浅谈碎石桩处理振动液化地基

浅谈碎石桩处理振动液化地基
张贵财
摘要:碎石桩在震动液化地基处理中加固机理及施工方法，文章在阐述碎石桩加固机理的基础上, 通过地基处理前后桩间土物理力学性质、标准贯入试验、静力触探试验及重型动力触探试验测试结果的对比分析,对碎石桩加固液化砂土地基的效果进行了评价,为类似工程提供了经验。　
关键词:碎石桩；振冲法;标准贯入试验；静力触探试验；重型动力触探试验
一、概述
在铁路路基施工中,经常会遇到铁路穿越一些工程地质条件不良的软土地带,这些软土对路基稳定性的危害是极其严重的。
碎石桩是以碎石(卵石)为主要材料制成的复合地基加固桩。碎石桩在国外统称为散体桩或粗颗粒土桩。所谓散体桩是指无粘结强度的桩，由碎石桩和桩间土组成的复合地基可称为碎石桩复合地基。目前在国内外广泛应用碎石桩复合地基处理震动液化地基，碎石桩可用于砂土、粉土、粉质黏土、松软土、素填土和杂填土等地基以及可液化地基。
碎石桩是散体桩的一种，按其制桩工艺可分为振冲(湿法)碎石桩和干法碎石桩两大类。
振动水冲法是1937年由德国凯勒公司设计制造出的具有现代振冲器雏形的机具，用来挤密砂土地基获得成功。20世纪60年代初，振冲法在德国开始用来加固粘性土地基，由于填料是碎石，故称为碎石桩，之后，在各国推广应用。
我国应用振冲法始于1977年，在坝基、道路、桥涵、大型厂房及工业与民用建筑地基处理中，振冲法均已得到了广泛的应用。因振冲碎石桩有泥水污染环境，在城市和已有建筑物地段的应用受到限制，且有软化土的作用。
从80年代开始，各种不同的施工工艺相应产生。如锤击法、振挤法、干振法、沉管法、振动气冲法、袋装碎石法、强夯碎石柱置换法等。虽然这些方法的施工不同于振动水冲法，但是，同样可以形成密实的碎石桩，所以碎石桩的内涵扩大了。从制桩工艺和桩体材料方面也进行了改进，如在碎石桩中添加适量的水泥和粉煤灰(称为水泥粉煤灰碎石桩，即CFG桩)，或添加铝土矿湿泥等，使桩体获得一定程度的胶结强度。这种碎石桩按力学特性已属柔性桩，但是，按制桩工艺也属于法碎石桩的范畴。各种碎石桩只要制成的是以碎石科组成的桩体，均可称为碎石桩。各种干法碎石桩施工技术蓬勃发展，与湿法碎石桩并存，是碎石桩技术发展的特色之一。
碎石桩软基处理技术成为铁路工程建设中一个较为重要的环节，也是确保工程质量和安全的关键因素。碎石桩由于具有施工方便、成本低廉、加固效果好等优点,在软土地基的加固处理中得到了广泛应用,并逐渐发展成为一种应用广泛的抗震防液化加固手段,而且这种加固技术的有效性已经得到实际地震的证实。本文将对碎石桩加固机理进行深入阐述,并在此基础上结合具体工程实例,对碎石桩加固砂土震动液化地基的效果进行评价。
二、碎石桩处理软土地基的作用机理
碎石桩对液化土地基的加固主要表现为如下几个方面，其加固机理通常有挤密、振密、排水、预振、置换等作用。
1、挤密作用
下沉桩管时桩管对周围土体产生很大的横向压力,将土体中等于桩管体积的土挤向周围土体使之密实;灌注碎石后振动、反插也使周围土体受到挤密,从而提高了地基强度。
2、振密作用
在成桩过程中,激振器产生的振动通过导管传递给土层,使其附近的饱和土地基产生振动孔隙水压力,导致部分土体液化,土颗粒重新排列趋向密实,从而起到振密作用。
3、置换作用
桩间土对桩体有约束作用，所以碎石柱体的强度高、模量大，在刚性基础作用下，地基中的应力按模量大小进行分配，因此，桩上应力集中是复合地基承强力提高的第二因素。
侧向约束力对碎石桩性状影响至关重要，如桩侧土对碎石柱的约束力很小，不但形不成应力向桩体集中，而且还影响碎石桩对桩间土的挤密作用。
如：如果把碎石置在液体中，由于液体对桩的约束力接近零，所以，在无约束力的环境下不能形成碎石桩体而坍塌；如果把碎石置在刚性筒中，由于约束力很大，其模量也很大，桩体变形很小，这样仅靠桩也能承担外载荷。这只是说明桩侧土对碎石桩的侧向约束力是影响碎石桩加固效果的重要因素。
