SDS樁處理飽和土層液化應用研究

吳清星 劉玉蕊 侯維杰 吳亞明 郭非凡 靳文博 崔曉亮 劉鵬飛 張孬

摘要：為了研究雙向螺旋擠土灌注樁（SDS樁）在飽和土層輕微液化處理中的應用效果，利用PFC軟件針對SDS樁的工作原理進行數值分析，并通過工程實例進行效果驗證。結果表明：雙向螺旋擠土灌注樁可以壓密周圍土體，減小土體孔隙比，一次性做到提高地基承載力與消除液化;雙向螺旋擠土灌注樁的擠密效果具有明顯的距離效應，距離擴孔位置越近，擠密效果越好;在砂層中的擠密效果較黏性土更加明顯，擠密后砂土的標貫擊數明顯增加，而黏性土變化較小。6d間距以外標貫擊數基本不受影響。

關鍵詞：雙向螺旋擠土灌注樁;飽和土層;液化處理

中圖分類號：F293 文獻標識碼：A

文章編號：1001-9138-（2022）05-0066-07 收稿日期：2022-05-02

作者簡介：吳清星，河南省有色工程勘察有限公司，總工程師;豫地科技集團有限公司、河南省地質研究院，教授級高級工程師。

劉玉蕊，河南省地質研究院，教授級高級工程師。

侯維杰，通訊作者，河南省有色工程勘察有限公司，工程師。

吳亞明、郭非凡、靳文博、崔曉亮、劉鵬飛、張孬，河南省有色工程勘察有限公司。

1 引言

地基液化是指飽和松砂或粉土的孔隙水壓力在強烈振動荷載作用下驟然上升，土體有效應力減小為零，完全喪失抗剪強度和承載能力，變成像液體一樣的狀態。地基液化會引起地面噴水冒砂、地基不均勻沉陷、地裂或土體滑移，造成建筑物破壞。因此，對于可液化地基，必須采取一定的抗液化措施以消除地基液化產生的不良影響。

雙向螺旋擠土灌注樁（SDS樁）是由中國京冶工程技術有限公司、中冶建筑研究總院有限公司劉鐘主持完成的新樁型。通過機械壓力擠擴工藝，將樁孔中的土體擠壓至樁孔周圍土體中，形成圓柱擠土型灌注樁。該施工方法的擠密作用，可以在消除地基液化方面起到一定的作用，一次性做到提高地基承載力與消除液化。SDS樁的擠土效應，已有了一些研究成果。李志毅通過現場試驗發現SDS樁的擠土效應主要在距樁位中心4倍樁徑范圍內，土的壓縮性越高，擠土范圍越大。鄧益兵通過模型試驗與顆粒流數值模擬對砂土層中螺旋擠擴鉆具下旋成孔過程進行了研究，螺旋擠擴鉆具的擠擴作用主要在距鉆孔中心2.5D范圍內，且均質土層中豎向應力越大，對土體擠擴范圍越大;隨著掘進旋轉速度比的增加，可以增大土體擾動范圍，將徑向位移傳遞至更遠處，史旦達的研究發現了類似的結果。本文通過PFC軟件對SDS樁的工作原理進行了數值分析，并結合鄭州地區的工程實例，針對SDS樁對飽和土層輕微液化的處理效果進行了驗證。

2 SDS樁數值分析

從微觀角度考慮，SDS樁的主要工作原理就是擠土擴孔后，由于樁周土體密度增加，進而增加樁周土體物理力學性質的同時，在灌注混凝土后回彈變形進而產生較大的樁身側阻力，以達到提高樁體承載力之目的。為了更好的分析擠擴過程中周圍土體的變化，采用PFC軟件中墻體的運動模擬SDS樁的施工過程。

2.1 數值模型

相較于土體顆粒而言，整個樁體長度較大，本文對于數值模型進行了一定的簡化，截取一部分進行分析。數值模型如圖1所示。紅色粒狀體為擴孔擠入土體，藍色粒狀體為原始地層，其中模型中共包含紅色球體116個，藍色球體2200個，模型長高均為2m。模型中球體粒徑大小分別為0.05～0.1cm，粒徑大小分布形式為正態隨機分布，模型總體初始孔隙比為0.1 （此處孔隙比為二維狀態下孔隙比，非土力學中所論述的三維狀態下土的孔隙比）。

為對SDS成樁過程進行分析，在PFC模型中不同部位設置3個測量圓，測量不同部位的孔隙比變化，以用于分析在擠土過程中樁體周圍土體三相性質變化。其中測量圓分布如圖2所示。

2.2 模擬結果與分析

設定左側墻體行進速度為0.25cm/s，用于模擬雙螺旋擠土過程。不同時間段下的模型變化如圖3所示。

由圖3可知，隨著左邊墻體的逐漸右移，與墻體接近的顆粒體相應向右移動，進而逐漸壓密土體，達到SDS雙螺旋樁體擴孔壓密土體進而提高樁體承載力的目的。不同時間段不同測量圓中土體孔隙比變化如圖4所示。

