淺談碎石樁處理振動(dòng)液化地基
張貴財(cái)
摘要:碎石樁在震動(dòng)液化地基處理中加固機(jī)理及施工方法，文章在闡述碎石樁加固機(jī)理的基礎(chǔ)上, 通過地基處理前后樁間土物理力學(xué)性質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)及重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)測試結(jié)果的對比分析,對碎石樁加固液化砂土地基的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià),為類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)�！�
關(guān)鍵詞:碎石樁；振沖法;標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)；靜力觸探試驗(yàn)；重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)
一 、概述
在鐵路路基施工中,經(jīng)常會(huì)遇到鐵路穿越一些工程地質(zhì)條件不良的軟土地帶,這些軟土對路基穩(wěn)定性的危害是極其嚴(yán)重的。
碎石樁是以碎石(卵石)為主要材料制成的復(fù)合地基加固樁。碎石樁在國外統(tǒng)稱為散體樁或粗顆粒土樁。所謂散體樁是指無粘結(jié)強(qiáng)度的樁，由碎石樁和樁間土組成的復(fù)合地基可稱為碎石樁復(fù)合地基。目前在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用碎石樁復(fù)合地基處理震動(dòng)液化地基，碎石樁可用于砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、松軟土、素填土和雜填土等地基以及可液化地基。
碎石樁是散體樁的一種，按其制樁工藝可分為振沖(濕法)碎石樁和干法碎石樁兩大類。
振動(dòng)水沖法是1937年由德國凱勒公司設(shè)計(jì)制造出的具有現(xiàn)代振沖器雛形的機(jī)具，用來擠密砂土地基獲得成功。20世紀(jì)60年代初，振沖法在德國開始用來加固粘性土地基，由于填料是碎石，故稱為碎石樁，之后，在各國推廣應(yīng)用。
我國應(yīng)用振沖法始于1977年，在壩基、道路、橋涵、大型廠房及工業(yè)與民用建筑地基處理中，振沖法均已得到了廣泛的應(yīng)用。因振沖碎石樁有泥水污染環(huán)境，在城市和已有建筑物地段的應(yīng)用受到限制，且有軟化土的作用。
從80年代開始，各種不同的施工工藝相應(yīng)產(chǎn)生。如錘擊法、振擠法、干振法、沉管法、振動(dòng)氣沖法、袋裝碎石法、強(qiáng)夯碎石柱置換法等。雖然這些方法的施工不同于振動(dòng)水沖法，但是，同樣可以形成密實(shí)的碎石樁，所以碎石樁的內(nèi)涵擴(kuò)大了。從制樁工藝和樁體材料方面也進(jìn)行了改進(jìn)，如在碎石樁中添加適量的水泥和粉煤灰(稱為水泥粉煤灰碎石樁，即CFG樁)，或添加鋁土礦濕泥等，使樁體獲得一定程度的膠結(jié)強(qiáng)度。這種碎石樁按力學(xué)特性已屬柔性樁，但是，按制樁工藝也屬于法碎石樁的范疇。各種碎石樁只要制成的是以碎石科組成的樁體，均可稱為碎石樁。各種干法碎石樁施工技術(shù)蓬勃發(fā)展，與濕法碎石樁并存，是碎石樁技術(shù)發(fā)展的特色之一。
碎石樁軟基處理技術(shù)成為鐵路工程建設(shè)中一個(gè)較為重要的環(huán)節(jié)，也是確保工程質(zhì)量和安全的關(guān)鍵因素。碎石樁由于具有施工方便、成本低廉、加固效果好等優(yōu)點(diǎn),在軟土地基的加固處理中得到了廣泛應(yīng)用,并逐漸發(fā)展成為一種應(yīng)用廣泛的抗震防液化加固手段,而且這種加固技術(shù)的有效性已經(jīng)得到實(shí)際地震的證實(shí)。本文將對碎石樁加固機(jī)理進(jìn)行深入闡述,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體工程實(shí)例,對碎石樁加固砂土震動(dòng)液化地基的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