在实际工程中，饱和软土粒间结合力强，渗透性差，孔隙水很难排出土体，在外力作用下，挤向四周的土体挤压周围土体，使土体产生侧移和地表的隆起，刚度较大的碎桩体置换桩体部位的软土形成复合地基。而碎石桩的刚度比桩间土的刚度大，在荷载作用下，为了保持桩土变性的协调，地基中的应力向桩身发生集中，从而相应减小了桩间土承受的应力，使复合土体的承载力较原地基有所提高，沉降量得到下降。因此，碎石桩的挤密效应越显著，桩间土对桩的约束力也越大，地基加固效果也越显著。
桩的挤密、振密作用和桩的置换作用是相辅相成的、互为依托的，而桩的置换作用的大小主要取决于桩侧土对桩体的约束力。
4、排水作用
在碎石桩的制桩过程中，由于振动、挤压和扰动等因素，桩间土会出现较大的附加孔隙水压力，从而导致原地基土强度降低。一旦制桩结束后，一方面原地基土的结构强度会随时间逐渐恢复，另一方面，孔隙水压力会向桩体转移消散，其结果是有效应力增加，强度提高和恢复，甚至会超过原土体的强度。如果选用反滤性和渗透性都较好的碎石桩，则所形成的碎石桩是地基土中的一个良好的排水通道，它能起到排水砂井的作用，使得土体固结排水路径大大缩短，固结速度大大提高，土体的强度和对桩体的约束能力也得到提高，从而使复合地基的承载力得到提高。
5、垫层作用
碎石桩垫层作用主要是指在较厚的软弱土层中，碎石桩没有打穿该软弱土层，这样，整个碎石桩复合地基对于没有加固的下卧层起到垫层的作用，经垫层的扩散作用将建筑物传到地基上的附加应力减小，作用于下卧层的附加应力趋于均匀，从而使下卧层的附加应力在允许范围之内，这样就提高了地基的整体抵抗力，减少了沉降。
6、加筋作用
碎石桩的加筋作用中要是指厚度不大的软弱土层，则碎石桩可穿过整个软弱土层达到其下的硬层上面．此时，桩体在外荷载的作用下就会产生一定的应力集中现象，从而使桩间土承担的压力相应减小，其结果与天然地基相比，复合地基的承载力会提高，压缩量会减小，稳定性会得到加强，沉降速率会加快，还可用来改善土体的抗剪强度，加固后的复合桩土层将可以改善土坡的稳定性，这种加固作用即通常所说的加筋作用。
7、预振作用
干振碎石桩在施工时强烈的振动作用使土颗粒重新排列密实,地基土体得到预振的效果。西特等人(1975年)研究表明,经预振过的砂土,虽其振后的密实度仅为54%,而其抗地震液化的能力却相当于密实度为80%的未经预振的砂土抗地震液化能力。
三、碎石桩法在处理震动液化地基中的实例。
（一）工程概况
田东至德保国家Ⅱ级铁路DK6+620～+780段软弱地基处理工程，该工程位于右江北岸冲积平原区，地形较为平坦，地震基本烈度为VII度区。工程段落内不良地质主要为高烈度地震区地震液化层。据钻孔资料及标准贯入试验结果判定，工程段落内地下水位以下的粉土，粉、细砂层为地震液化层，液化层厚度2～5m，液化层顶面埋深2～8m。
工点范围内地层为第四系全新统冲积的粉质黏土、淤泥质粉质黏土、淤泥质粉土、及细圆砾土。岩性详述如下∶
1）粉质黏土（Q4al1）∶分布于工点内全部地表，厚3～10m。褐黄色，土质较均一，手捻黏感较强。硬塑－软塑。Ⅱ级，σ0=150kPa。
2）淤泥质粉质黏土（Q4al1）∶分布于甘莲村大桥及中桥附近的粉质黏土之下，层位不连续，厚度不均，厚3～6m。灰绿色，灰黑色，土质不均一，局部夹粉土及粉砂薄层，具泥臭味，岩芯变形严重，具拉长现象。软塑。Ⅱ级，σ0=90kPa。
3）淤泥质粉土（Q4al2）∶以透镜体的形式分布于淤泥质粉质黏土之下，厚度2～3m。青灰色，土质不均一，有机质含量较高，具泥臭味，稍密，饱和。Ⅱ级，σ0=90kPa。
4）粉、细砂（Q4al4）∶局部下伏于粉质黏土及粉土之下，层位不连续，厚度不均，厚3～10m。灰黑色、深灰色，矿物主要成分为长石、石英，颗粒较均，砂质不纯，黏粒含量较高，岩芯局部呈团块状，含少量细圆砾。稍密，饱和。Ⅰ级，σ0=90kPa。
