振冲碎石桩处理严重液化地基的应用研究

冀健红，姜璇，刁慧贤

（1.河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450008；2.中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南 郑州 450007）

1 引言

振冲碎石桩是利用振冲器振动结合高压水冲将振冲器逐渐沉入土中成孔，然后向孔内逐段填入碎石料并用振冲器振挤密实制成碎石桩体，形成桩体和桩间土共同工作的复合地基。振动水冲法（振冲法）由德国Keller公司于1937年首次用于处理松砂地基，1977年引进中国后即迅速推广。大量工程实践已充分验证了振冲碎石桩复合地基抵抗地震液化的显著功效，但如何反映其抗液化的成效，合理进行振冲碎石桩复合地基的液化检验和判别，仍然没有很好地解决。

国内主要采用《建筑抗震设计规范》给出的液化判别法（以下简称规范法），该法规定：振冲碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于液化判别标准贯入锤击数的临界值Ncr。在此基础上，何广讷考虑了排水效应和应力集中效应，对标准贯入锤击数临界值进行修正，提出了功效当量标贯法。

国外主流判别方法是seed简化法，其判断依据：循环阻力比（CRR）大于循环应力比（CSR），则场地饱和砂土不液化，否则为液化。在此基础上，方磊考虑了排水效应和应力集中效应，提出了一种适用于碎石桩复合地基的修正“seed简化法”；周元强考虑了应力集中效应，提出了一种适用于碎石桩复合地基的液化判别方法。

对缅甸某高地震烈度区严重液化场地采用振冲碎石桩复合地基进行处理，结合规范法和功效当量标贯法对试桩地基进行液化判别，确定合理的工程桩设计参数，并对工程桩地基再次进行液化判别。

2 振冲碎石桩复合地基的抗液化机理

振冲碎石桩复合地基抗液化的作用主要表现在以下4个方面：①桩间土的挤密效应。碎石桩在成孔、成桩过程中对周围土体存在振动挤密作用，增强了桩间土的密实度。②桩体应力集中效应。碎石桩的刚度远大于桩间土，在荷载作用下，二者协调变形，地震水平剪应力多集中在桩体上，桩间土的地震剪应力较小。③碎石桩的排水效应。碎石桩为复合地基提供了排水减压通道，通过碎石桩排水限制了桩间土中超孔隙水压力的增长。④预震效应。振冲碎石桩施工过程中的振动改变了桩间土料的骨架结构，相当于给其提供了预震功效，提高其抗液化的能力。

3 振冲碎石桩复合地基的液化判别方法

3.1 规范法

《建筑抗震设计规范》给出在地面下20 m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr按式（1）计算。

N≥Ncr，不液化；N＜Ncr，液化，然后按式（2）计算每个钻孔的液化指数IlE，综合划分地基的液化等级。

式（2）中：N0—标准贯入锤击数基准值；β—调整系数；ds—标准贯入点深度（m）；dw—地下水位（m）；ρc—黏粒含量百分率；Ni、Ncri—i点标准贯入锤击数的实测值和临界值；di—i点所代表的土层厚度；Wi—i土层单位土层厚度的层位影响权函数值。

该法仅考虑了桩间土的挤密效应，判别结果偏于保守。

3.2 功效当量标贯法

何广钠在规范法的基础上，综合考虑碎石桩排水效应和应力集中效应，对标准贯入锤击数临界值Ncr进行修正，提出了功效当量标贯判别法。

桩体应力集中效应的减震系数ητ按式（3）计算。

碎石桩排水减压功效的液化折减系数ημ按式（4）计算。

综上所述，振冲碎石桩复合地基液化判别的功效当量标贯法判别式为：

式（5）中：K1、K2—分项安全系数；m—桩体置换率；n—桩土应力比；I—场地的地震烈度。

N≥（Ncr）F，不液化；N＜（Ncr）F，液化，然后按式（2）计算每个钻孔的液化指数IlE，综合划分地基的液化等级。

该法综合考虑了碎石桩复合地基的多种抗液化功效，且计算方便、工程实用性强，但由于两个折减系数仅由少数的试验资料定量，实际工程中需注意选用合适的分项安全系数。

4 工程实例

4.1 地质条件

缅甸某工程场地属于海岸堆积地貌，勘测深度内揭露6个主层、4个亚层，岩土工程特性如表1所示。地下水埋深较浅，低洼处到地面。工程位于地震烈度VIII度区，地震动峰值加速度为0.30 g，设计地震分组为第三分组，液化土层为层①、②、②1、③、③1，均为粉细砂。

表1 土层主要物理力学指标推荐值表

试验孔53、54、55按式（1）、（2）进行液化判别，N0取16，β取1.05，ρc取3，dw取0，计算结果如表2所示，IlE平均值＞18，严重液化。

表2 天然土层液化指数计算表

4.2 试桩

工程液化土层为粉细砂，其黏粒含量8%～19%，粉粒含量8%～28%，渗透系数1.20×10-3～5.00×10-3cm/s，拟采用振冲碎石桩进行地基处理，桩径φ为800 mm，等边三角形布桩，桩端至层③1粉细砂下界，试桩范围约13 m×13 m。拟定三个试桩方案，方案一：桩间距1.60 m；方案二：桩间距1.80 m；方案三：桩间距2.00 m。

成桩10 d后进行试桩检测，标准贯入试验结果如表3所示，按规范法进行计算液化指数，结果如表4所示。

表3 试桩检测的标贯击数表

表4 规范法液化指数计算表

可以看出：①振冲碎石桩处理后的液化指数显著降低。②方案二的液化指数最低，说明桩间距1.80 m较合适。③表3数据显示只有中上部土层的标贯击数显著提高，而中下部土层的标贯击数没有提高，究其原因，一是中下部的粉细砂中黏粒含量多，约12%～19%，可能导致桩间土的挤密效果差；二是碎石桩桩端至层④1粉质黏土上界，导致成孔时碎石桩可能进入层④1，该层软塑～可塑，黏聚力仅12 kPa，不易成桩，导致桩体中下部的填料向下沉而非径向挤入周围土体，所以桩间土挤密效果差。④方案二IlE平均值＞18，仍为严重液化，显然这个结论未能反映出碎石桩复合地基全部的抗液化能力，结论不合理，因此采用功效当量标贯法进一步进行液化判别。m=0.18，n=2，I=8，K1=K2=1.10，计算结果如表5所示，6＜IlE平均值≤18，中等液化。综合判定方案二处理后的地基为中等液化。

表5 功效当量标贯法液化指数计算表

4.3 工程桩

工程桩设计方案：桩径φ800 mm，等边三角形布桩，桩间距1.80 m，桩端距层④1粉质黏土上界大于2.00 m。

根据工程桩的标准贯入试验结果，采用规范法计算IlE平均值=13.60，中等液化，采用功效当量标贯法判别为不液化。

可以看出，工程桩的桩长缩短且大面积布桩，有效提高了桩间土的挤密效果，增强了其抗液化的能力。

5 结语

①振冲碎石桩处理黏粒含量8%～19%的液化粉细砂地基是可行的，可以显著降低液化指数。②振冲碎石桩并非桩间距越小，桩间土挤密效果越好，而是存在最佳桩间距。③振冲碎石桩桩端应进入较好的土层，如无法满足，桩端应距软弱土层有一定的安全距离。④对于高地震烈度区严重液化场地的振冲碎石桩复合地基，采用规范法判别容易出现不合理现象，需综合考虑其抗液化功效，结合其他判别方法进行判定。⑤与试桩小范围布桩相比，大面积布置工程桩时，桩间土的挤密效果显著增强。