二、碎石樁處理軟土地基的作用機(jī)理
碎石樁對液化土地基的加固主要表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面，其加固機(jī)理通常有擠密、振密、排水、預(yù)振、置換等作用。
1、擠密作用
下沉樁管時(shí)樁管對周圍土體產(chǎn)生很大的橫向壓力,將土體中等于樁管體積的土擠向周圍土體使之密實(shí);灌注碎石后振動(dòng)、反插也使周圍土體受到擠密,從而提高了地基強(qiáng)度。
2、振密作用
在成樁過程中,激振器產(chǎn)生的振動(dòng)通過導(dǎo)管傳遞給土層,使其附近的飽和土地基產(chǎn)生振動(dòng)孔隙水壓力,導(dǎo)致部分土體液化,土顆粒重新排列趨向密實(shí),從而起到振密作用。
3、置換作用
樁間土對樁體有約束作用，所以碎石柱體的強(qiáng)度高、模量大，在剛性基礎(chǔ)作用下，地基中的應(yīng)力按模量大小進(jìn)行分配，因此，樁上應(yīng)力集中是復(fù)合地基承強(qiáng)力提高的第二因素。
側(cè)向約束力對碎石樁性狀影響至關(guān)重要，如樁側(cè)土對碎石柱的約束力很小，不但形不成應(yīng)力向樁體集中，而且還影響碎石樁對樁間土的擠密作用。
如：如果把碎石置在液體中，由于液體對樁的約束力接近零，所以，在無約束力的環(huán)境下不能形成碎石樁體而坍塌；如果把碎石置在剛性筒中，由于約束力很大，其模量也很大，樁體變形很小，這樣僅靠樁也能承擔(dān)外載荷。這只是說明樁側(cè)土對碎石樁的側(cè)向約束力是影響碎石樁加固效果的重要因素。
在實(shí)際工程中，飽和軟土粒間結(jié)合力強(qiáng)，滲透性差，孔隙水很難排出土體，在外力作用下，擠向四周的土體擠壓周圍土體，使土體產(chǎn)生側(cè)移和地表的隆起，剛度較大的碎樁體置換樁體部位的軟土形成復(fù)合地基。而碎石樁的剛度比樁間土的剛度大，在荷載作用下，為了保持樁土變性的協(xié)調(diào)，地基中的應(yīng)力向樁身發(fā)生集中，從而相應(yīng)減小了樁間土承受的應(yīng)力，使復(fù)合土體的承載力較原地基有所提高，沉降量得到下降。因此，碎石樁的擠密效應(yīng)越顯著，樁間土對樁的約束力也越大，地基加固效果也越顯著。
樁的擠密、振密作用和樁的置換作用是相輔相成的、互為依托的，而樁的置換作用的大小主要取決于樁側(cè)土對樁體的約束力。
4、排水作用
在碎石樁的制樁過程中，由于振動(dòng)、擠壓和擾動(dòng)等因素，樁間土?xí)�出現(xiàn)較大的附加孔隙水壓力，從而導(dǎo)致原地基土強(qiáng)度降低。一旦制樁結(jié)束后，一方面原地基土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間逐漸恢復(fù)，另一方面，孔隙水壓力會(huì)向樁體轉(zhuǎn)移消散，其結(jié)果是有效應(yīng)力增加，強(qiáng)度提高和恢復(fù)，甚至?xí)�超過原土體的強(qiáng)度。如果選用反濾性和滲透性都較好的碎石樁，則所形成的碎石樁是地基土中的一個(gè)良好的排水通道，它能起到排水砂井的作用，使得土體固結(jié)排水路徑大大縮短，固結(jié)速度大大提高，土體的強(qiáng)度和對樁體的約束能力也得到提高，從而使復(fù)合地基的承載力得到提高。
5、墊層作用
碎石樁墊層作用主要是指在較厚的軟弱土層中，碎石樁沒有打穿該軟弱土層，這樣，整個(gè)碎石樁復(fù)合地基對于沒有加固的下臥層起到墊層的作用，經(jīng)墊層的擴(kuò)散作用將建筑物傳到地基上的附加應(yīng)力減小，作用于下臥層的附加應(yīng)力趨于均勻，從而使下臥層的附加應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，這樣就提高了地基的整體抵抗力，減少了沉降。
6、加筋作用
