淺談碎石樁處理振動液化地基
張貴財
摘要:碎石樁在震動液化地基處理中加固機理及施工方法，文章在闡述碎石樁加固機理的基礎上, 通過地基處理前后樁間土物理力學性質、標準貫入試驗、靜力觸探試驗及重型動力觸探試驗測試結果的對比分析,對碎石樁加固液化砂土地基的效果進行了評價,為類似工程提供了經驗�！�
關鍵詞:碎石樁；振沖法;標準貫入試驗；靜力觸探試驗；重型動力觸探試驗
一 、概述
在鐵路路基施工中,經常會遇到鐵路穿越一些工程地質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重的。
碎石樁是以碎石(卵石)為主要材料制成的復合地基加固樁。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強度的樁，由碎石樁和樁間土組成的復合地基可稱為碎石樁復合地基。目前在國內外廣泛應用碎石樁復合地基處理震動液化地基，碎石樁可用于砂土、粉土、粉質黏土、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。
振動水沖法是1937年由德國凱勒公司設計制造出的具有現代振沖器雛形的機具，用來擠密砂土地基獲得成功。20世紀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，在各國推廣應用。
我國應用振沖法始于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產生。如錘擊法、振擠法、干振法、沉管法、振動氣沖法、袋裝碎石法、強夯碎石柱置換法等。雖然這些方法的施工不同于振動水沖法，但是，同樣可以形成密實的碎石樁，所以碎石樁的內涵擴大了。從制樁工藝和樁體材料方面也進行了改進，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強度。這種碎石樁按力學特性已屬柔性樁，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蓬勃發(fā)展，與濕法碎石樁并存，是碎石樁技術發(fā)展的特色之一。
碎石樁軟基處理技術成為鐵路工程建設中一個較為重要的環(huán)節(jié)，也是確保工程質量和安全的關鍵因素。碎石樁由于具有施工方便、成本低廉、加固效果好等優(yōu)點,在軟土地基的加固處理中得到了廣泛應用,并逐漸發(fā)展成為一種應用廣泛的抗震防液化加固手段,而且這種加固技術的有效性已經得到實際地震的證實。本文將對碎石樁加固機理進行深入闡述,并在此基礎上結合具體工程實例,對碎石樁加固砂土震動液化地基的效果進行評價。
二、碎石樁處理軟土地基的作用機理
碎石樁對液化土地基的加固主要表現為如下幾個方面，其加固機理通常有擠密、振密、排水、預振、置換等作用。
1、擠密作用
下沉樁管時樁管對周圍土體產生很大的橫向壓力,將土體中等于樁管體積的土擠向周圍土體使之密實;灌注碎石后振動、反插也使周圍土體受到擠密,從而提高了地基強度。
2、振密作用
在成樁過程中,激振器產生的振動通過導管傳遞給土層,使其附近的飽和土地基產生振動孔隙水壓力,導致部分土體液化,土顆粒重新排列趨向密實,從而起到振密作用。
3、置換作用
樁間土對樁體有約束作用，所以碎石柱體的強度高、模量大，在剛性基礎作用下，地基中的應力按模量大小進行分配，因此，樁上應力集中是復合地基承強力提高的第二因素。
側向約束力對碎石樁性狀影響至關重要，如樁側土對碎石柱的約束力很小，不但形不成應力向樁體集中，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外載荷。這只是說明樁側土對碎石樁的側向約束力是影響碎石樁加固效果的重要因素。
在實際工程中，飽和軟土粒間結合力強，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，使土體產生側移和地表的隆起，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調，地基中的應力向樁身發(fā)生集中，從而相應減小了樁間土承受的應力，使復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、擠壓和擾動等因素，樁間土會出現較大的附加孔隙水壓力，從而導致原地基土強度降低。一旦制樁結束后，一方面原地基土的結構強度會隨時間逐漸恢復，另一方面，孔隙水壓力會向樁體轉移消散，其結果是有效應力增加，強度提高和恢復，甚至會超過原土體的強度。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良好的排水通道，它能起到排水砂井的作用，使得土體固結排水路徑大大縮短，固結速度大大提高，土體的強度和對樁體的約束能力也得到提高，從而使復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，整個碎石樁復合地基對于沒有加固的下臥層起到墊層的作用，經墊層的擴散作用將建筑物傳到地基上的附加應力減小，作用于下臥層的附加應力趨于均勻，從而使下臥層的附加應力在允許范圍之內，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軟弱土層達到其下的硬層上面．此時，樁體在外荷載的作用下就會產生一定的應力集中現象，從而使樁間土承擔的壓力相應減小，其結果與天然地基相比，復合地基的承載力會提高，壓縮量會減小，穩(wěn)定性會得到加強，沉降速率會加快，還可用來改善土體的抗剪強度，加固后的復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、預振作用
