地震液化与盐渍土共生地基处理技术探讨

赵新瑞

(青海省交通建设管理有限公司 西宁 810021)

引言

液化现象是指饱和砂土受到振动荷载的作用，丧失了抗剪强度而发生失稳[1]，地震时经常会发生。Casagrade通过对无黏性土在剪切变形中体积发生变化的特性进行研究，提出用临界孔隙比去解释砂土液化的原因；随后，Moslov通过巴尔坎砂土振动密实实验，总结提出饱和砂土稳定性动力破坏渗透理论。周海林等[2]为研究孔隙水压力在砂土液化中的发展过程，开展动三轴实验，得到了砂土液化与孔隙水压力的关系，以及不同发展阶段孔隙水压力的变化过程等。刘汉龙等[3，4]为研究饱和重塑粉质土性质，采用多功能静动液压剪切仪进行了室内试验，研究土样孔压变化规律。王建党、张胜稳等[5，6]提出采用强夯法处理盐渍土，从湿陷性盐渍土的湿陷机理与强夯机理进行分析，并结合实际工程介绍了强夯处理法的施工要点、施工方法和施工工艺等，对不同夯击能作用下的处理效果进行探讨。

盐渍土是易溶盐含量大于0.3%的土。氯盐渍土易遭溶蚀而产生湿陷、坍塌等病害。从20世纪40年代起，苏联工程师们就开始对盐渍土工程特性进行研究，我国从20世纪70年代起，开始了对盐渍土的大量实验研究。铁道建筑研究所、中铁西北研究所和铁道第一勘察设计院等[7，8]分别针对察尔汗湖盐渍土地区的亚氯盐、亚硫酸盐和氯盐渍土的工程相关特性对路基工程的不利影响及处理措施进行了探究。秦宝和(2007)结合武广客运专线沿线的盐渍土开展强夯和强夯置换工艺试验，较好的处理了工程面临的实际问题。从研究现状看，盐渍土作为路堤填料的研究较少，未形成看借鉴的技术资料。调研发现，国外对盐碱沼泽研究较为少见，多以对盐渍土和沼泽软土分别进行研究[9-11]。目前，国内外盐渍软土地基综合治理技术主要包括：盐岩填充，土壤替代垫层法，改良(路基)法，断层分离法，强夯法和强夯置换法，颗粒桩等。

1 工程概况

德令哈至香日德公路位于青海省海西州境内，处于柴达木盆地东部边缘，是G6京藏高速联络线G0615德令哈至马尔康公路的组成部分，路线全长176.49km。项目沿线地质复杂，地下水丰富、埋藏较浅，地基土质以风积沙、粉细沙土和软弱黏土为主要成分，矿化度较高，水草沼泽路段大多伴随着盐碱土和地震液化现象，施工难度极大。地震液化及其和盐碱沼泽共生路段地基处理技术是德香公路建设的重点和难点问题[12，13]。

设计中将该路段划分为严重液化等级和中等液化等级两个级别后，分别采取振动挤密砾石桩和强夯置换两种处理方法。施工中采用冲击碾压处理和等载预压方案，将会导致工期受到影响，同时也会由于深层得不到有效处理增加工后沉降和地震液化的可能，因此有必要综合考虑水草沼泽地基盐碱影响和地震液化的同时，保障施工期沉降稳定和控制工后沉降。

2 地震液化与盐渍土地基处治方案

由于德香公路大部分液化土地基与盐碱水草沼泽共生，因此地基处理不仅要消除地震液化，还要满足承载力和基础稳定性。本文以碎石桩和强夯置换为主要方案，研究共生地基处理技术。

德香高速公路的地层土壤为粉质砂质土壤，呈薄盐晶层，为氯盐型高盐土壤强盐渍土。盐晶的厚度一般为2.0～10.0m。盐渍土中的盐水晶体腐蚀性强，溶液沉降性强，工程地质性能差，不适合天然地基。为确保路基的稳定性不受地下水影响，选用碎石桩(K90+000～K108 +400)和强夯置换法(K62+116～K67+475.8)作为地基处理的主要方法。德香高速公路盐渍土和盐碱沼泽特殊路基设计见表1。