碎石樁的加筋作用中要是指厚度不大的軟弱土層，則碎石樁可穿過整個(gè)軟弱土層達(dá)到其下的硬層上面．此時(shí)，樁體在外荷載的作用下就會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使樁間土承擔(dān)的壓力相應(yīng)減小，其結(jié)果與天然地基相比，復(fù)合地基的承載力會(huì)提高，壓縮量會(huì)減小，穩(wěn)定性會(huì)得到加強(qiáng)，沉降速率會(huì)加快，還可用來改善土體的抗剪強(qiáng)度，加固后的復(fù)合樁土層將可以改善土坡的穩(wěn)定性，這種加固作用即通常所說的加筋作用。
7、預(yù)振作用
干振碎石樁在施工時(shí)強(qiáng)烈的振動(dòng)作用使土顆粒重新排列密實(shí),地基土體得到預(yù)振的效果。西特等人(1975年)研究表明,經(jīng)預(yù)振過的砂土,雖其振后的密實(shí)度僅為54%,而其抗地震液化的能力卻相當(dāng)于密實(shí)度為80%的未經(jīng)預(yù)振的砂土抗地震液化能力。
三、碎石樁法在處理震動(dòng)液化地基中的實(shí)例。
（一）工程概況
田東至德保國家Ⅱ級(jí)鐵路DK6+620～+780段軟弱地基處理工程，該工程位于右江北岸沖積平原區(qū)，地形較為平坦，地震基本烈度為VII度區(qū)。工程段落內(nèi)不良地質(zhì)主要為高烈度地震區(qū)地震液化層。據(jù)鉆孔資料及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果判定，工程段落內(nèi)地下水位以下的粉土，粉、細(xì)砂層為地震液化層，液化層厚度2～5m，液化層頂面埋深2～8m。
工點(diǎn)范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)沖積的粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土、及細(xì)圓礫土。巖性詳述如下∶
1）粉質(zhì)黏土（Q4al1）∶分布于工點(diǎn)內(nèi)全部地表，厚3～10m。褐黃色，土質(zhì)較均一，手捻黏感較強(qiáng)。硬塑－軟塑。Ⅱ級(jí)，σ0=150kPa。
2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al1）∶分布于甘蓮村大橋及中橋附近的粉質(zhì)黏土之下，層位不連續(xù)，厚度不均，厚3～6m�；揖G色，灰黑色，土質(zhì)不均一，局部夾粉土及粉砂薄層，具泥臭味，巖芯變形嚴(yán)重，具拉長現(xiàn)象。軟塑。Ⅱ級(jí)，σ0=90kPa。
3）淤泥質(zhì)粉土（Q4al2）∶以透鏡體的形式分布于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土之下，厚度2～3m。青灰色，土質(zhì)不均一，有機(jī)質(zhì)含量較高，具泥臭味，稍密，飽和。Ⅱ級(jí)，σ0=90kPa。
4）粉、細(xì)砂（Q4al4）∶局部下伏于粉質(zhì)黏土及粉土之下，層位不連續(xù)，厚度不均，厚3～10m�；液谏�、深灰色，礦物主要成分為長石、石英，顆粒較均，砂質(zhì)不純，黏粒含量較高，巖芯局部呈團(tuán)塊狀，含少量細(xì)圓礫。稍密，飽和。Ⅰ級(jí)，σ0=90kPa。
5）細(xì)圓礫土 （Q4al6）∶分布于粉質(zhì)黏土、粉土、砂類土之下，上伏于下第三系始新統(tǒng)的泥巖，厚度大于5m�；野咨�，灰褐色，圓棱狀，成分主要為砂巖、石灰?guī)r，粒徑2~20mm的約占50%，20~60mm的約占25%，大于60mm的約占15%，余為雜粒砂及粉黏粒充填。中密。飽和。Ⅱ級(jí)，σ0=400kPa。
這類土在地震作用下會(huì)產(chǎn)生液化現(xiàn)象，根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50111-2006）, 必須對地基進(jìn)行加固處理,以達(dá)到消除液化和提高承載力的目的。
（二）加固方案
碎石樁處理液化地基樁距的確定,必須滿足抗液化設(shè)計(jì)的要求, 同時(shí)使單位面積造價(jià)最低。試樁施工采用振動(dòng)沉管施工方法施工, 樁直徑為0.5m, 樁間距1.5m, 碎石采用粒徑1cm～3cm自然級(jí)配, 施工順序采用跳打形式并由外緣向中心進(jìn)行。每根樁的碎石灌注量按充盈系數(shù)1.1考慮, 樁長以穿透可液化土層為準(zhǔn)。
（三）振沖（碎石樁）施工可按下列步驟進(jìn)行：
