可液化场地地基振冲碎石桩联合柱锤冲扩桩加固方法实践研究

刘志勇

(核工业二七○研究所，江西 南昌　330299)

近年来，地基处理技术与应用得到了持续、长足的发展。越来越多的不良地基，为地基处理新技术的发展提供了机会和挑战(刘汉龙等，2016)。可液化土层是一种无粘性不良土质所构成的土层，这种土层在一些恒荷载或活荷载作用下，会导致空隙水压力变大，而土质又无粘性，使得土层的抗剪性能差，导致土层液化，造成地基出现滑移，严重威胁上部建筑物的安全与稳定。因此，可液化土层的处理对于地基建设来说具有重大意义。

通州区污泥无害化处理及资源化利用工程场地地层岩性由人工填土、砂质粉土、粉质粘土、粉细砂和细砂等组成，地基承载力低，未经处理不能满足工业与民用建筑的要求。处理砂土等可液化地基的方法有水坠换填法(水坠砂法)、振冲法、换填垫层法、水泥土搅拌法(白涛等，2008)。水坠砂法是将砂浆回填到基坑中，然后用水连续浇筑砂体，使其在水的作用下不断密实，以达到地基承载力的方法，是一种适合当地自然条件的地基处理技术。郑勋涛(2002)采用水坠砂法对地表大面积覆盖着风积砂, 表层土为厚层细砂的场地进行地基加固，地基承载力提高了1.2～3倍，获得良好的加固效果。振冲法是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入土孔中，形成大直径的碎石或砂所构成的密实桩体。周健等(2003)采用无填料振冲法对粉细砂地基进行加固处理，获得显著效果。换填垫层法就是挖除浅层软弱土或不良土，分层碾压或夯实换填材料的方法，主要适用于处理浅层软弱土层(地基处理手册，2000)。倪红梅(2006)通过工程实例介绍了换填垫层法在具体工程应用中的设计思路、施工过程、检验效果，以促使工程人员在选择软土地基处理方法时优先采用该方法。水泥土搅拌法是利用水泥等固化剂通过特定搅拌机械，在地基深处就地将软土与固化剂强制搅拌，通过一系列物理化学反应，使土体硬结的方法，适用于处理正常固结的淤泥和淤泥质土、粉土等地基。综合考虑各方面的因素，本文主要采用振冲法，联合柱锤冲扩桩对地基进行加固。联合柱锤冲扩桩就是反复将柱状重锤提到高处使其自由落下冲击成孔，然后分层夯实填料形成扩大桩体，与桩间土组成复合地基的地基处理方法，该法施工简便易行，振动及噪音小，适用于处理杂填土、粉土、粘性土、素填土和黄土等地基。

本文通过对北京通州污泥无害化处理及资源化利用工程的地基加固案例，探讨了振冲碎石桩加固地基消除液化危险，同时联合柱锤冲扩桩进一步补强地基承载力的联合地基加固方法。实践表明，该方法可满足场地液化且表层地基承载力差场地的地基加固要求，且相对经济便捷，可为此类型的地基加固工程提供参考和借鉴。

1　案例概况

通州区污泥无害化处理及资源化利用工程位于北京市通州区大运河森林公园和北运河新堤路的东侧。场地新建工程包括污水处理厂房、办公楼、地磅房、雨水池等，具体建筑情况及设计基地压力详见表1。按照场地的地质条件，设计方要求地基承载力达到极限值280 kPa(根据规范，即设计要求的承载力特征值为140 kPa)，且能够消除饱和土体的液化。

表1　拟建建(构)筑物情况一览表

2　工程地质条件及主要问题

地貌单元属潮白河冲积平原，场地平坦。拟建场地抗震设防烈度为8度。勘察揭露两层地下水。第一层为孔隙潜水，含水层为细砂层，地下水变幅一般1～3 m；第二层为层间水，层间水含水层为细砂层，隔水顶板高程2～3 m，承压水头约4.0 m。场地地层岩性由人工填土、砂质粉土、粉质粘土、粉细砂和细砂等组成，地层情况见表2所示。勘察未发现沟浜、河道、墓穴、防空洞、孤石等对工程不利的埋藏物。勘查表明场区内的饱和砂类土存在液化问题，液化等级为中等。场地内的杂填土、素填土岩土性状差异较大，物理力学性质较差。因此本场地面临的主要问题有两点： (1)饱和砂类土的液化问题； (2)表层填土层的地基承载力问题。表层填土的厚度分布及组成成分差异较大，不宜作为建筑物的直接持力层。

表2　场地地层岩性情况表

3　加固方案选取

地基直接持力层主要为填土且分布不均、基底下存在中等液化的粉细砂层，局部有软塑粘性土软弱下卧层存在，天然地基的均匀性、承载力、变形、 抗震等均不能满足设计要求，地基处理的关键问题在于以下两点：(1)提高地基承载力；(2)部分消除地基液化，液化指数不大于5(王洋等，2013)。对于可液化且地基承载力不高的地层，如不考虑换填，常用的方法有振冲碎石桩、振动沉管碎石桩、夯扩碎石桩、强夯等加固方法(林本海等，1999)。通过此类振动或冲击作用对可液化土层可起到挤密、排水降压及砂基预震等，对增强抗液化能力是极为有利的(汪闻韶，1996)。综合考虑场地土层条件、造价、工程加固效果、操作施工难度及工期，振冲碎石桩对饱和砂土具有增强其抗液化性外，同时可提高地基土承载力和减少变形的作用，具有良好的挤密、排水降压、砂基预振效应，适合使用于该工程的抗液化处理(许明军等，2003)。综合考虑后，拟使用振冲碎石法和柱锤冲扩桩结合的方法，对该工程进行地基处理。

