振沖碎石樁處理飽和粉砂液化土層的應(yīng)用研究

姬忠凱JI Zhong-kai；李川LI Chuan

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074）

0 引言

地震發(fā)生時(shí)，在烈度相對(duì)較高的地區(qū)地下砂層經(jīng)常會(huì)發(fā)生液化，常見(jiàn)的現(xiàn)象就是冒砂噴水。飽和砂層液化現(xiàn)象作為地震災(zāi)害常見(jiàn)的一種主要形式，常常會(huì)引起建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)的破壞和地基的不均勻沉降，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡[1]。多年來(lái)經(jīng)過(guò)相關(guān)行業(yè)專家及學(xué)者的探索和實(shí)踐，全部消除地基液化沉陷的措施主要有以下幾種：樁基、加密法和換土法[2]。建（構(gòu)）筑物采用振沖碎石樁法或灌注樁樁基礎(chǔ)消除地基沉陷液化措施，其效果已被大量的震后調(diào)查結(jié)果所驗(yàn)證[3]。楊生彬等根據(jù)飽和砂土液化地基治理試驗(yàn)研究，證明了采用大直徑振沖碎石樁復(fù)合地基對(duì)飽和砂土液化的處理，樁間土、樁體及復(fù)合地基的承載性能、變形參數(shù)及液化處理效果等均有較大的提高，對(duì)相似工程具有一定的借鑒意義[4]。馬玉增等在南水北調(diào)穿漳工程地基處理中，對(duì)振沖碎石樁的施工工藝流程及操作要點(diǎn)、資源配置、質(zhì)量檢測(cè)及控制、安全及環(huán)保措施等進(jìn)行了總結(jié)[5]。本文主要根據(jù)包頭某凈水廠工程的飽和粉砂液化土層，進(jìn)行試樁，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)液化處理的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某生態(tài)治理及南海濕地修復(fù)保護(hù)工程水質(zhì)凈化處理廠位于包頭市，主要建（構(gòu)）筑物為：提升泵房及格柵間（尺寸為25.5m×12.2m，建筑面積343.00m2）、水處理車間（尺寸為22.9m×25.5m，建筑面積887.00m2）、清水池（尺寸為50m×30m，建筑面積1500.00m2）、送水泵房及10kV 變配電間（尺寸為60.2m×25.9m，“L 型”建筑面積872.00m2）、污泥濃縮池及排泥泵房（建筑面積300.00m2）、綜合加藥間及鍋爐房（尺寸為43.7m×10.5m，建筑面積462.00m2）、粗格柵及調(diào)水泵房（尺寸為17.2m×18.2m，建筑面積150.45m2）、附屬用房（尺寸為50.8m×14.9m，建筑面積683.17m2）等8 個(gè)建（構(gòu)）筑物。除綜合加藥間及鍋爐房和附屬用房為獨(dú)立基礎(chǔ)外，其余均為筏板基礎(chǔ)。

2 工程水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地在地貌上屬山前沖洪積平原與黃河沖積平原的交匯地帶。本次勘探深度內(nèi)的地層除表層素填土及耕土外，由上至下按沉積物成因和時(shí)代劃分為第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）地層和第四系上新統(tǒng)沖積（Q3al）地層。依據(jù)工程性質(zhì)及巖性不同，可劃分為五大層，各層分別描述如下：

第①層耕土（Q4pd）：黃褐色，以粉土、粉砂為主，表層含植物根系，天然狀態(tài)下呈松散、稍濕狀態(tài)。該層厚度變化在0.5～1.3m 之間，層底標(biāo)高在999.75～1001.89m 之間。

第①層素填土（Q4ml）：黃褐色，以粉土為主，該層為民房基坑回填土，僅在部分鉆孔揭露，天然狀態(tài)下呈松散、稍濕狀態(tài)。該層厚度變化在1.7～1.9m 之間，層底標(biāo)高在1000.87～1001.07m 之間。

第②層粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：黃褐色，含云母，可塑～軟塑狀態(tài)，干強(qiáng)度中等，局部有粉土、粉砂夾層。該層厚度變化在4.0～6.1m 之間，層底標(biāo)高在994.44～996.79m 之間。

第③層粉砂（Q3al）：灰褐色，含云母，顆粒礦物成分以長(zhǎng)石、石英質(zhì)為主，局部有粉土、細(xì)砂夾層，天然狀態(tài)下呈飽和，稍密狀態(tài)。該層厚度變化在6.0～8.3m 之間，層底標(biāo)高在987.75～988.89m 之間。