5）细圆砾土（Q4al6）∶分布于粉质黏土、粉土、砂类土之下，上伏于下第三系始新统的泥岩，厚度大于5m。灰白色，灰褐色，圆棱状，成分主要为砂岩、石灰岩，粒径2~20mm的约占50%，20~60mm的约占25%，大于60mm的约占15%，余为杂粒砂及粉黏粒充填。中密。饱和。Ⅱ级，σ0=400kPa。
这类土在地震作用下会产生液化现象，根据《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111-2006）, 必须对地基进行加固处理,以达到消除液化和提高承载力的目的。
（二）加固方案
碎石桩处理液化地基桩距的确定,必须满足抗液化设计的要求, 同时使单位面积造价最低。试桩施工采用振动沉管施工方法施工, 桩直径为0.5m, 桩间距1.5m, 碎石采用粒径1cm～3cm自然级配, 施工顺序采用跳打形式并由外缘向中心进行。每根桩的碎石灌注量按充盈系数1.1考虑, 桩长以穿透可液化土层为准。
（三）振冲（碎石桩）施工可按下列步骤进行：
1、清理平整施工场地，布置桩位；
2、移动桩机及塔架，把桩机或桩尖对准桩位；
3、启动振动锤，把桩管下沉到设计的深度；
4、在下沉过程中的同时或在下沉到设计的深度后，向桩管内加入规定数量的砂石料；
5、通过空压机向桩管内充气，当桩管内的充气气压达到桩长所要求的对应的压力后，停止充气；
6、启动振动锤，把桩管提升1～2m，在提升的过程中，桩管的出料活门在气压及砂石料的重力作用下自动打开，桩管内石料在气压和重力作用下流入钻孔中；
7、降落桩管，利用振动或及桩尖的挤压作用使砂石密实；
8、重复5、6、7三步骤，其中，在步骤5中，充气的气压根据变化的桩长进行调节；
9、当桩机内砂石料用到规定程度时，再向桩管内添加砂石料，重复5、 6、7三步骤；
10、桩管提至砂石桩设计顶标高，制桩完成。　
（四）加固效果检验与分析
1 、土层物理力学性质的变化
通过试桩前后的物理力学指标对比,表明加固前后桩间土的物理力学性质得到了明显改善, 加固后土的密度略有增大, 土的孔隙比明显减小, 说明土层得到了密实;加固后较加固前土的粘聚力与内摩擦角均有所增大, 导致加固后土的抗剪强度明显增大。
2 、标准贯入试验
标准贯入试验结果分析对地基在加固前后都进行了标准贯入试验。经碎石桩处理后地基的标贯击数Ｎ63.5 大幅度提高,深度10m以上Ｎ63.5均大于9 击, 标贯击数比处理前提高3～5倍, 深部标贯击数也有一定程度提高, 但不明显，经过处理后，均消除了液化。
3 、静力触探结果
成桩结束后7d, 对不同位置处桩间土层的加固效果进行了静力触探( CPT) 测试, 试验结果表明地基土经碎石桩处理后,桩间土所进行的静力触探结果显示，液化土地层的锥尖阻力大部分在5MPa 以上，在软弱的土层中锥尖阻力高达12MPa 以上，超过了液化临界比贯入阻力Ｐcr消除了液化，达到液化土处理设计要求。
4 、重型动力触探结果
根据打入碎石桩桩身的阻力大小判别碎石桩桩身的变化，对其进行评价。桩身的重型动力触探击数在1.0～11.7 米随深度增加总体均在增大，反映出随深度的增加，桩身密实度也在提高。在液化土层中，桩身的重型动力触探击数多数大于10击，表明已经消除液化。
四、结论
对铁路地基碎石桩处理后，结合具体工程实践，通过标准贯入试验、静力触探试验、重型动力触探试验等成果的分析,可以得到如下结论：
（一）通过对复合地基加固原理的阐述和论证, 碎石桩法在软土地基加固方面是一种行之有效的方法，对地基土的液化有明显的处理效果，显著改善了地基土的物理力学性质, 加速了软土地基排水固结的速度, 沉降得到有效控制, 使地基承载力大为提高。
（二）碎石桩处理地基具有施工速度快、工艺简便，技术可靠，造价低，质量容易控制的特点, 随着碎石桩法广泛的应用，技术的不断完善, 其必将具有广泛的应用前景。