3.1　振冲碎石桩复合地基设计参数

场地拟建污泥处理车间设计为筏板基础、框架结构。采用振冲碎石桩复合地基，本次试验桩分南、北两个区布置，每区布置20根试验桩；主要设计参数见表3。

通过振冲碎石桩加固后，现场测试得到的可液化层标贯击数可达到29击以上，能够消除液化土层的威胁。然而，通过对加固后地基承载力有现测静力载荷试验结果进行分析，发现只通过振冲碎石桩加固并不能达到承载力设计要求。地基静荷载曲线如图1。

表3　试验区场地振冲碎石桩复合地基主要设计参数

北试验区548#、600#试验点加载压力为175 kPa时，沉降位移急剧增大，p-s曲线出现明显陡降段；故取各试验点出现明显陡降段的前一级荷载为极限承载力值。据此确定548#、600#试验点极限承载力值为140 kPa。

南试验区1519#试验点加载压力为140 kPa时，1572#试验点加载压力为210 kPa时，沉降位移急剧增大，p-s曲线出现明显陡降段；故取各试验点出现明显陡降段的前一级荷载为极限承载力值。据此确定1572#、1519#试验点极限承载力值分别为105 kPa，175 kPa。可知局部地区地基承载力尚缺少安全余量。因此需采用地基承载力补强措施。

图1　地基静载荷试验曲线图Fig.1　The curve graph of the foundation static load tests

3.2　柱锤冲扩桩补强设计参数

因柱锤冲扩碎石桩适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。在柱锤冲扩成孔和成桩过程中，通过挤密、夯实、固结、挤密、生石灰的水化固结作用，土体的整体性得到提高，密实度增加，含水率减小，从而增加地基承载力。同时通过柱锤冲扩桩冲击载荷作用，冲击波和用力扩散同时作用于周围土体，增加周围土体密实度。并因冲扩侧向挤密，形成二次挤密，与周围土体形成复合地基，从而提高地基承载力。柱锤冲扩碎石桩采用夯锤直径200～600 mm、长度100～500 cm、质量1000～5000 kg夯锤，锤底形状稍带凹槽。布桩形式采用三角形。平面布置为一字形工程扩展。当夯送的瞬间锤体沉入量很小(一般每击沉量不超过150 mm)，可认为孔底已被挤密。为保证桩底密实度，一般送到桩底设计标高后，再空夯两面次。夯扩填筑材料必须使用坚硬没有风化的碎石、卵石及拌和的灰土。粒径以20～50 mm为宜，最大粒径不大于80 mm。含泥量一般控制在5%以内。分层填入1∶1块料和生石灰。当夯送的瞬间锤体沉入量不超过150 mm，可认为孔底已被挤密。桩体分层夯实厚度可按每击或5击控制，如不符合设计要求应送夯实，充盈系数k>1.5。夯填至桩顶设计标高以上0.5 m。

表4　振冲碎石桩联合柱锤冲扩桩复合地基处理有关参数一览表

4　效果检验

为了判断可液化场地地基振冲碎石桩联合柱锤冲扩桩加固方法效果，对现场地基处理效果进行判断，采用RS-JYB静载试验、重型动力触探试验贯入实验进行现场原位测试。具体测试工作如表5所示。

表5　加固效果现场原位检测工作量表

图2　标准贯入试验成果图Fig.2　The curve graph of the standard penetration tests

根据现场试验数据，所得测试成果表如表6、表7和图2所示。表6中检测数据为通过振冲碎石桩联合柱锤冲扩桩联合处理后，通州区污泥无害化处理及资源化利用工程场地地层复合地基的静载试验成果。通过标准贯入试验，在钻孔揭露深度范围内，通州区污泥无害化处理及资源化利用工程场地地基液化已消除。通过重型动力触探试验，通州区污泥无害化处理及资源化利用工程污泥处理车间振冲碎石桩复合地基密实度为中密-密实。通过对数据的分析可知，标准贯入试验点原位实验中，最小试验锤击数为21击，且土层均为粉细砂，根据标准贯入试验锤击数与地基承载力的关系，锤击数21次时，对应的地基承载力为341.37 kPa，达到设计要求。

表6　碎石桩复合地基静载试验成果表

表7　振冲碎石桩桩联合柱锤冲扩桩重型圆锥动力触探成果表

本场地地基处理施工完成一个月后，业主组织第三方检测机构进行了验收试验，其场地液化的消除和地基承载力的提高均得到了较好的解决，使该建筑地基能满足安全性要求。

5　结论

(1)单纯采用振冲碎石桩，可加固地基消除液化土层，同时提高地基承载力，但造价略高，可考虑联合其他价格较低、方便操作的加固方法进一步补强地基承载力的联合加固方法。

(2)振冲碎石桩联合柱锤冲扩桩联合地基加固方法，可满足地可液化且基承载力差场地的地基加固要求，且相对经济便捷。如单纯振冲碎石桩满足承载力要求，可不用补强措施；如振冲碎石桩消除液化，但不满足承载力要求可采用柱锤冲扩桩联合加固。