第④層粉砂（Q3al）：灰褐色～黑灰色，含云母，顆粒礦物成分以長(zhǎng)石、石英質(zhì)為主，局部有粉土、中砂夾層，天然狀態(tài)下呈飽和，中密狀態(tài)。該層厚度變化在8.7～9.9m 之間，層底標(biāo)高在978.43～979.59m 之間。

第⑤層粉砂（Q3al）：黑灰色，含云母，顆粒礦物成分以長(zhǎng)石、石英質(zhì)為主，局部有粉質(zhì)黏土、中砂夾層，天然狀態(tài)下呈飽和，密實(shí)狀態(tài)。（表1）

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 水文地質(zhì)條件

本場(chǎng)地地下水類型屬于潛水，擬建場(chǎng)地地下水埋深在現(xiàn)地表下0.6～2.6m 之間，絕對(duì)標(biāo)高在1000.03～1001.19m之間。本場(chǎng)地地下水補(bǔ)給主要來(lái)源為大氣降水及地下徑流。場(chǎng)地內(nèi)第③層飽和粉砂、第④層飽和粉砂層存在液化的可能，需采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法進(jìn)行液化判別。該次勘察在場(chǎng)地內(nèi)共選取了5 個(gè)鉆孔分別進(jìn)行了液化判別，經(jīng)計(jì)算，場(chǎng)地內(nèi)第③層飽和粉砂屬于液化土層，液化指數(shù)Ile介于18.6～22.3 之間，液化等級(jí)為嚴(yán)重。

2.3 液化沉陷消除措施

由于本工程抗震設(shè)防類別為乙類，需要全部消除液化沉陷，應(yīng)進(jìn)行地基處理，本工程擬采用振沖碎石樁消除液化沉陷。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)參數(shù)及平面布置設(shè)計(jì)

在擬建場(chǎng)地上（應(yīng)避開(kāi)各擬建建、構(gòu)筑物外擴(kuò)5m 的范圍）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以確定設(shè)計(jì)參數(shù)和處理效果。采用75kW 振沖器，振沖碎石樁直徑800mm，樁長(zhǎng)13m，正三角形布樁。為了使試驗(yàn)合理，為設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參數(shù)，按不同樁間距（2600mm、2300mm、2000mm）分為三組，每組19根，進(jìn)行試驗(yàn)分析。每組試驗(yàn)樁布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 每組試驗(yàn)樁布置圖

3.2 試驗(yàn)方法及目的

試樁施工結(jié)束后，按照相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)圖紙要求檢測(cè)樁體及樁間土的承載性能，同時(shí)對(duì)飽和砂土液化地基處理效果進(jìn)行判定。試驗(yàn)方法主要有：

①單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定經(jīng)碎石樁處理后復(fù)合地基承載力特征值是否滿足設(shè)計(jì)要求。采用慢速維持荷載法，堆載做為反力，堆載配重不小于最大加載量的1.2 倍。通過(guò)油壓千斤頂增加荷載，由位移傳感器測(cè)定沉降量。試驗(yàn)開(kāi)始前，需鑿除部分樁頭至樁頂試驗(yàn)標(biāo)高，樁間土也需要開(kāi)挖至樁頂試驗(yàn)標(biāo)高，在承壓板下鋪設(shè)150mm 厚墊層（中粗砂），將承壓板的中心和樁心對(duì)齊，油壓千斤頂平放于承壓板之上，在承壓板上放置承重平臺(tái)及配重（按照正交直徑方向的原則），然后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的加荷原則逐級(jí)加荷。

②采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行樁間土液化情況判別。原則上在三角形的形心處進(jìn)行樁間土質(zhì)量的檢測(cè)；首先使用鉆機(jī)鉆進(jìn)到擬進(jìn)行試驗(yàn)的土層標(biāo)高以上約150mm，清理孔洞后，然后裝上標(biāo)準(zhǔn)貫入器；錘擊時(shí)采用自動(dòng)脫鉤的自由落錘法；以15～30 擊/min 的速度將標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入擬試驗(yàn)的土層中，先打入150mm 不計(jì)擊數(shù)，繼續(xù)貫入土中300mm進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)記錄錘擊數(shù)N。拔出貫入器，將貫入器中的土樣取出，并對(duì)土樣進(jìn)行鑒別和描述；如果需要進(jìn)行下一深度的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，則繼續(xù)鉆進(jìn)，重復(fù)上述操作步驟。一般每次試驗(yàn)的間隔為1.0m，如果土層厚度小于1.0m時(shí)，那么每層層土均需要進(jìn)行一次試驗(yàn)。