1、清理平整施工場地，布置樁位；
2、移動(dòng)樁機(jī)及塔架，把樁機(jī)或樁尖對準(zhǔn)樁位；
3、啟動(dòng)振動(dòng)錘，把樁管下沉到設(shè)計(jì)的深度；
4、在下沉過程中的同時(shí)或在下沉到設(shè)計(jì)的深度后，向樁管內(nèi)加入規(guī)定數(shù)量的砂石料；
5、通過空壓機(jī)向樁管內(nèi)充氣，當(dāng)樁管內(nèi)的充氣氣壓達(dá)到樁長所要求的對應(yīng)的壓力后，停止充氣；
6、啟動(dòng)振動(dòng)錘，把樁管提升1～2m，在提升的過程中，樁管的出料活門在氣壓及砂石料的重力作用下自動(dòng)打開，樁管內(nèi)石料在氣壓和重力作用下流入鉆孔中；
7、降落樁管，利用振動(dòng)或及樁尖的擠壓作用使砂石密實(shí)；
8、重復(fù)5、6、7三步驟，其中，在步驟5中，充氣的氣壓根據(jù)變化的樁長進(jìn)行調(diào)節(jié)；
9、當(dāng)樁機(jī)內(nèi)砂石料用到規(guī)定程度時(shí)，再向樁管內(nèi)添加砂石料，重復(fù)5、 6、7三步驟；
10、樁管提至砂石樁設(shè)計(jì)頂標(biāo)高，制樁完成。 　
（四）加固效果檢驗(yàn)與分析
1 、土層物理力學(xué)性質(zhì)的變化
通過試樁前后的物理力學(xué)指標(biāo)對比,表明加固前后樁間土的物理力學(xué)性質(zhì)得到了明顯改善, 加固后土的密度略有增大, 土的孔隙比明顯減小, 說明土層得到了密實(shí);加固后較加固前土的粘聚力與內(nèi)摩擦角均有所增大, 導(dǎo)致加固后土的抗剪強(qiáng)度明顯增大。
2 、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)
標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果分析對地基在加固前后都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。經(jīng)碎石樁處理后地基的標(biāo)貫擊數(shù)Ｎ63.5 大幅度提高,深度10m以上Ｎ63.5均大于9 擊, 標(biāo)貫擊數(shù)比處理前提高3～5倍, 深部標(biāo)貫擊數(shù)也有一定程度提高, 但不明顯，經(jīng)過處理后，均消除了液化。
3 、靜力觸探結(jié)果
成樁結(jié)束后7d, 對不同位置處樁間土層的加固效果進(jìn)行了靜力觸探( CPT) 測試, 試驗(yàn)結(jié)果表明地基土經(jīng)碎石樁處理后,樁間土所進(jìn)行的靜力觸探結(jié)果顯示，液化土地層的錐尖阻力大部分在5MPa 以上，在軟弱的土層中錐尖阻力高達(dá)12MPa 以上，超過了液化臨界比貫入阻力Ｐcr消除了液化，達(dá)到液化土處理設(shè)計(jì)要求。
4 、重型動(dòng)力觸探結(jié)果
根據(jù)打入碎石樁樁身的阻力大小判別碎石樁樁身的變化，對其進(jìn)行評(píng)價(jià)。樁身的重型動(dòng)力觸探擊數(shù)在1.0～11.7 米隨深度增加總體均在增大，反映出隨深度的增加，樁身密實(shí)度也在提高。在液化土層中，樁身的重型動(dòng)力觸探擊數(shù)多數(shù)大于10擊，表明已經(jīng)消除液化。
四、結(jié)論
對鐵路地基碎石樁處理后，結(jié)合具體工程實(shí)踐，通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)等成果的分析,可以得到如下結(jié)論：
（一）通過對復(fù)合地基加固原理的闡述和論證, 碎石樁法在軟土地基加固方面是一種行之有效的方法，對地基土的液化有明顯的處理效果，顯著改善了地基土的物理力學(xué)性質(zhì), 加速了軟土地基排水固結(jié)的速度, 沉降得到有效控制, 使地基承載力大為提高。
（二）碎石樁處理地基具有施工速度快、工藝簡便，技術(shù)可靠，造價(jià)低，質(zhì)量容易控制的特點(diǎn), 隨著碎石樁法廣泛的應(yīng)用，技術(shù)的不斷完善, 其必將具有廣泛的應(yīng)用前景。

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