干振碎石樁在施工時強烈的振動作用使土顆粒重新排列密實,地基土體得到預振的效果。西特等人(1975年)研究表明,經預振過的砂土,雖其振后的密實度僅為54%,而其抗地震液化的能力卻相當于密實度為80%的未經預振的砂土抗地震液化能力。
三、碎石樁法在處理震動液化地基中的實例。
（一）工程概況
田東至德保國家Ⅱ級鐵路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)。工程段落內不良地質主要為高烈度地震區(qū)地震液化層。據鉆孔資料及標準貫入試驗結果判定，工程段落內地下水位以下的粉土，粉、細砂層為地震液化層，液化層厚度2～5m，液化層頂面埋深2～8m。
工點范圍內地層為第四系全新統(tǒng)沖積的粉質黏土、淤泥質粉質黏土、淤泥質粉土、及細圓礫土。巖性詳述如下∶
1）粉質黏土（Q4al1）∶分布于工點內全部地表，厚3～10m。褐黃色，土質較均一，手捻黏感較強。硬塑－軟塑。Ⅱ級，σ0=150kPa。
2）淤泥質粉質黏土（Q4al1）∶分布于甘蓮村大橋及中橋附近的粉質黏土之下，層位不連續(xù)，厚度不均，厚3～6m�；揖G色，灰黑色，土質不均一，局部夾粉土及粉砂薄層，具泥臭味，巖芯變形嚴重，具拉長現象。軟塑。Ⅱ級，σ0=90kPa。
3）淤泥質粉土（Q4al2）∶以透鏡體的形式分布于淤泥質粉質黏土之下，厚度2～3m。青灰色，土質不均一，有機質含量較高，具泥臭味，稍密，飽和。Ⅱ級，σ0=90kPa。
4）粉、細砂（Q4al4）∶局部下伏于粉質黏土及粉土之下，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，砂質不純，黏粒含量較高，巖芯局部呈團塊狀，含少量細圓礫。稍密，飽和。Ⅰ級，σ0=90kPa。
5）細圓礫土 （Q4al6）∶分布于粉質黏土、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，σ0=400kPa。
這類土在地震作用下會產生液化現象，根據《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（GB 50111-2006）, 必須對地基進行加固處理,以達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,必須滿足抗液化設計的要求, 同時使單位面積造價最低。試樁施工采用振動沉管施工方法施工, 樁直徑為0.5m, 樁間距1.5m, 碎石采用粒徑1cm～3cm自然級配, 施工順序采用跳打形式并由外緣向中心進行。每根樁的碎石灌注量按充盈系數1.1考慮, 樁長以穿透可液化土層為準。
（三）振沖（碎石樁）施工可按下列步驟進行：
1、清理平整施工場地，布置樁位；
2、移動樁機及塔架，把樁機或樁尖對準樁位；
3、啟動振動錘，把樁管下沉到設計的深度；
4、在下沉過程中的同時或在下沉到設計的深度后，向樁管內加入規(guī)定數量的砂石料；
5、通過空壓機向樁管內充氣，當樁管內的充氣氣壓達到樁長所要求的對應的壓力后，停止充氣；
6、啟動振動錘，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打開，樁管內石料在氣壓和重力作用下流入鉆孔中；
7、降落樁管，利用振動或及樁尖的擠壓作用使砂石密實；
8、重復5、6、7三步驟，其中，在步驟5中，充氣的氣壓根據變化的樁長進行調節(jié)；
9、當樁機內砂石料用到規(guī)定程度時，再向樁管內添加砂石料，重復5、 6、7三步驟；
10、樁管提至砂石樁設計頂標高，制樁完成。 　
（四）加固效果檢驗與分析
1 、土層物理力學性質的變化
通過試樁前后的物理力學指標對比,表明加固前后樁間土的物理力學性質得到了明顯改善, 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;加固后較加固前土的粘聚力與內摩擦角均有所增大, 導致加固后土的抗剪強度明顯增大。
2 、標準貫入試驗
標準貫入試驗結果分析對地基在加固前后都進行了標準貫入試驗。經碎石樁處理后地基的標貫擊數Ｎ63.5 大幅度提高,深度10m以上Ｎ63.5均大于9 擊, 標貫擊數比處理前提高3～5倍, 深部標貫擊數也有一定程度提高, 但不明顯，經過處理后，均消除了液化。
3 、靜力觸探結果
成樁結束后7d, 對不同位置處樁間土層的加固效果進行了靜力觸探( CPT) 測試, 試驗結果表明地基土經碎石樁處理后,樁間土所進行的靜力觸探結果顯示，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12MPa 以上，超過了液化臨界比貫入阻力Ｐcr消除了液化，達到液化土處理設計要求。
4 、重型動力觸探結果
根據打入碎石樁樁身的阻力大小判別碎石樁樁身的變化，對其進行評價。樁身的重型動力觸探擊數在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，樁身密實度也在提高。在液化土層中，樁身的重型動力觸探擊數多數大于10擊，表明已經消除液化。
四、結論
對鐵路地基碎石樁處理后，結合具體工程實踐，通過標準貫入試驗、靜力觸探試驗、重型動力觸探試驗等成果的分析,可以得到如下結論：
（一）通過對復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性質, 加速了軟土地基排水固結的速度, 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，技術可靠，造價低，質量容易控制的特點, 隨著碎石樁法廣泛的應用，技術的不斷完善, 其必將具有廣泛的應用前景。

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