碎石桩法防治砂土地震液化的应用

魏春林 高标

摘要：对位于抗震设防烈度大于6的场地，当地下范围内分布有易液化的土层时，应采取相应的措施（上部结构抗震构造措施、地基处理措施等）消除地震液化危害。本文结合海南省文化艺术中心工程，分析了碎石桩法在防治砂土层地震液化中的应用效果。

关键词：碎石桩；地震液化；饱和砂土；标贯试验

中图分类号： TU521 文献标识码： A 文章编号：

1. 前言

1.1 砂土液化

饱和砂土在地震、动荷载或其外力作用下, 受到强烈振动而丧失抗剪强度, 使砂粒处于悬浮状态, 致使地基失效的作用或现象为砂土液化。

1.2 饱和砂土振动液化机理

当振动荷载作用在饱和沙土上时，砂土骨架因为振动的影响受到一定的惯性力和干扰力。由于砂土质量和排列状况不同，再加上各点的起始应力和传递的动荷强度不同，使各个砂土颗粒的作用力在大小、方向上有明显的差异，从而在砂土颗粒间的接触点引起新的应力。当这种新的应力超过一定数值后就会破坏砂土颗粒间原来的联结与结构，使砂土颗粒彼此脱离接触。此时，原先由砂粒间的接触点传递的有效压力就转为由孔隙水来承担，从而引起孔隙水压力的骤然升高。一方面，孔隙水在一定超静水压力作用下力图向上排出；另一方面，砂土颗粒在重力作用下向下沉落。砂土颗粒的向下沉落受到孔隙水向上排出的阻碍，在结构破坏的瞬间或一定时间内使砂土颗粒处于局部或全部悬浮(当孔隙水压力等于有效覆盖压力时) 状态，砂土的抗剪强度部分或全部丧失，砂土即出现不同程度的变形或完全液化。

1.3 砂土地震液化的一般防治措施

拟建建筑场地地层中存在地震液化的土层，对建筑抗震设防类别为丙级以上的建筑工程，需按相关规范采取相应措施全部或部位消除地震液化沉陷。抗液化措施一般分队基础和上部结构处理措施及地基处理措施。前者如：采用箱基、筏基或交叉条形基础等以加强基础的整体性和刚度，减轻荷载增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝等措施；后者如：采用加密法（振冲、振动加密、碎石桩、强夯等）对地基进行处理。

2 工程概况

2.1 工程简介

海南省文化艺术中心文化位于海口市国兴大道68号海南省文化公园内，为海南省政府重点公共建筑工程，是集办公、会议、剧院演出等功能于一体的多功能现代化建筑，建筑面积约23000m2，结构形式为框架剪力墙，总投资1.8亿。该工程地上五层，局部三层；地下一层，局部三层；地下室基础地基土层为中砂层（主台仓地基土层为淤泥层）。

2.2 工程地质及水文地质条件

拟建场地在存在2个含水层，第1含水层系③中砂中的孔隙型潜水，该层水量丰富，主要补给来源为地表水及层间渗流，向场地以外低洼沟谷排泄；第2含水层系附存于⑥粗砂中的微承压水，主要受层间渗流的补给，该层与地表水水力联系差。场地浅层地下水位埋深2.60～3.60m，高程2.04～2.81m，根据地区资料表明该区域水位变幅1～2m。

场地位于河流冲积相一级阶地地貌单元，地表覆盖后期人工填土，地形较为平坦，场地内土层地质特征参数如表1所示。

地基土层物理及力学特征参数 表1

3 土层地震液化防治措施

3.1 土层地震液化判断

本工程场地位于抗震设防烈度8度区，设计基本地震加速度为0.3g，设计地震分组为第一组，属于强震区。本工程采用桩基础，按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）（后述简称抗震规范）地层液化判别深度取为20m，由表1可以看出在地面以下20m范围内分布两层饱和的砂土：③中砂和⑥粗砂。粗砂层为Q3地质年代形成，按抗震规范可以不考虑液化影响；中砂Q4形成，存在液化的可能性，按抗震规范需采用标准贯入试验对中砂层进行进一步液化判断。标贯试验钻孔（控制孔）平面布置图如图1所示，中砂层标贯试验成果表如表2所示。

图1 控制孔平面布置图

标贯试验成果表表2

以标贯试验进行饱和砂土液化判断，由于本工程采用桩基础，液化判断深度取为20m，标贯试验锤击数大于标贯试验锤击数临界值时判为液化土，临界值按下式计算：

（）

（）

式中：为标贯试验锤击数临界值；为标贯试验锤击数基准值，按抗震规范表4.3.4取为13；为标贯点深度（m）；为地下水埋深，按设计基准期内年平均最高水位采用，本场地取为2.5（m）；为土层粘粒含量百分率，欲判断土层为中砂，取为3。

以ZK1点为例计算液化指数，计算过程如表3所示

液化指数计算过程表表3

注：

1）为0及最大值代表液化层顶底界面，其设为0；

2）取值，当=0时，取为；当0，=0时，取为，其它取为；

3）取值，当=0时，取为；当0时，取为；

4）由下式计算：

（）

（）

5）由下式计算：

根据表3计算过程，得所有控制点液化判断结果如表4所示

控制点液化判断结果表4

由表3可得出场地的平均液化指数为9.3，结合场地地质地貌条件，综合评价地基的液化等级为中等液化。

3.2 饱和砂土地基处理设计

根据抗震规范及相邻建筑物地基处理经验，本工程采用碎石桩对饱和中砂土进行处理，桩体材料为含泥量小于5%、粒径小于50mm的碎石。碎石桩的桩径500mm；桩孔深8.5m，地下室部分有效桩长3.5m，费地下室部分有效桩长5m；采用矩形方式布桩，一般桩间距为2500mm，考虑基础结构及工程桩的分布，局部可调整为2000mm、1500mm，为提高处理效果，基础边缘处理宽度取为一倍的基底欲处理深度。

3.3 碎石桩法处理预期效果

由于本工程采用了相对均匀对称的结构设计，设置了合理的沉降缝及采用了深埋桩筏基础，对碎石桩法处理饱和砂土的效果预期为：地基处理及预应力管桩施工完成后，场地达到不液化或轻微液化，综合地基液化指数不大于4。

4 碎石桩法处理饱和砂土效果分析

本工程碎石桩施工1443根，根据抗震规范标贯试验检测数量不小于2%，实际检测29根，限于篇幅标贯试验成果表不再叙述。取标贯试验数据，按表3计算过程得各点液化指数结果如表5所示。

标贯试验液化判断结果表5

由表3可得出场地的平均液化指数为0.8，达到预期效果。

5 结论

在强震区，饱和砂土的地震液化会对建筑物（构筑物）造成严重的损害，本工程为大型公共建筑，抗震要求很高。工程除采用深埋桩筏基础、均匀对称构造设计及合理设置沉降缝等有利抗震措施外，还采取碎石桩法对饱和砂土地基进行处理。通过对标贯试验的数据分析，处理后的地基综合液化指数仅为0.8，达到了很好的处理效果。

参考文献

[1] 徐正忠, 王亚勇等. 建筑抗震设计规范（GB 50011—2001）, 中国建筑工业出版社, 2001；

[2] 王卫. 饱和砂土地震液化及处理措施[J]. 西北水力发电,2006, 22（1）:43-45；

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[4] 顾饱和, 高大钊等. 岩土工程勘察规范（GB 50021—2001）, 中国建筑工业出版社, 2001。