振动挤密砂桩在公路液化地基处理中的应用

林晋辉

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

振动挤密砂桩在公路液化地基处理中的应用

林晋辉

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

以泉州地区某新建公路为例，针对沿线砂土液化的振动挤密砂桩的处理方法，通过处理后桩间土的标准贯入试验、桩身重型圆锥动力触探试验，结合理论分析，探讨了挤密砂桩对该公路液化地基的处理效果。分析结果显示，挤密砂桩对该公路的液化地基的处理效果良好，同时施工简洁，成本低廉。本文以实际工程为依托，结合理论分析，具有一定代表性，以期能为相同地区的液化地基处理提供一定的参考和借鉴价值。

振动挤密砂桩；液化地基；地基处理

E-mail:lin.jinhui@qq.com

引 言

近几十年来我国地震频发，几乎每次都有砂土液化的现象发生，导致地面沉陷、路基开裂、地基承载力丧失、斜坡滑移等工程地质灾害的发生，造成了巨大的生命和财产损失，因此地基土的液化问题越来越受到人们的重视，对地基土液化问题进行处理也很有必要。

在饱和的松散砂土中，因颗粒之间无内聚力而主要靠粒间摩擦力来维持自身的稳定和承受外力，当其受到振动时，颗粒就会改变其相互之间的排列状态。如果其原来处于非紧密排列状态，则颗粒之间会趋于密实，而饱和砂土颗粒间是饱水的，要变密实则势必要从孔隙间排除相当一部分的水，若砂土整体渗透性较差，瞬时振动导致的需要从孔隙间排出的水来不及排出整个砂土之外，孔隙水压力则必然随之上升，砂颗粒间的有效正应力则随之降低，当孔隙水压力上升到使砂颗粒间的有效正应力为零时，砂颗粒就会整体悬浮在水中，彻底丧失强度和承载能力，导致灾害的发生。

随着对砂土液化认识的深入，工程上处理地基液化的方法也越来越多，如换填、强夯、加密、加入固化剂和设置地下围护墙等。振动挤密砂桩作为其中的一种方法之一，因其具有施工简便、成本低廉，处理效果好，能就地取材等优点得到了广泛应用，并逐渐成为一种主要的抗震防液化的加固手段。

1 砂桩加固机理

目前的研究成果认为，振动挤密砂桩加固液化地基和软弱土层的机理主要有以下四个方面[1,2]：

1)密实作用：松散砂土颗粒之间孔隙大，相对位置不稳定，在砂桩施工时的静力和振动作用下，砂颗粒移动至相对稳定位置，孔隙变小而变密实；其次在砂桩施工成桩过程中，桩管挤入松散砂层，对周围土体产生巨大的横向挤压力，桩管位置的土体被挤入周围土体，使桩管周围土体孔隙比大大减小，密实度相应增加，较大地改善了土体的物理力学性能，起到防止振动液化的作用。

2)置换作用：砂桩施工成桩以后，密实的桩体取代了同样体积的松散砂土或软弱土层，形成复合地基，地基承载力得以提高，地基沉降相应变小，进而在地震或列车等循环荷载等作用下不会出现超大孔隙水压力而导致液化的发生。

3)排水减压作用：砂土液化的机理研究表明，松散的饱和砂土在振动作用下会趋于密实，在砂土排水条件较差时，孔隙水不能及时排除，导致孔隙水压力不能及时消散，当其增加到一定程度时，颗粒间的有效正应力降为零而彻底液化。砂桩成桩后，桩体为渗透性良好的粗颗粒砂料，在地基中加入了一条通畅的竖向排水减压通道，大大减小了孔隙水排出时的渗透路径，有效地防止孔隙水压力的上升，起到防液化的效果，同时能加快地基自身的排水固结，有效提高地基承载力。

