碎石桩施工“砂沸”现象探讨

肖瑞根

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610052)

1 工程概况

唐山市滨海大道位于唐山市南部沿海地带，是滨海新城建设的主要交通通道，是滨海新城外环线的组成部分。大部分地区为滦河水系形成的冲积平原和在海洋动力作用下形成的滨海平原，路基土层由上到下划分为:填筑土①层、粉砂②层、淤泥质粉质粘土②1层、粉砂②2层、粉砂③层等，软土地基主要为淤泥质粉质粘土②1层、液化层主要为粉砂②层和粉砂②2层等，地基处理拟采用振动沉管挤密碎石桩。

唐山滨海大道某段落约4 km碎石桩的处理范围宽度约37.9 m，左右幅处理宽度分别为19.5 m，18.4 m。左幅为既有海挡，右幅为虾池砂砾挤淤填筑而成，从已完成碎石桩施工的处理宽度范围内，右幅处理宽度内碎石桩均出现喷水冒砂现象，左幅处理宽度内近中轴线1/3范围的区域也不同程度出现喷水冒砂现象，左幅外侧2/3区域内就没有出现或者很少出现喷水冒砂现象。从已有的地勘资料反映、现场的地质情况判断以及“砂沸”(喷水冒砂)的形成机理综合分析，我们认为左幅外侧2/3区域内基本没有出现喷水冒砂现象，主要是淤泥质粉质粘土层或者粉质粘土层较厚，大多超过设计桩长，从而使得设计长度的碎石桩没有穿透粉质粘土层达到下部的液化土层。下面我们就“砂沸”现象进行探讨。

2 原因分析

2.1 砂沸的概念

砂沸，俗称喷水冒砂，饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象。由于孔隙水压力上升，有效应力减小所导致的砂土从固态到液态的变化现象。当水头梯度足够大时，水流将携带大量悬浮的土颗粒，如果顶层特别薄或者地基土存在裂缝等缺陷或有碎石桩之类的通道，水流就会冲开地面，形成砂沸。特别情况下，砂沸的喷出物在喷出口周围形成圆锥形沉积，类似小的“火山口”(见图1)。

图1 碎石桩施工完后桩口出现喷水冒砂现象

2.2 砂沸产生缘由

砂沸，属于砂土液化的一种现象。在振动等外载作用下，砂土发生液化的基本条件在于饱和砂土的结构疏松和渗透性相对较低，以及振动的强度大和持续时间长。原因有两个:1)内因——地基土本身的性质;2)外因——土体中出现超静孔隙水压力。

1)地基土性质。液化现象多发生于饱和砂土，饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受由砂土骨架转向水，由于粉、细砂土的渗透性不良，孔隙水压力急剧上升。当达到总应力值时，有效正应力下降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生振动液化，完全丧失强度和承载能力。粘性土因为细颗粒有粘着力，一般难以发生液化;粗粒土因为透水性大，振动时孔隙水压力迅速消散，也难以发生液化。

2)外载作用下的超静孔隙水压力。液化是土体内超静孔隙水压力发展至ug=6'3c(ug为孔隙水压力;6'3c为侧向有效固结压力)的一种现象。产生超静孔隙水压力是由于饱和砂土外载振动的强度大与持续时间长，土颗粒产生变密趋势，从而在土体内部产生超静孔隙水压力，又未及时消散时，一旦超过上层土重量，孔隙水就会寻找通道冲出地面，并将土颗粒一起带出，出现喷水冒砂，即砂沸现象。

3 施工分析

该段落碎石桩施工时，激振器产生的振动通过桩管传给土层，使得其桩尖及桩管着力附近饱和土地基产生超静孔隙水压力，导致部分土体液化。不过振动荷载在土体内所引起超静孔隙水压力的积累，不一定能达到液化的程度，能否发生液化，主要还是决定于地基土的性质。分析的该施工段落左幅外侧2/3区域内地基土上部主要为粉质粘土和淤泥质粉质粘土，表层为盐场虾池经填方而成:1)从设计图纸附勘察报告中地质资料反映看，表层为粉质粘土，层厚约1 m，第②层为淤泥质粉质粘土，层厚约8 m，从钻孔ZK81资料看出地表至淤泥质粉质粘土底部为10.2 m(见图2)。2)从桩机沉桩施工过程看，不少桩位施工时不用激振器，桩锤将桩管较容易压入土中。综合判断，该区域内粉质粘土层和淤泥质粉质粘土层较厚。

