振沖碎石（砂）擠密樁法處理液化地基分析

侯曉寧

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

振沖碎石（砂）擠密樁法處理液化地基分析

侯曉寧

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

飽和砂土抗液化分析是巖土工程中的一個重要研究課題。目前在眾多的防治液化措施中，碎石樁復合地基因其加固效果好、施工簡便、成本低等特點得到廣泛的應用。碎石樁法處理可液化地基土一般采用振動成樁工藝。地表會因振動密實產(chǎn)生一定的沉降，沉降量的大小與樁間距的設計有關(guān)。而樁間距的大小，又直接影響到地基處理的技術(shù)經(jīng)濟效果。

振沖碎石樁；液化判別；碎石樁液化地基處理樁間距；地表沉降量

文章分析了當前振沖碎石（砂）樁抗液化應用中的優(yōu)缺點，對碎石（砂）樁的抗液化合理樁間距的設計方法進行了分析評價，展示應用碎石（砂）樁復合地基抗液化處理具有廣闊的前景。

振動水沖法是1937年由德國凱勒公司設計制造出的具有現(xiàn)代振沖器雛形的機具，用來擠密砂石地基獲得成功。20世紀60年代初，振沖法開始用來加固黏性土地基，由于用料是碎石，故稱為碎石樁?，F(xiàn)在的振沖碎石（砂）樁擠密法是指碎石樁法和砂樁合稱為粗顆粒土樁，是指用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂擠壓入土孔中，形成大直徑的碎石或砂所構(gòu)成的密實樁體，并和原樁周土組成復合地基的地基處理方法。其大規(guī)模使用的年限雖然不長，但因其加固液化地基效果好、施工簡便、成本低等特點，故在處理砂性土等可液化地基方面得到了廣泛應用，碎石（砂）樁處理可液化地基的有效性已為國內(nèi)外不少實際地震和試驗研究成果所證實。

振沖法加固地基的特點是：機具設備簡單，僅需一臺吊車，一個振沖器。節(jié)約三材、就地取材?？刹捎盟槭?、卵石、砂或礦渣等作為填料。用料具有良好的透水性可加速地基固結(jié)，振沖過程中的預震效應可增加地基抗液化能力。加固速度快，節(jié)約投資。

適用范圍：振沖擠密樁適用于處理砂土和粉土等地基，最適宜水利工程施工，以及建筑結(jié)構(gòu)工程中水位較高且對承載力要求較低的工程。

工藝原理：振動器產(chǎn)生高頻振動，同時啟動水泵，通過噴嘴噴射高壓水流，在邊振邊沖的共同作用下，將振沖器沉到土中的預定深度，經(jīng)清孔后，從地面向孔內(nèi)逐段填入碎石、卵石等填料，使在振動作用下被擠密實，達到要求的密實度后即可提升振動器。

施工順序：定位→成孔→填料→振密→邊提邊上料邊振密→成樁。

材料要求：填料可采用含泥量不大于5%的碎石、卵石、礦渣或其他性能穩(wěn)定的硬質(zhì)材料，不宜使用風化易碎的石料。對30 kW振沖器，填料粒徑宜為20～80 mm;對55 kW振沖器，填料粒徑宜為30～100 mm;對75 kW振沖器,填料粒徑宜為40～150 mm。

砂土液化的現(xiàn)象在日常生活中較為常見，如地震砂土液化、泥石流、流砂等都屬于砂土液化不同的自然形態(tài)，飽和無黏性土或稍具黏性土由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從而失去強度和穩(wěn)定性，稱為液化，液化對工程危害極大，它大多發(fā)生在疏松的飽和粉砂、細砂中。試驗研究表明：液化取決于諸多因素，如土的類型、土的密度、土的結(jié)構(gòu)、土的應力歷史和約束壓力以及地形、地貌、地震加速度等。判別可液化的土,目前應用較多的有臨界標準貫入擊數(shù)、靜力觸探貫入阻力、剪切波速法和抗液化剪應力法。

碎石（砂）樁法用于處理可液化地基，國內(nèi)外也有較多的工程實例。但應注意由于軟黏土含水量高、透水性差，碎石（砂）樁很難發(fā)揮擠密效用，其主要作用是部分置換并與軟黏土構(gòu)成復合地基，同時加速軟土的排水固結(jié),從而增大地基土的強度，提高軟土地基的承載力。在軟黏土中應用碎石（砂）樁法有成功的經(jīng)驗，也有失敗的教訓。因而不少人對碎石（砂）樁處理可液化地基持有疑義，認為黏土透水性差，特別是靈敏度高的土在成樁過程中，土中產(chǎn)生的孔隙水壓力不能迅速消散，同時天然結(jié)構(gòu)受到擾動將導致其剪切強度降低，如置換率不夠高是很難獲得可靠的處理效果的。此外，認為如不經(jīng)過預壓，處理后地基仍將發(fā)生較大的沉降，對沉降要求嚴格的建筑結(jié)構(gòu)難以滿足允許的沉降要求。所以，用碎石（砂）樁處理飽和軟黏土地基，應按建筑結(jié)構(gòu)的具體條件區(qū)別對待，最好是通過現(xiàn)場試驗后再確定是否采用。

