振冲碎石桩处理饱和粉砂液化土层的应用研究

2022-04-22姬忠凯JIZhongkai李川LIChuan

价值工程 2022年15期

姬忠凯JI Zhong-kai；李川LI Chuan

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

0 引言

地震发生时，在烈度相对较高的地区地下砂层经常会发生液化，常见的现象就是冒砂喷水。饱和砂层液化现象作为地震灾害常见的一种主要形式，常常会引起建（构）筑物结构的破坏和地基的不均匀沉降，造成巨大的经济损失，甚至出现人员伤亡[1]。多年来经过相关行业专家及学者的探索和实践，全部消除地基液化沉陷的措施主要有以下几种：桩基、加密法和换土法[2]。建（构）筑物采用振冲碎石桩法或灌注桩桩基础消除地基沉陷液化措施，其效果已被大量的震后调查结果所验证[3]。杨生彬等根据饱和砂土液化地基治理试验研究，证明了采用大直径振冲碎石桩复合地基对饱和砂土液化的处理，桩间土、桩体及复合地基的承载性能、变形参数及液化处理效果等均有较大的提高，对相似工程具有一定的借鉴意义[4]。马玉增等在南水北调穿漳工程地基处理中，对振冲碎石桩的施工工艺流程及操作要点、资源配置、质量检测及控制、安全及环保措施等进行了总结[5]。本文主要根据包头某净水厂工程的饱和粉砂液化土层，进行试桩，并对试验数据进行分析，从而对液化处理的效果进行验证。

1 工程概况

内蒙古某生态治理及南海湿地修复保护工程水质净化处理厂位于包头市，主要建（构）筑物为：提升泵房及格栅间（尺寸为25.5m×12.2m，建筑面积343.00m2）、水处理车间（尺寸为22.9m×25.5m，建筑面积887.00m2）、清水池（尺寸为50m×30m，建筑面积1500.00m2）、送水泵房及10kV 变配电间（尺寸为60.2m×25.9m，“L 型”建筑面积872.00m2）、污泥浓缩池及排泥泵房（建筑面积300.00m2）、综合加药间及锅炉房（尺寸为43.7m×10.5m，建筑面积462.00m2）、粗格栅及调水泵房（尺寸为17.2m×18.2m，建筑面积150.45m2）、附属用房（尺寸为50.8m×14.9m，建筑面积683.17m2）等8 个建（构）筑物。除综合加药间及锅炉房和附属用房为独立基础外，其余均为筏板基础。

2 工程水文地质条件

2.1 工程地质条件

拟建场地在地貌上属山前冲洪积平原与黄河冲积平原的交汇地带。本次勘探深度内的地层除表层素填土及耕土外，由上至下按沉积物成因和时代划分为第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）地层和第四系上新统冲积（Q3al）地层。依据工程性质及岩性不同，可划分为五大层，各层分别描述如下：

第①层耕土（Q4pd）：黄褐色，以粉土、粉砂为主，表层含植物根系，天然状态下呈松散、稍湿状态。该层厚度变化在0.5～1.3m 之间，层底标高在999.75～1001.89m 之间。

第①层素填土（Q4ml）：黄褐色，以粉土为主，该层为民房基坑回填土，仅在部分钻孔揭露，天然状态下呈松散、稍湿状态。该层厚度变化在1.7～1.9m 之间，层底标高在1000.87～1001.07m 之间。

第②层粉质黏土（Q4al+pl）：黄褐色，含云母，可塑～软塑状态，干强度中等，局部有粉土、粉砂夹层。该层厚度变化在4.0～6.1m 之间，层底标高在994.44～996.79m 之间。

第③层粉砂（Q3al）：灰褐色，含云母，颗粒矿物成分以长石、石英质为主，局部有粉土、细砂夹层，天然状态下呈饱和，稍密状态。该层厚度变化在6.0～8.3m 之间，层底标高在987.75～988.89m 之间。

第④层粉砂（Q3al）：灰褐色～黑灰色，含云母，颗粒矿物成分以长石、石英质为主，局部有粉土、中砂夹层，天然状态下呈饱和，中密状态。该层厚度变化在8.7～9.9m 之间，层底标高在978.43～979.59m 之间。

第⑤层粉砂（Q3al）：黑灰色，含云母，颗粒矿物成分以长石、石英质为主，局部有粉质黏土、中砂夹层，天然状态下呈饱和，密实状态。（表1）

表1 土层物理力学性质指标

2.2 水文地质条件

本场地地下水类型属于潜水，拟建场地地下水埋深在现地表下0.6～2.6m 之间，绝对标高在1000.03～1001.19m之间。本场地地下水补给主要来源为大气降水及地下径流。场地内第③层饱和粉砂、第④层饱和粉砂层存在液化的可能，需采用标准贯入试验判别法进行液化判别。该次勘察在场地内共选取了5 个钻孔分别进行了液化判别，经计算，场地内第③层饱和粉砂属于液化土层，液化指数Ile介于18.6～22.3 之间，液化等级为严重。

