振沖碎石樁處理嚴重液化地基的應用研究

冀健紅，姜璇，刁慧賢

（1.河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450008；2.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450007）

1 引言

振沖碎石樁是利用振沖器振動結合高壓水沖將振沖器逐漸沉入土中成孔，然后向孔內逐段填入碎石料并用振沖器振擠密實制成碎石樁體，形成樁體和樁間土共同工作的復合地基。振動水沖法（振沖法）由德國Keller公司于1937年首次用于處理松砂地基，1977年引進中國后即迅速推廣。大量工程實踐已充分驗證了振沖碎石樁復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，合理進行振沖碎石樁復合地基的液化檢驗和判別，仍然沒有很好地解決。

國內主要采用《建筑抗震設計規范》給出的液化判別法（以下簡稱規范法），該法規定：振沖碎石樁加固后，樁間土的標準貫入錘擊數不宜小于液化判別標準貫入錘擊數的臨界值Ncr。在此基礎上，何廣訥考慮了排水效應和應力集中效應，對標準貫入錘擊數臨界值進行修正，提出了功效當量標貫法。

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

對緬甸某高地震烈度區嚴重液化場地采用振沖碎石樁復合地基進行處理，結合規范法和功效當量標貫法對試樁地基進行液化判別，確定合理的工程樁設計參數，并對工程樁地基再次進行液化判別。

2 振沖碎石樁復合地基的抗液化機理

振沖碎石樁復合地基抗液化的作用主要表現在以下4個方面：①樁間土的擠密效應。碎石樁在成孔、成樁過程中對周圍土體存在振動擠密作用，增強了樁間土的密實度。②樁體應力集中效應。碎石樁的剛度遠大于樁間土，在荷載作用下，二者協調變形，地震水平剪應力多集中在樁體上，樁間土的地震剪應力較小。③碎石樁的排水效應。碎石樁為復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預震效應。振沖碎石樁施工過程中的振動改變了樁間土料的骨架結構，相當于給其提供了預震功效，提高其抗液化的能力。

3 振沖碎石樁復合地基的液化判別方法

3.1 規范法

《建筑抗震設計規范》給出在地面下20 m深度范圍內，液化判別標準貫入錘擊數臨界值Ncr按式（1）計算。

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

式（2）中：N0—標準貫入錘擊數基準值；β—調整系數；ds—標準貫入點深度（m）；dw—地下水位（m）；ρc—黏粒含量百分率；Ni、Ncri—i點標準貫入錘擊數的實測值和臨界值；di—i點所代表的土層厚度；Wi—i土層單位土層厚度的層位影響權函數值。

該法僅考慮了樁間土的擠密效應，判別結果偏于保守。

3.2 功效當量標貫法

何廣鈉在規范法的基礎上，綜合考慮碎石樁排水效應和應力集中效應，對標準貫入錘擊數臨界值Ncr進行修正，提出了功效當量標貫判別法。

樁體應力集中效應的減震系數ητ按式（3）計算。

碎石樁排水減壓功效的液化折減系數ημ按式（4）計算。

綜上所述，振沖碎石樁復合地基液化判別的功效當量標貫法判別式為：

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

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

該法綜合考慮了碎石樁復合地基的多種抗液化功效，且計算方便、工程實用性強，但由于兩個折減系數僅由少數的試驗資料定量，實際工程中需注意選用合適的分項安全系數。

4 工程實例

4.1 地質條件

緬甸某工程場地屬于海岸堆積地貌，勘測深度內揭露6個主層、4個亞層，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，地震動峰值加速度為0.30 g，設計地震分組為第三分組，液化土層為層①、②、②1、③、③1，均為粉細砂。

表1 土層主要物理力學指標推薦值表

試驗孔53、54、55按式（1）、（2）進行液化判別，N0取16，β取1.05，ρc取3，dw取0，計算結果如表2所示，IlE平均值＞18，嚴重液化。

表2 天然土層液化指數計算表

4.2 試樁

工程液化土層為粉細砂，其黏粒含量8%～19%，粉粒含量8%～28%，滲透系數1.20×10-3～5.00×10-3cm/s，擬采用振沖碎石樁進行地基處理，樁徑φ為800 mm，等邊三角形布樁，樁端至層③1粉細砂下界，試樁范圍約13 m×13 m。擬定三個試樁方案，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后進行試樁檢測，標準貫入試驗結果如表3所示，按規范法進行計算液化指數，結果如表4所示。

表3 試樁檢測的標貫擊數表

表4 規范法液化指數計算表

可以看出：①振沖碎石樁處理后的液化指數顯著降低。②方案二的液化指數最低，說明樁間距1.80 m較合適。③表3數據顯示只有中上部土層的標貫擊數顯著提高，而中下部土層的標貫擊數沒有提高，究其原因，一是中下部的粉細砂中黏粒含量多，約12%～19%，可能導致樁間土的擠密效果差；二是碎石樁樁端至層④1粉質黏土上界，導致成孔時碎石樁可能進入層④1，該層軟塑～可塑，黏聚力僅12 kPa，不易成樁，導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，仍為嚴重液化，顯然這個結論未能反映出碎石樁復合地基全部的抗液化能力，結論不合理，因此采用功效當量標貫法進一步進行液化判別。m=0.18，n=2，I=8，K1=K2=1.10，計算結果如表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 功效當量標貫法液化指數計算表

4.3 工程樁

工程樁設計方案：樁徑φ800 mm，等邊三角形布樁，樁間距1.80 m，樁端距層④1粉質黏土上界大于2.00 m。

根據工程樁的標準貫入試驗結果，采用規范法計算IlE平均值=13.60，中等液化，采用功效當量標貫法判別為不液化。

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，增強了其抗液化的能力。

5 結語

①振沖碎石樁處理黏粒含量8%～19%的液化粉細砂地基是可行的，可以顯著降低液化指數。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振沖碎石樁樁端應進入較好的土層，如無法滿足，樁端應距軟弱土層有一定的安全距離。④對于高地震烈度區嚴重液化場地的振沖碎石樁復合地基，采用規范法判別容易出現不合理現象，需綜合考慮其抗液化功效，結合其他判別方法進行判定。⑤與試樁小范圍布樁相比，大面積布置工程樁時，樁間土的擠密效果顯著增強。