由圖4可知，SDS樁雙螺旋擴孔過程中，對于其孔周土體將產生一定的影響，主要表現為以下幾點：

（1）距離擴孔位置越近，土體所受擾動越大。測量圓1、2、3所處位置不同，其孔隙比變化不同，并表現出距離越近，孔隙比降低值越大的趨勢。

（2）固定位置土體孔隙比變化隨擴孔距離增加而變化。隨著加載時間的增加，單個測量圓處孔隙比表現出明顯降低，后期逐漸保持不變的趨勢，即在周圍土體的約束作用下，測量圓處土體在壓密至一定程度后，無法再次壓密，此時主要為土體顆粒向周邊土體傳遞擴孔壓力。

（3） SDS擴孔效應具有明顯的距離效應。隨著距擴孔距離的增加，土體孔隙比變化量逐漸降低，即擠土效應具有一定的距離效應。

3 工程實例

3.1 工程概況

海爾（鄭州）創新產業園空調項目位于鄭州市南三環與京珠東環路交叉口東南角，東臨經開第二十二大街，南臨經南八路。根據中冶集團武漢勘察研究院有限公司勘察報告，本場地屬于輕微液化場地。設計樁基類型為SDS樁，樁徑500mm，有效樁長不小于16m，樁端進入持力層不小于2D，單樁豎向抗壓承載力特征值1050kN，樁身混凝土強度C30，鋼筋籠長度大于等于有效樁長的2/3。

3.2 試驗方案

為了驗證SDS樁對樁周可液化土層的擠土正效應，即考察其降低液化等級的程度或達到消除液化的目的，試驗分兩階段進行。首先進行場地液化程度的復核，在試驗樁施工前于134#進行重新標貫試驗和顆分檢驗。試驗樁施工完成，達到檢測條件后，通過低應變法對樁身完整性進行檢測，檢測其樁身缺陷程度及位置，判定樁身完整性類別。通過單樁承載力試驗檢測其承載力。通過取樣和標貫試驗判別樁周土體液化處理效果。該項目設計樁徑d為500mm，設計試驗點間距均為d的倍數，且沿圍繞試驗樁的圓弧進行設置。樁周擠土試驗點布置如圖5所示。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 場地液化復核結果

經復核，場地液化等級按抗震規范的評判方法評價結果如表1所示。場地屬輕微液化，與原勘察報告的結論一致。

3.3.2 SDS樁檢測結果

河南省創新工程質量檢測有限公司對單樁承載力檢驗均采用豎向抗壓靜載試驗，樁檢前后的樁身完整性檢測（低應變法）均為I類樁（完整樁）。單樁豎向抗壓結果如表2所示。

顯然，擠土后樁承載力均滿足設計要求，且沉降量較小，均在7.48mm以內。

3.3.3 樁間土擠土效應分析

通過對試驗樁施工各點位按標貫試驗結果的再次液化判別，結果顯示均為無液化。以4-1試驗點為例，其液化判別如表3所示。

將試驗樁施工后的試驗點標貫擊數按樁間距和地層分別進行平均匯總如表4所示。

將擠密作用前后地層的標貫按與試驗間距和地層的不同匯制成圖如圖6所示。

從以上標貫對比，可以看出：（1）淺部液化基本消除;（2）擠土后上部粉砂、粉土地層的標貫擊數普遍增加，且在2d間距內提高明顯;而下部基本有降低的趨勢，孔距在2d以內降低較明顯，在2d～5d之間以內的地層標貫擊數逐步提高，在5d～6d之間，變化較小;（3）在黏性土處標貫擊數在擠土后變化較小;（4）6d間距以外標貫擊數基本不受影響，統計顯示的數據誤差應屬于地層自身的不均勻性的體現;（5）砂性土中擠密效應較黏性土更為明顯。

4 結論

本文通過PFC軟件數值模擬以及工程實例驗證，針對雙向螺旋擠土灌注樁在飽和土層輕微液化處理中的應用效果進行了研究。結論如下：

（1）雙向螺旋擠土灌注樁在擴孔過程中逐漸壓密周圍土體，減小土體孔隙比，在提高承載力的同時可以處理飽和土層的輕微液化。

（2）雙向螺旋擠土灌注樁的擠土效果隨著距離的增加而逐漸減小。距離擴孔位置越近，土體所受擾動越大，孔隙比降低值越大。

（3）雙向螺旋擠土灌注樁在砂層中的擠密效果較黏性土更加明顯。擠密后砂土的標貫擊數明顯增加，而黏性土變化較小。6d間距以外標貫擊數基本不受影響。

參考文獻：

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