③采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)對(duì)樁體密實(shí)度進(jìn)行檢驗(yàn)。樁體質(zhì)量檢測(cè)位置定在樁中心；錘擊時(shí)采用自動(dòng)脫鉤的自由落錘法；以15～30 擊/min 的速度將標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入擬試驗(yàn)的土層中，先打入150mm 不計(jì)擊數(shù)，繼續(xù)貫入土中100mm進(jìn)行試驗(yàn)，記錄錘擊數(shù)N＇63.5。試驗(yàn)自樁頂至樁底連續(xù)貫入。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范要求，復(fù)合地基承載力特征值的確定原則：①當(dāng)能夠確定p～s 曲線上極限荷載q 時(shí)，當(dāng)極限荷載q 大于等于對(duì)應(yīng)比例界限的2 倍時(shí)，則取該比例界限；當(dāng)極限荷載q 小于對(duì)應(yīng)比例界限的2 倍時(shí)，取極限荷載的1/2；②當(dāng)p～s 曲線為平緩的光滑曲線時(shí)，需要按相對(duì)變形值確定，取s/d 等于0.010 所為應(yīng)的壓力，且所取的承載力特征值不應(yīng)大于最大試驗(yàn)荷載的1/2。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙要求合地基承載力特征值不小于180kPa。

在每組試驗(yàn)樁分別布置一個(gè)單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)點(diǎn)，即SZ1、SZ2 和SZ3，各組試驗(yàn)點(diǎn)p-s 曲線和s-lgt 曲線如圖2~圖4 所示。

圖2 SZ1 試驗(yàn)點(diǎn)p-s 曲線和s-lgt 曲線

圖4 SZ3 試驗(yàn)點(diǎn)p-s 曲線和s-lgt 曲線

SZ1 試驗(yàn)點(diǎn)最大加載到324kPa，總沉降量78.34mm，沉降急劇增大，p-s 曲線為陡降型，s～lgt 明顯向下彎曲。根據(jù)上述復(fù)合地基承載力特征值的確定原則，該試驗(yàn)點(diǎn)單樁復(fù)合地基承載力特征值為162kPa，不符合設(shè)計(jì)要求。SZ2試驗(yàn)點(diǎn)最大加載到360kPa，總沉降量15.56mm，殘余沉降量9.07mm，p-s 曲線為緩變型，s～lgt 無(wú)明顯向下彎曲。根據(jù)上述復(fù)合地基承載力特征值的確定原則，該試驗(yàn)點(diǎn)單樁復(fù)合地基承載力特征值為180kPa，復(fù)合設(shè)計(jì)要求。SZ3 試驗(yàn)點(diǎn)最大加載到360kPa，總沉降量17.13mm，殘余沉降量10.64mm，p-s 曲線為緩變型，s～lgt 無(wú)明顯向下彎曲。根據(jù)上述復(fù)合地基承載力特征值的確定原則，該試驗(yàn)點(diǎn)單樁復(fù)合地基承載力特征值為180kPa，復(fù)合設(shè)計(jì)要求。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

按照規(guī)范要求，在樁間土區(qū)域選取9 點(diǎn)對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，即ZK1~ZK9，經(jīng)綜合判定：ZK1、ZK4、ZK7（樁距2600mm） 輕微液化；ZK2、ZK5、ZK8（樁距2300mm）為輕微液化；ZK3、ZK6、ZK9（樁距2000mm）未液化。

4.3 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

按照規(guī)范要求，對(duì)碎石樁（試樁）復(fù)合地基樁樁體密實(shí)度進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)3 孔，即DT1、DT2 和DT3，試驗(yàn)確定：DT1（樁距2600mm），樁體密實(shí)度為中密；DT2（樁距2300mm），樁體密實(shí)度為中密；DT3（樁距2000mm），樁體密實(shí)度為中密。

綜合以上分析，直徑800mm 振沖碎石樁，樁長(zhǎng)13m，正三角形布樁樁間距2000mm 滿足地基承載力要求，并且可以完全消除液化沉陷。

圖3 SZ2 試驗(yàn)點(diǎn)p-s 曲線和s-lgt 曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)運(yùn)用振沖碎石樁對(duì)某擬建凈水廠工程的飽和粉砂液化地基，進(jìn)行試驗(yàn)工作，取得了豐富的數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下幾個(gè)方面結(jié)論：

①振沖碎石樁施工工藝成熟，對(duì)于飽和粉砂液化地基，當(dāng)上部建（構(gòu)）筑物總體荷載不大或整體性較好時(shí)，可采用振沖碎石樁處理液化現(xiàn)象。②振沖碎石樁復(fù)合地基在設(shè)計(jì)前，應(yīng)在有代表性的場(chǎng)地上進(jìn)行試樁，以確定設(shè)計(jì)及施工參數(shù)。③目前對(duì)碎石樁樁復(fù)合地基的工作性狀可以做進(jìn)一步深入研究。