SDS桩处理饱和土层液化应用研究

吴清星 刘玉蕊 侯维杰 吴亚明 郭非凡 靳文博 崔晓亮 刘鹏飞 张孬

摘要：为了研究双向螺旋挤土灌注桩（SDS桩）在饱和土层轻微液化处理中的应用效果，利用PFC软件针对SDS桩的工作原理进行数值分析，并通过工程实例进行效果验证。结果表明：双向螺旋挤土灌注桩可以压密周围土体，减小土体孔隙比，一次性做到提高地基承载力与消除液化;双向螺旋挤土灌注桩的挤密效果具有明显的距离效应，距离扩孔位置越近，挤密效果越好;在砂层中的挤密效果较黏性土更加明显，挤密后砂土的标贯击数明显增加，而黏性土变化较小。6d间距以外标贯击数基本不受影响。

关键词：双向螺旋挤土灌注桩;饱和土层;液化处理

中图分类号：F293 文献标识码：A

文章编号：1001-9138-（2022）05-0066-07 收稿日期：2022-05-02

作者简介：吴清星，河南省有色工程勘察有限公司，总工程师;豫地科技集团有限公司、河南省地质研究院，教授级高级工程师。

刘玉蕊，河南省地质研究院，教授级高级工程师。

侯维杰，通讯作者，河南省有色工程勘察有限公司，工程师。

吴亚明、郭非凡、靳文博、崔晓亮、刘鹏飞、张孬，河南省有色工程勘察有限公司。

1 引言

地基液化是指饱和松砂或粉土的孔隙水压力在强烈振动荷载作用下骤然上升，土体有效应力减小为零，完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样的状态。地基液化会引起地面喷水冒砂、地基不均匀沉陷、地裂或土体滑移，造成建筑物破坏。因此，对于可液化地基，必须采取一定的抗液化措施以消除地基液化产生的不良影响。

双向螺旋挤土灌注桩（SDS桩）是由中国京冶工程技术有限公司、中冶建筑研究总院有限公司刘钟主持完成的新桩型。通过机械压力挤扩工艺，将桩孔中的土体挤压至桩孔周围土体中，形成圆柱挤土型灌注桩。该施工方法的挤密作用，可以在消除地基液化方面起到一定的作用，一次性做到提高地基承载力与消除液化。SDS桩的挤土效应，已有了一些研究成果。李志毅通过现场试验发现SDS桩的挤土效应主要在距桩位中心4倍桩径范围内，土的压缩性越高，挤土范围越大。邓益兵通过模型试验与颗粒流数值模拟对砂土层中螺旋挤扩钻具下旋成孔过程进行了研究，螺旋挤扩钻具的挤扩作用主要在距钻孔中心2.5D范围内，且均质土层中竖向应力越大，对土体挤扩范围越大;随着掘进旋转速度比的增加，可以增大土体扰动范围，将径向位移传递至更远处，史旦达的研究发现了类似的结果。本文通过PFC软件对SDS桩的工作原理进行了数值分析，并结合郑州地区的工程实例，针对SDS桩对饱和土层轻微液化的处理效果进行了验证。

2 SDS桩数值分析

从微观角度考虑，SDS桩的主要工作原理就是挤土扩孔后，由于桩周土体密度增加，进而增加桩周土体物理力学性质的同时，在灌注混凝土后回弹变形进而产生较大的桩身侧阻力，以达到提高桩体承载力之目的。为了更好的分析挤扩过程中周围土体的变化，采用PFC软件中墙体的运动模拟SDS桩的施工过程。

2.1 数值模型

相较于土体颗粒而言，整个桩体长度较大，本文对于数值模型进行了一定的简化，截取一部分进行分析。数值模型如图1所示。红色粒状体为扩孔挤入土体，蓝色粒状体为原始地层，其中模型中共包含红色球体116个，蓝色球体2200个，模型长高均为2m。模型中球体粒径大小分别为0.05～0.1cm，粒径大小分布形式为正态随机分布，模型总体初始孔隙比为0.1 （此处孔隙比为二维状态下孔隙比，非土力学中所论述的三维状态下土的孔隙比）。

为对SDS成桩过程进行分析，在PFC模型中不同部位设置3个测量圆，测量不同部位的孔隙比变化，以用于分析在挤土过程中桩体周围土体三相性质变化。其中测量圆分布如图2所示。

2.2 模拟结果与分析

设定左侧墙体行进速度为0.25cm/s，用于模拟双螺旋挤土过程。不同时间段下的模型变化如图3所示。

由图3可知，随着左边墙体的逐渐右移，与墙体接近的颗粒体相应向右移动，进而逐渐压密土体，达到SDS双螺旋桩体扩孔压密土体进而提高桩体承载力的目的。不同时间段不同测量圆中土体孔隙比变化如图4所示。