2.3 液化沉陷消除措施

由于本工程抗震设防类别为乙类，需要全部消除液化沉陷，应进行地基处理，本工程拟采用振冲碎石桩消除液化沉陷。

3 试验方案设计

3.1 试验参数及平面布置设计

在拟建场地上（应避开各拟建建、构筑物外扩5m 的范围）进行现场试验，以确定设计参数和处理效果。采用75kW 振冲器，振冲碎石桩直径800mm，桩长13m，正三角形布桩。为了使试验合理，为设计提供相应的参数，按不同桩间距（2600mm、2300mm、2000mm）分为三组，每组19根，进行试验分析。每组试验桩布置图见图1。

图1 每组试验桩布置图

3.2 试验方法及目的

试桩施工结束后，按照相关规范和设计图纸要求检测桩体及桩间土的承载性能，同时对饱和砂土液化地基处理效果进行判定。试验方法主要有：

①单桩复合地基静载试验，通过实验确定经碎石桩处理后复合地基承载力特征值是否满足设计要求。采用慢速维持荷载法，堆载做为反力，堆载配重不小于最大加载量的1.2 倍。通过油压千斤顶增加荷载，由位移传感器测定沉降量。试验开始前，需凿除部分桩头至桩顶试验标高，桩间土也需要开挖至桩顶试验标高，在承压板下铺设150mm 厚垫层（中粗砂），将承压板的中心和桩心对齐，油压千斤顶平放于承压板之上，在承压板上放置承重平台及配重（按照正交直径方向的原则），然后按照试验设计的加荷原则逐级加荷。

②采用标准贯入试验进行桩间土液化情况判别。原则上在三角形的形心处进行桩间土质量的检测；首先使用钻机钻进到拟进行试验的土层标高以上约150mm，清理孔洞后，然后装上标准贯入器；锤击时采用自动脱钩的自由落锤法；以15～30 击/min 的速度将标准贯入器打入拟试验的土层中，先打入150mm 不计击数，继续贯入土中300mm进行试验，同时记录锤击数N。拔出贯入器，将贯入器中的土样取出，并对土样进行鉴别和描述；如果需要进行下一深度的标准贯入试验时，则继续钻进，重复上述操作步骤。一般每次试验的间隔为1.0m，如果土层厚度小于1.0m时，那么每层层土均需要进行一次试验。

③采用重型动力触探试验对桩体密实度进行检验。桩体质量检测位置定在桩中心；锤击时采用自动脱钩的自由落锤法；以15～30 击/min 的速度将标准贯入器打入拟试验的土层中，先打入150mm 不计击数，继续贯入土中100mm进行试验，记录锤击数N＇63.5。试验自桩顶至桩底连续贯入。

4 试验结果及分析

4.1 单桩复合地基静载试验

根据规范要求，复合地基承载力特征值的确定原则：①当能够确定p～s 曲线上极限荷载q 时，当极限荷载q 大于等于对应比例界限的2 倍时，则取该比例界限；当极限荷载q 小于对应比例界限的2 倍时，取极限荷载的1/2；②当p～s 曲线为平缓的光滑曲线时，需要按相对变形值确定，取s/d 等于0.010 所为应的压力，且所取的承载力特征值不应大于最大试验荷载的1/2。本项目设计图纸要求合地基承载力特征值不小于180kPa。

在每组试验桩分别布置一个单桩复合地基静载荷试验点，即SZ1、SZ2 和SZ3，各组试验点p-s 曲线和s-lgt 曲线如图2~图4 所示。

图2 SZ1 试验点p-s 曲线和s-lgt 曲线

图4 SZ3 试验点p-s 曲线和s-lgt 曲线

SZ1 试验点最大加载到324kPa，总沉降量78.34mm，沉降急剧增大，p-s 曲线为陡降型，s～lgt 明显向下弯曲。根据上述复合地基承载力特征值的确定原则，该试验点单桩复合地基承载力特征值为162kPa，不符合设计要求。SZ2试验点最大加载到360kPa，总沉降量15.56mm，残余沉降量9.07mm，p-s 曲线为缓变型，s～lgt 无明显向下弯曲。根据上述复合地基承载力特征值的确定原则，该试验点单桩复合地基承载力特征值为180kPa，复合设计要求。SZ3 试验点最大加载到360kPa，总沉降量17.13mm，残余沉降量10.64mm，p-s 曲线为缓变型，s～lgt 无明显向下弯曲。根据上述复合地基承载力特征值的确定原则，该试验点单桩复合地基承载力特征值为180kPa，复合设计要求。