4)预震作用：在砂桩施工时，振冲器的高频振动，使得填入的砂料和桩周土体在挤密的同时受到巨大的振动作用，然后通过桩管传递给周围土体使得附近的饱和液化土层产生振动孔隙水压力，进而导致部分土体液化，颗粒之间重新排列，孔隙减少，土体趋于密实，从而提高土体的密实度，起到振密的作用，同时振动作用能加速地基中水的渗透和流通，促进水的排出，进一步起到抗震防液化的作用。

2 工程概况

泉州市某新建公路全长约12km，部分地段地基土中有一层6～7m厚的细砂，前期地质勘察显示该层细砂有严重液化可能，因此采用振动挤密砂桩加固处理，本文以K11+600～K12+000工程段为例，分析挤密砂桩在液化地基处理中的效果。

2.1 工程地质概况

根据前期的勘察资料，场区的主要地层结构自上而下依次如下：

①细砂：灰黄色、灰白色，饱和，松散～稍密，以细砂为主，含量大于75%，级配较差，其间充填物为砾、砂及少量的粘性土，该层为场地内主要液化层。

②淤泥：深灰褐色，饱和，流塑，以粘性土为主，粘性强，含砂量较大，含少量腐殖质，略具腥臭味，摇振反应慢，捻面较光滑，有光泽，干强度及韧性中等，工程性质差。

③粉质粘土：灰黄褐、褐红色，湿，可塑，颗粒成分以粘、粉粒为主，粘性较强，含少量中细砂颗粒，见暗色矿物，捻面较粗糙，属中等～高压缩性土，干强度及韧性中等，无光泽，无摇震反应。

④残积砂质粘性土：灰黄色、灰白色，硬塑，稍湿，为花岗岩风化残积形成，粘性较差，砂感较强，含小砾石，局部夹碎块。

⑤砂土状强风化花岗岩：褐黄色、灰白色，硬塑，稍湿，大部分矿物已风化，岩芯呈砂土状，手捏有砂感，手搓易散，浸水易软化。

⑥全风化花岗岩：褐黄色、灰白色，硬塑，稍湿，大部分矿物已风化，原岩结构尚可辨，岩芯呈密实土状，手捏有砂感，局部夹少量强风化岩块，手搓易散，浸水易软化。

⑦中风化花岗岩：青灰色、灰白色，局部肉红色，中粗粒花岗结构，质地较硬，节理裂隙发育，岩芯破碎，多呈短柱状及块状，岩面新鲜，质硬，锤击不易碎。

其中第一层细砂为场地内的主要液化层，前期地质勘察显示其液化指数ILE=17.3～33.2，为中等～严重液化。

2.2 加固方案设计

根据场区的工程地质条件，挤密砂桩的设计参数如下：

1)平面布置：考虑到施工简洁性和处理效果，挤密砂桩采用正方形布置，平面布置示意图如(图1)所示。

2)桩径：根据相关规范要求、施工方法和以往工程经验，砂桩的直径采用40cm。

3)桩长：挤密砂桩处理液化地基时应达到液化土层的底部并穿越软弱土层，进入相对硬层一定深度。

4)桩距：根据规范要求和灌砂量的要求进行计算，同时结合工程经验，桩距设置为1.2～1.6m。

5)材料：砂桩填充材料采用中粗砂混合，含泥量不高于5%，颗粒级配好。

6)施工机械：本次施工采用DZ60KSA型振动沉桩机，内置活瓣式桩尖，并配有二次投料口。

7)预压：砂桩施工完成后，在路面上加载路基土进行预压，以加速地基土中水的排出。排水系统主要由竖向砂桩构成。

图1 振动挤密砂桩平面布置示意图

3 结果分析

3.1 桩间土标准贯入试验

用挤密砂桩复合地基桩间土的标准贯入试验锤击数来判别地基土性能好坏和是否液化，这一方法简单直接，结果可靠，易于掌握。因此本工程段在评价挤密砂桩对液化地基的处理效果时，首选这种方法。为此在砂桩施工前后，均对本工程段的地基土进行了标准贯入试验，以便对处理效果进行直观比较。检测结果如(表1)。