图2 钻孔ZK81工程地质剖面图

根据碎石桩设计长度为10.2 m部分范围还短，从而推断，很有可能该长度的碎石桩没有穿透粘土层达到液化层。根据碎石桩已有的研究，未打穿液化土层的碎石桩的抗液化效果比打穿液化土层的碎石桩处理效果要差一些，但基本达到消除液化的目的。所以碎石桩没有穿透液化层或者穿到部分液化层，即碎石桩在非液化土层是不容易出现砂沸现象或者比在液化土层中要滞后出现。对于饱和粘性土地基，由于碎石桩沉管成桩过程中的挤压和振动等强烈的扰动，粘粒之间的结合力以及粘粒、离子、水分子所组成的平衡体系受到破坏，孔隙水压力急剧升高，饱和土地基在桩周围一定范围内，产生较高的超静孔隙水压力。因此，需要静置一段时间，粘性土孔隙水压力消散的所需时间较长，使其强度恢复。并考虑碎石桩成桩的井阻和涂抹作用——好似在碎石桩周边抹了一层不透水土膜，粘土地基中碎石桩的砂沸现象的出现不像砂性土地基中明显且快，甚至有可能不出现砂沸现象。而且，对于饱和的软粘土，特别是灵敏度高的淤泥或者淤泥质粘土，在成桩过程中，由于振动力和侧向挤压力的作用，产生剧烈的扰动，发生触变。如上覆硬土层较薄，则形成碎石桩后，会使地面隆起，而且由于桩间土的侧限作用较小，使桩体碎石不易密实。由于淤泥、淤泥质土强度很低，对桩的约束作用很差。工程实践表明，若桩间土密度不变，仅靠桩的置换作用，地基承载力提高的幅度一般为20%～60%，并且处理后的沉降仍然难以有效控制。所以，在饱和的软粘土中施工碎石桩时，特别对于上部桩体不易密实;承载力提高幅度也小，而且工后沉降不易控制。

那么，碎石桩出现砂沸现象，对碎石桩的成桩的质量是否有不良影响。这需要从碎石桩的特点去分析，查最新的《地基处理手册》可知碎石桩在松散砂土和粉土地基中的作用有:1)挤密作用:成桩过程中的横向挤压使桩管周围的砂层空隙比减小，密实度增大，改善了土的物理力学性能，使地基承载力和抗液化能力有所提高;2)振密作用:成桩过程中激振器产生的振动通过桩管传给土层，引起地基土振动，产生振密作用——土颗粒重新排列趋向密实;3)碎石桩排水通道:碎石桩加固砂土时，在地基中形成渗透性良好的人工竖向排水通道，可以使由于挤压和振动作用产生增长的孔隙水压力及时消散，从而提高地基土的抗液化能力，并加速地基排水固结;4)抗震作用:包含碎石桩体减振作用和桩间土的预振作用，前者是在地震力效应下，应力集中于桩体，减小了桩间土的应力，后者是碎石桩施工中地基土在往复振动作用下局部产生液化，达到地基土的预振作用。

可以看出，碎石桩成桩后，使得桩间土密实，性能得以改善，并发生局部的液化，出现砂沸现象，通过桩体排水固结，形成较好的复合地基。工后使用过程中若发生地震，由于桩体土附近液化已经提前完成，而碎石桩体在地基中形成良好排水通道并能及时减少孔隙水压力，防止整体地基在地震发生时产生液化，从而降低该公路工程被地震液化破坏的可能性。

所以，在砂性土中出现砂沸现象说明液化处理效果较好，而软土地基中，则可以采取增加碎石桩的设计长度，穿透软土层而达到液化土层从而产生砂沸现象，消除震后液化。实际上，碎石桩体的密实度是同桩周土性质和施工中留振时间及反插情况等因素有关系，砂沸对碎石桩的成桩质量是没有不良影响的。当然，砂沸会引起复合地基的地面局部下沉或隆起，因此，桩顶压实和路基填筑前地表碾压并设置透水垫层是必要的。

4 结论及建议

1)出现砂沸现象的原因是桩周围土体产生了液化，主要与地基土性质和超静孔隙水压力有关。是否能发生液化，主要还是取决于地基土的性质，该工程部分段落粉质粘土层和淤泥质粉质粘土层较厚，碎石桩是不容易出现砂沸现象或者比在砂性土层中要滞后出现。2)根据地基处理的主要目的是提高承载力还是消除液化或者两者并存而进行设计施工调整，如果是后者，就要根据现场地质情况调整碎石桩的设计长度达到液化层。3)由于粉砂②层，粉砂②2层属于液化层，可以考虑将碎石桩穿至或者穿透该层，达到较好地消除液化的效果，可以确保复合地基在地震时不液化。4)为确保地基处理的效果，并结合工程造价问题，可将碎石桩处理的桩长设置成间隔形式，即一部分穿透液化土层，一部分不穿透液化土层。

［1］地基处理手册编委会.地基处理手册［M］.第3版.北京:中国建筑工业出版社，2008:217-253.

［2］叶 琦.沉桩施工过程中出现“砂沸”现象的分析与处理［J］.化工设计，2008，18(4):28-30.