由图4可知，SDS桩双螺旋扩孔过程中，对于其孔周土体将产生一定的影响，主要表现为以下几点：

（1）距离扩孔位置越近，土体所受扰动越大。测量圆1、2、3所处位置不同，其孔隙比变化不同，并表现出距离越近，孔隙比降低值越大的趋势。

（2）固定位置土体孔隙比变化随扩孔距离增加而变化。随着加载时间的增加，单个测量圆处孔隙比表現出明显降低，后期逐渐保持不变的趋势，即在周围土体的约束作用下，测量圆处土体在压密至一定程度后，无法再次压密，此时主要为土体颗粒向周边土体传递扩孔压力。

（3） SDS扩孔效应具有明显的距离效应。随着距扩孔距离的增加，土体孔隙比变化量逐渐降低，即挤土效应具有一定的距离效应。

3 工程实例

3.1 工程概况

海尔（郑州）创新产业园空调项目位于郑州市南三环与京珠东环路交叉口东南角，东临经开第二十二大街，南临经南八路。根据中冶集团武汉勘察研究院有限公司勘察报告，本场地属于轻微液化场地。设计桩基类型为SDS桩，桩径500mm，有效桩长不小于16m，桩端进入持力层不小于2D，单桩竖向抗压承载力特征值1050kN，桩身混凝土强度C30，钢筋笼长度大于等于有效桩长的2/3。

3.2 试验方案

为了验证SDS桩对桩周可液化土层的挤土正效应，即考察其降低液化等级的程度或达到消除液化的目的，试验分两阶段进行。首先进行场地液化程度的复核，在试验桩施工前于134#进行重新标贯试验和颗分检验。试验桩施工完成，达到检测条件后，通过低应变法对桩身完整性进行检测，检测其桩身缺陷程度及位置，判定桩身完整性类别。通过单桩承载力试验检测其承载力。通过取样和标贯试验判别桩周土体液化处理效果。该项目设计桩径d为500mm，设计试验点间距均为d的倍数，且沿围绕试验桩的圆弧进行设置。桩周挤土试验点布置如图5所示。

3.3 试验结果分析

3.3.1 场地液化复核结果

经复核，场地液化等级按抗震规范的评判方法评价结果如表1所示。场地属轻微液化，与原勘察报告的结论一致。

3.3.2 SDS桩检测结果

河南省创新工程质量检测有限公司对单桩承载力检验均采用竖向抗压静载试验，桩检前后的桩身完整性检测（低应变法）均为I类桩（完整桩）。单桩竖向抗压结果如表2所示。

显然，挤土后桩承载力均满足设计要求，且沉降量较小，均在7.48mm以内。

3.3.3 桩间土挤土效应分析

通过对试验桩施工各点位按标贯试验结果的再次液化判别，结果显示均为无液化。以4-1试验点为例，其液化判别如表3所示。

将试验桩施工后的试验点标贯击数按桩间距和地层分别进行平均汇总如表4所示。

将挤密作用前后地层的标贯按与试验间距和地层的不同汇制成图如图6所示。

从以上标贯对比，可以看出：（1）浅部液化基本消除;（2）挤土后上部粉砂、粉土地层的标贯击数普遍增加，且在2d间距内提高明显;而下部基本有降低的趋势，孔距在2d以内降低较明显，在2d～5d之间以内的地層标贯击数逐步提高，在5d～6d之间，变化较小;（3）在黏性土处标贯击数在挤土后变化较小;（4）6d间距以外标贯击数基本不受影响，统计显示的数据误差应属于地层自身的不均匀性的体现;（5）砂性土中挤密效应较黏性土更为明显。

4 结论

本文通过PFC软件数值模拟以及工程实例验证，针对双向螺旋挤土灌注桩在饱和土层轻微液化处理中的应用效果进行了研究。结论如下：

（1）双向螺旋挤土灌注桩在扩孔过程中逐渐压密周围土体，减小土体孔隙比，在提高承载力的同时可以处理饱和土层的轻微液化。

（2）双向螺旋挤土灌注桩的挤土效果随着距离的增加而逐渐减小。距离扩孔位置越近，土体所受扰动越大，孔隙比降低值越大。

（3）双向螺旋挤土灌注桩在砂层中的挤密效果较黏性土更加明显。挤密后砂土的标贯击数明显增加，而黏性土变化较小。6d间距以外标贯击数基本不受影响。

参考文献：

1.刘钟 刘波 李志毅 赵琰飞.双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头.CN101012649.2007.08.08

2.陈治法.双向螺旋封闭挤扩钻进机具的力学分析及实验验证.中国地质大学（北京）.2010

3.李志毅 刘钟 赵琰飞 张慧东.新型螺旋挤土灌注桩现场试验研究.岩石力学与工程学报.2011.30 （02）

4.邓益兵 周健 刘钟 张超.砂土中螺旋挤扩钻具下旋成孔过程的模型试验研究.岩石力学与工程学报.2011.30 （12）

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6.史旦达 杨彦骋 邓益兵 刘文白.考虑转速比影响的砂土中螺旋挤扩钻具成孔特性宏细观模型试验.岩土力学.2018.39 （06）