表1 砂桩处理前后桩间土标贯试验成果统计表

从(表1)可以看出，该工程段的液化地基经挤密砂桩处理后，标贯平均击数有了很大提高，这表明砂桩的处理效果很明显，有效的解决了地基土的液化问题，达到了工程处理液化的目的。

3.2 桩身重型动力触探试验

砂桩桩身的完整性及其施工质量对液化地基的处理效果也起到重要作用，均匀完整的砂桩是一个良好的竖向排水通道，能够缩短排水路径，加速水的排出，及时消散土中的孔隙水压力，避免液化现象的发生。本文挑选了其中具有代表性的砂桩，动力触探现场试验图及其桩身动力触探试验锤击数随深度分布图，如(图2，图3)。从图中可以看出，桩身动力触探锤击数均较大，显示砂桩的施工质量较好，满足规范和设计的要求。

图2桩身动力触探现场试验图 图3桩身动力触探击数图

4 结论与建议

通过分析挤密砂桩处理液化地基的机理，结合具体工程实例，通过成桩前后桩间土标准贯入试验锤击数的对比以及桩身的动力触探试验，评价了挤密砂桩在泉州某公路液化地基处理中的应用，得出了以下主要结论：

1)饱和的松散砂土在振动作用下有重新排列变密的趋势，这势必要求排出孔隙间的水，若土体排水不畅，孔隙水压力则必然上升，造成土颗粒间有效正应力减小，当其降为零时，砂颗粒悬浮在水中，砂土彻底液化，丧失强度。

2)标准贯入试验能直观体现地基土的密实度，评价其抗液化能力。砂桩施工前后桩间土标贯击数的对比结果表明挤密砂桩对本工程段液化地基的处理效果良好，达到了抗震防液化的目的，满足工程的需要。

3)砂桩施工质量的好坏也是影响液化地基处理效果的重要因素之一，而桩身的动力触探试验可以检验桩身质量的好坏及其完整性，从而间接评价其处理效果。

4)振动挤密砂桩能较大的提高地基土的密实度和强度，起到加固抗液化的作用，同时该方法施工简单易行，成本低廉，是工程中液化地基处理中一种较为实用的方法。但目前为止对振动挤密砂桩的工程应用多以经验为主，因此有待进一步深入的研究。

[1]林飞. 高速公路挤密砂桩处置液化土的性能评价[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2010, (10):125-127.

[2]孙克锦. 砂桩加固液化土地基的工程实践[J]. 四川建筑, 2007, 27(4):94-95.

[3]张轩. 砂土地基地震液化处理方法初步研究[J]. 西部探矿工程, 2014, 26(5):4-6.

[4]张春梅, 冯玉芹, 王英浩. 砂土地震液化危害及地基处理研究[J]. 世界地震工程, 2007, 23(3): 133-137.

[5]杨德生, 叶真华. 振动挤密砂桩消除砂土液化和提高单桩承载力[J]. 勘察科学技术, 2003, (4):6-8.

Application of vibration and compaction sand pile in treatment of highway liquefied foundation

LINJinhui

(Fujian Academy of Building Research, Fuzhou 350025)

Taking a highway in Quanzhou as an example, in view of the foundation treatment method of vibration and compaction piles along the highway, through analyzing the results of the standard penetration test of soil between piles after the treatment and heavy cone dynamic penetration test in the piles, this paper discusses the sand compaction pile treatment effect of the liquefied soil combining the theoretical analysis. The analysis results show that, the treatment effect of sand compaction piles of soil liquefaction on the freeway is good, and it has the advantage of simple construction and low cost. Based on the actual project, according to the theoretical analysis, this paper has the certain representation and reference value with a view to the same area of sandy soil liquefaction processing.

Vibration and compaction sand pile; Liquefied foundation; Foundation treatment

林晋辉(1989.4- )，男，助理工程师。

2015-04-21

U

A

1004-6135(2015)05-0091-03