表1 德香公路盐渍土、盐碱沼泽特殊路基设计

3 砾石桩复合地基加固效果试验研究

在碎石桩的设计过程中，为了避免干燥和略湿的盐渍土中的盐塌陷，应首先清理碎石桩周围的多年盐壳，然后对碎石桩复合地基进行处理。具体设计参数见表2。

表2 砾石桩加固主要设计参数表

3.1 砾石桩处治设计

3.1.1 桩体材料

对于盐渍土地区，桩的材料应为中粗砂，砂砾，角砾岩，砾石，砂砾等具有耐腐蚀性的材料。 应采取当地材料以降低生产和运输成本。砾石桩由砂和砾石(以下称为砾石桩)制成，最大粒径不大于80mm。5～50mm的含量不低于50%，含泥量低于5%。风化石不能用作填料。

3.1.2 桩径

碎石桩的直径应根据地基承载力，桩基材料的形状，地基的适应性(地基土的结合力)，桩的形成方法，桩的形成难度和能力确定机械设备。目前，在公路工程中，大多采用0.3～0.6m的桩径，0.5m的桩径是最广泛使用的。通过综合分析，德香公路基础碎石桩直径为0.5m。

3.1.3 桩长

桩长取决于地基承载力，软土厚度，地基变形和地质条件，但也受施工机械的限制。 当软土层厚度较小且承载层较硬时，桩长应为道路的坚硬承载层;但当软土层较厚时，桩长应根据地基承载力，地质条件和施工机械确定，最终桩长应根据试桩的处理效果确定。 德香高速公路碎石桩长度初步设计为8m。

3.1.4 桩间距

桩间距应通过现场试验确定。对于砂和粉砂基础，不容易比桩直径大4.5倍;对于黏土基础，不容易比桩直径大3倍。初步设计可根据地基处理前土壤的空隙率E0和地基处理后所需的空隙率E1计算。德香高速公路碎石桩间距初步设计为1.5m。

3.1.5 桩的平面布置及其他

在公路工程中，碎石桩通常采用等边三角形或方形排列，依靠桩的压实和位移，使基础压实更均匀，避免施工后不均匀沉降。由于德香盐湖地区大部分地区表面湿润柔软，碎石桩机不能进入，或者造纸机施工过程中沉降引起机械沉降和倾斜。在碎石桩施工前，应在地基处理范围内铺设0.3～0.5m厚的垫层，并充分压实。此外，碎石桩施工会产生一定的振动。为确保相邻建筑物和构筑物的安全，桩机与建筑物或构筑物之间的安全距离应大于8m。

德香公路砾石桩排列成等边三角形，桩间距1.5m。布局图如图1所示。

图1 砾石桩处治布置图

3.2 砾石桩处治施工

在碎石桩施工中采用振动沉管法(逐渐拉管法)，依次采用排桩法，即从一端到另一端，或采用交错驱动的方法形成桩。施工技术和施工要求的初步设计如下：

3.2.1 施工技术

(1)打桩机进入现场前，应先进行安装调试，保证机器的正常运行后到位。

(2)振动器(桩管)与设计的桩位对齐并振动以将土壤挤入孔中。

(3)提起振动器，从上部入口注入砂和砾石进行振动夯实。管道拉拔的最佳速度为1.5～3.0m/min。砂砾石的高度一般为1.0～1.5m，保留时间控制在10～20s范围内。

(4)重复(3)步骤，直到将桩堆到孔口。

(5)关闭并移动到下一个点。

3.2.2 施工要求

(1)桩身垂直度不应超过1.5L / 100(L为桩长)。

(2)桩点平面位置误差不大于15cm。

(3)桩的长度和直径不小于设计值(如果在建筑中的桩体范围内遇到硬层并且由监督工程师批准作为承载层，则可以停止钻孔)

3.3 现场测试

在增强处理之后，使用重(II)动态渗透测试来测试增强效果。标准穿透试验和板载试验用于测试加固效果。具体测试设计如表3。

表3 试验设计

相关测试设备和技术要求遵循《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)。动力触探试验中，深度是基于设计桩的长度，其长度在每个监测桩底部下方20cm至50cm处。单个桩体贯穿设计桩长1m。穿透试验中的锤击次数约为15次，即中等密度。在原始表面和桩之间的土壤上进行标准渗透试验。现场打桩施工如图2所示，板载试验如图3所示。