碎石樁除了加密作用，也應考慮其排水效應和減震作用,并在抗液化設計中綜合考慮三種效應，從而適當降低工程造價，僅憑借經(jīng)驗考慮擠土加密作用偏保守，造成不必要的浪費。

碎石（砂）樁的平面布置可采用等邊三角形、正方形或長方形。對于砂土地基，因靠碎石（砂）樁的擠密提高樁周土的密度，所以采用等邊三角形更有利，它使地基擠密較為均勻。對于軟黏土地基，主要靠置換，因而選用任何一種均可。振沖碎石樁樁徑宜為800～1 200 mm；碎石（砂）樁處理松砂地基的效果受地層、土質(zhì)、施工機械、施工方法、填砂石的性質(zhì)和數(shù)量、碎石（砂）樁排列和間距等多種因素的綜合影響，較為復雜。國內(nèi)外雖然已經(jīng)有不少實踐，并曾進行了一些試驗研究，積累了一些資料和經(jīng)驗，但是有關(guān)設計參數(shù)如樁距、灌砂石量以及施工質(zhì)量的控制等仍須通過施工前的現(xiàn)場試驗才能確定。

以擠密為主的碎石（砂）樁施工時，應間隔（跳打）進行，并宜由外側(cè)向中間推進；對黏性土地基，碎石（砂）樁主要起置換作用，為了保證設計的置換率，宜從中間向外圍或隔排施工；在既有建（構(gòu)）筑物臨近施工時，為了減少對臨近建（構(gòu)）筑物的振動影響，應背離建（構(gòu)）筑物方向進行。

實際工程中，施工時對地基有振密和擠密雙重作用，而且地面下沉，施工后地面平均下沉量可達100～300 mm。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012），樁間距與要求的復合地基承載力及樁和原地基土的承載力有關(guān)。如按要求的承載力算出的置換率過高、樁距過小不易施工時，則應考慮增大樁徑和樁距。在滿足上述要求條件下，一般樁距應適當大些，可避免施工過大地擾動原地基土，影響處理效果。

采用碎石樁處理方案，樁間距是關(guān)鍵的設計參數(shù)，若樁間距過大，則難以保證消除地基液化；樁間距過小，又會造成不必要的浪費，且施工困難。目前對于碎石樁間距的確定仍以經(jīng)驗為主，一種是直接先假定樁間距，通過驗算復合地基承載力和沉降變形，再對樁間距進行校正；一種考慮功率不同的振沖器；另一種是采用同時考慮砂性土振動擠密時的擠密作用和振密作用而得到的基于孔隙比的計算公式。

1 復合地基承載力要求確定樁間距的方法

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012中復合地基承載力計算公式：

式中：fspk——振沖樁復合地基承載力特征值；fsk——處理后樁間土承載力特征值,宜按當?shù)亟?jīng)驗取值，如無經(jīng)驗時，對于一般黏性土地基可取天然地基基礎承載力特征值，松散的砂土、粉土可取原天然地基承載力特征值的（1.2～1.5）倍；m——樁土面積置換率，即碎石樁面積與影響面積之比。

對于正三角形布樁：de=1.05s

對于正方形布樁：de=1.13s

式中：A和Ap分別為影響面積和樁截面積；d和de分別為樁的平均直徑和等效影響圓的直徑；a和b分別為樁的半徑和等效影響圓半徑；s、s1、s2分別為樁間距、縱向間距和橫向間距。

由復合地基要求達到的承載力標準值就可以推求出樁土置換率，進而可以確定樁間距，然后按照《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）中的標準貫入試驗方法進行樁間土的抗液化校核，若樁間土的標貫錘擊數(shù)大于由規(guī)范算出的臨界值，則設計滿足要求，否則應修改設計方案。樁間土所需滿足的液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr為：

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值；ds為飽和土標準貫入點深度；dw為地下水位；ρc為黏粒含量百分率,當小于3或為砂土時,應采用3;β為調(diào)整系數(shù),設計地震第一組去0.8,第二組取0.95,第三組取1.05。

2 振沖碎石樁間距規(guī)定

振沖碎石樁間距應根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載大小和場地土層情況，并結(jié)合所采用的振沖器功率大小綜合考慮。30 kW振沖器布樁間距可采用1.3～2.0 m; 55 kW振沖器布樁間距可采用1.4～2.5 m；75 kW振沖器布樁間距可采用1.5～3.0 m;不加填料振沖擠密孔距可為2.0～3.0 m。

3 以抗液化要求確定樁間距的方法

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012中規(guī)定等邊三角形布置

式中：ε為修正系數(shù)，當考慮振動下沉密實作用時，可取1.1～1.2；不考慮時，可取1.0；d為樁徑；eo、e1分別為地基處理前和要求達到的孔隙比。

規(guī)范給出的公式僅考慮了碎石樁的加密作用，這種設計方法雖然簡單實用，但形成的設計方案過于保守，造成很大浪費，如果在進行碎石樁的抗液化設計時能綜合考慮到樁體的排水減壓和減震的有利作用，形成的設計方案才更趨向合理化，不僅可以抵抗地震液化，還可以降低工程造價，使施工順利進行。

[1]JGJ79—2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50011—2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[3]GB 50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)[S].