，構造物基礎原則上以碎石樁處理，若處理段與強夯處理相連接時，采用強夯全幅處理；對高路堤、強夯至坡腳外3.0m;路堤中心兩側各10.0 m范圍內不進行主夯和副夯，只進行滿夯；對于存在軟弱薄層的中等以上可液化段，進行全幅處理。

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實際發生震害時，兩側坡腳往往容易發生噴砂冒水，而導致路基邊坡以外地基和路堤共同沉降和滑移破壞，所以坡腳至邊溝外緣部分需全部進行加固。對于一般路基，根據一般路基，根據液化產生的規律，中心線兩側各10m范圍內不做處理。

2.1 強夯處理

強夯的作用機理。強夯法是通過錘自落下，在極短時間內對土體施加一個巨大的沖擊能量，這種沖擊能又轉化成各種波型，使土體強制壓縮、振密、排水固結和預壓變形，從而使土顆粒趨于更加穩固的狀態，以達到地基加固的目的。

強夯的施工。強夯主要有兩種類型的機械一種是起重能力50t的覆帶吊，另配18～20t的鑄鐵錘。另一種是20～25 t起重能力的吊機配16～20t的夯錘，這種夯機吊臂頂上須配輔助門架。因此，每個夯點需移動一次吊機，而且移動速度緩慢，效率極低。相比較使用大噸位吊，移動方便，每移一次機可打3～4個夯點，效率要比帶龍門架的夯機高出近一倍。

夯點布置和夯機遍數。夯點采用正方形布置，夯擊能對應的間距分別為4.0m、4.5m、5.0m。滿夯時夯點搭接1/4徑，夯擊遍數為3遍。第一遍為主夯，間隔72h，待孔隙水壓力消失后進行副夯，然后間隔約72h后進行第三遍夯擊，及滿夯。施工中，應根據土質情況，間隔時間有所變化。

墊層設置。因為機械震動很容易引起表面破壞和地基液化冒漿，承載力下降，機械下陷行進困難，同時夯坑過深起錘困難。根據試驗段總結經驗，設計應增加強夯碎石墊層。

墊層的作用主要是:支承強夯機械的行走；形成應力擴散層，利于夯擊能的傳播，利于表層水的排出；加大夯坑底與地下水之間的距離，避免夯坑翻漿。實踐證明，墊層的作用是很明顯的。

墊層在主、副夯地段厚度為1.0m，滿夯時為25～30cm。

2.2 擠密碎石樁處理

擠密碎石樁的原理。擠密碎石是依靠振沖器的強力振動，使液化土顆粒重新排列，振動密實，另一方面依靠振沖器的水平振動力，在加碎石填料的情況下，通過碎石使土層擠壓密實。碎石樁與樁間土體形成復合樁從而提高地基承載力。碎石樁也提供了豎向排水通道，利于土層的排水團結。

施工中采用DZ60兩種走管式振動沉樁機，振動錘有354t和45t兩種，激振力不小于28t。樁管內徑有377mm和426m兩種，管端設平底活瓣樁頭，樁管設二次投料口。

樁機起動電流達80A，每臺樁機須配備120kW發電機一臺，當使用一臺160kW發電機帶2臺樁機時，要注意錯開起動時間，否則發電機將會因負荷過大，而發生故障。

填料。制作狀體的填料宜就地取材，如碎石、卵石、砂礫、礦渣等等均可使用，但不宜采用風化石塊。填料的最大粒徑一般不大于0.5cm。粒徑太大不僅容易卡孔，而且能使振沖器外殼強烈磨損。

工藝要點。碎石樁施工分為三次投料，從第一投料口、第二投料口和孔口分別投料，投料總量嚴格按設計控制。第一次投料量，當樁管為377mm時為50%，426mm時為64%，反插振動3～4次；待碎石全部投入后，開啟第二投料至灌滿樁管反插2～3次（深度不超過1/2樁長）至料全部投出；然后進行孔口補料，反插3～4次，至設計用料全部投出為止。

施工工效。據統計，一般情況下，一臺樁機完成一根樁約20～25min，一個臺班每臺樁機正常情況下完成20～30根樁。

3 處理效果的檢驗

3.1 標準貫入法

標準貫入法試驗是用質量為63.5kg的穿心錘，以76cm落距，將一定規格尺寸的標準貫入器打入土中15cm，再打30cm。后30cm的錘擊數即為標準貫入的指標N。

3.2 瑞利波法

瑞利波法是通過錘擊作為振動源，然后在距錘擊處一定距離內設置檢波器，記錄所在位置的波形，再通過頻譜分析和濾波技術等分離出不同波長的振動到所在位置的時間差，求得不同波長的瑞利波波速。而不同波長的瑞利波波速反映不同深度范圍內的土層性質，由此可推出不同深度土層的瑞利波波速和剪切波波速。

4 結語

強夯法與碎石樁在沿海高速路基工程的成功應用開辟了砂土液化處理的新途徑。通過施工，我們的體會是強夯法與碎石樁相比較，更為經濟，而且施工速度快，與振沖碎石樁相比，該技術工藝先進、地基處理效果好、經濟效益明顯。

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