图2 现场成桩

图3 现场平板载荷试验

3.4 试验数据分析

3.4.1 复合地基承载力

单桩、桩间土及复合地基的荷载试验曲线如图4、图5、图6所示。计算数据如表4所示。该图表显示曲线平滑且规则。

表4 原地表和桩间土标准贯入试验结果

图4 单桩，桩间土及单桩复合地基载荷试验曲线

图5 单桩及桩间土载荷试验曲线

图6 单桩复合地基载荷试验曲线

试验得到碎石桩承载力为402kPa，桩间土承载力为120kPa，单桩复合地基承载力为233kPa，均符合设计要求。复合地基承载力可通过计算单桩与桩间承载力来确定。

Rcf=R1λ1mRpf+R2λ2(1-m)Rsf

(1)

其中，Rcf，Rpf和Rsf分别代表复合地基，桩身和桩间土的标准承载力值;R1和R2分别代表反映桩体与桩间土体实际承载力的修正系数，与地基地质条件和成桩方法等因素有关。可以看出，复合地基的承载力是桩土共同承受的。计算时，以R1 lambda 1和R2 lambda 2为1.57，取代单桩承载力和桩间土承载力，计算得到单桩复合地基承载力232kPa(实测值为233kPa)，结果较为接近。

3.4.2 桩身强度及桩间土承载力分析

由于碎石桩属于颗粒状物料桩，桩身强度主要取决于碎石桩周围盐渍土的侧壁约束。通过试验，桩体评价为中密。从荷载试验曲线可以看出，在前五次荷载前，五组试验曲线相似，沉降变化较小，但这些变化主要发生在后三个荷载中，这使得沉降位移变化更加明显。主要原因是碎石桩散物桩的紧凑性不如锤击和压实桩的紧凑性好。通过在顶部添加重复夯实或增加低能量夯实，可以改善桩的上部的紧凑性。然而，随着载荷的增加，沿深度方向不能进一步保证桩的紧凑性。由桩周土体所提供的约束能力低，并且砾石堆难以在下部和桩周围形成完全的压实效果。

3.4.3 复合地基变形模量计算

根据载荷试验成果，按下式进行计算[4]：

(2)

式中

P0—承压板上直线变形阶段的荷载(kPa)

S—与荷载P0对应的承压板沉降(mm)

D—承压板直径(mm)

泊松比砂取0.3，淤泥取0.35，黏土取0.42，砾石取0.1～0.2。

计算得到桩间土的变形模量为5.21MPa，单桩复合地基的变形模量为10.32MPa。由于桩周围的盐渍土被挤入桩体，在振动打桩过程中盐和水浸入桩体中，因此计算砂砾桩体的变形模量是不合适的。根据桩土应力比，桩体的变形模量可以计算为17.51MPa。

此外，复合地基的变形模量也可以通过以下公式确定：

ECS=R1λ1mEP+R2λ2(1-m)ES

(3)

R1λ1和R2λ2取值与前相同，将其代入公式得到：

ECS=Rλ[1+m(η-1)]ES

(4)

式中，Ecs、Ep、Es分别为复合地基、桩体以及桩间土的变形模量。

计算出的复合地基变形模量为10.11MPa，与实验值相近，相互接近。

4 总结

(1)碎石桩复合地基承载力和弹性模量的计算值与试验值较为接近，强夯置换复合地基的承载力、弹性模量可通过公式计算确定。碎石桩复合地基以及强夯置换复合地基在盐渍土地基中能够形成良好的排水通道，降低地下水位从而提高土体强度。强夯置换复合地基的效果最好，其次是碎石桩复合地基、强夯法和冲击碾压法。

(2)夯实能量是决定强夯、动力置换和冲击碾压技术中加固效果的重要指标。其大小与加筋地基的承载力和变形模量直接相关。碎石桩属于散体桩，由桩和桩间土共同承担上部荷载。碎石桩的桩土应力比约为3.2，强夯置换复合地基的墩土应力比约为2.1。采用碎石桩和强夯置换可有效减少盐渍土地基的沉降。