CFG桩+振冲碎石桩处理液化粉土地基试验研究

2023-06-07马常泉马强马淑栩王哲

河南科技 2023年10期

马常泉马强马淑栩王哲

摘要：【目的】CFG桩+振冲碎石桩可提高原始地基承载力，并达到消除土体液化之目的。【方法】选择开封地区的粉土地基作为研究对象，采用CFG桩+振冲碎石桩组合型地基的处理方法，通过现场试验验证处理效果。【结果】结果表明：经过CFG桩+振冲碎石桩复合地基处理后的粉土地基强度显著提高，并且强度变得略微均匀一些，液化基本得到消除。【结论】采用该方法处理后，地基承载力特征值从桩间土的75 kPa，增至复合地基的300 kPa，满足荷载要求。

关键词：粉土；液化；地基处理；CFG桩+振冲碎石桩

中图分类号：TU473.1 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）10-0054-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.011

Abstract： [Purposes] CFG pile + vibro-replacement stone column pile can improve the bearing capacity of the original foundation and achieve the purpose of eliminating soil liquefaction. [Methods] Silt foundation in Kaifeng area was selected as the research object to verify the combination of foundation treatment for CFG pile + vibro-replacement stone column pile methods. [Findings] The results show that the strength of the silty soil foundation treated by CFG pile + vibro-replacement stone column pile composite foundation is significantly improved， and the strength becomes slightly more uniform， and the liquefaction is basically eliminated. [Conclusions] After using this method， the characteristic value of bearing capacity of foundation increases from 75 kPa of soil between piles to 300 kPa of composite foundation， which meets the load requirements.

Keywords： silt; liquefaction; foundation treatment; CFG pile+vibro-replacement stone column pile

0 引言

地震是一種地质现象，是地壳构造运动的一种表现形式，是地下深处的岩层由于某种原因突然破裂、塌陷及火山爆发等产生的振动，并以弹性波的形式传递到地表的现象［1］。松散的砂土或粉土受到振动时有变得更紧密的趋势。但饱和土的孔隙全部被水充填，这种趋于紧密的作用导致孔隙水压力的骤然上升，在地震的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由土颗粒通过其接触点所传递的压力（有效压力）减小，当有效压力完全消失时，土体会完全丧失抗剪和承载能力，变成如液体一样的状态，即通常所说的液化现象［2-5］。

饱和粉土地基在地震动作用下会发生液化，丧失承载力，建筑物会产生较大的不均匀沉降，造成建筑物开裂、倾斜和破坏。常用的消除地基液化的方法有加密法（振冲、振动加密、挤密碎石桩和强夯法等）和换土法［6-8］。当液化土地基工程性质较差时，只采用上述地基加固方法是不够的，基于CFG桩可提高地基承载力、振冲碎石桩可消除地基土液化的原理，本研究提出采用CFG桩+振冲碎石桩组合型地基处理方法，通过现场载荷试验对地基处理效果进行验证，为低承载力的液化土地基处理方法的研究提供可靠的试验资料。

1 试验场地

试验场地属于黄河冲洪积平原，地形平坦，地势开阔。场地地下水类型为潜水，埋深2.3 m。勘测成果表明，地基土主要由粉土、粉质黏土和砂土组成，自上而下共分为15个主层和3个亚层，液化土层主要为③粉土、⑤粉土、⑦粉土、⑧粉土。20 m以下地层主要为中密～密实的粉土和砂土，具体描述见表1和表2。

场地地下水类型为潜水。勘探期间，地下水初见水位埋深为0.8～2.4 m，其相应标高为67.93～69.36 m。据调查场地内分布的有灌溉用机井，勘测期间，场地地下水稳定水位埋深为1.0～2.5 m，场地地下水位年变化幅度为0.5～1.0 m。地下水以大气降水为主要补给源，以人工开采和径流排泄为主要排泄方式，地下水径流基本由西北向东南方向流动。

2 液化分析

根据波速测试成果，按《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016年）有关规定［9］，本期扩建场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为Ⅲ类，场地处于对建筑抗震不利地段。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），场地处于地震动峰值加速度0.10 g区，对应地震基本烈度为7度。

首先，依据以下三个条件进行场地是否液化初判：①地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时，7、8度时可判为不液化土；②粉土的黏粒（粒径小于0.005 m的颗粒）含量百分率在7度、8度和9度分别不小于10、13和16时，可判为不液化土；③浅埋天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响。具体见式（1）、式（2）、式（3）。

以上式中：dw为地下水位深度，m，宜采用设计基准期内年平均最高水位，也可采用近期内年最高水位；du为上覆盖非液化土层厚度，m，计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除；db为基础埋置深度，m，不超过2 m时应采用2 m；d0为液化土特征深度，m，具体见表3。

经验证，场地不满足上述三个条件，因此需要开展现场标准贯入试验进行液化复判，判定结果见表4。

经判定，地面下20.00 m范围内分布有具液化势的饱和粉土，液化等级为中等，液化土层最大下限深度为15.50 m。

3 试验设计

试验区平面尺寸为8.70 m× 14.50 m，由3排CFG桩和4排振冲碎石桩交错、正交布置，最外侧各有2排振冲碎石桩护桩，桩间距为1 450 mm。CFG桩混合材料等级C25，坍落度5～7 cm，现场搅拌，水泥为325#普通硅酸盐水泥，骨料采用5～40 mm自然级配碎石和中粗河砂。CFG桩直径500 mm，设计有效桩长19.80 m，桩顶位于自然地面下约-2.00 m（即层②粉质黏土的顶部），桩端全断面达到持力层层③细砂；振冲碎石桩材料采用5～40 mm碎石，含泥量小于5%，最大粒径小于50 mm，直径500 mm，有效桩长16.50 m，桩顶位于自然地面下约-2.00 m（即层②粉质黏土的顶部）。

对于CFG桩、振冲碎石桩而言，载荷试验平面位于±0.00 m标高以下-3.30 m，检测时，采用小型井管降低地下水位，基坑开挖至试验平面标高（从自然地面算起，基坑开挖深度为-2.00 m）。

4 试验结果

4.1 液化消除效果

利用地基处理后标准贯入试验和颗分试验成果，对地基土的液化情况进行计算判别，计算判别条件与地基处理以前的条件相同。对试验区桩间土而言，处理后的标准贯入击数明显增大。经判别，除了在13.00～14.00 m深度范围内、土层厚度为0.50～0.90 m的液化势尚未消除以外，试验区地基土的液化势基本消除，详细的地基液化等级计算判别结果见表5。

4.2 承载力结果

4.2.1 桩间土。进行3组桩间土载荷试验，载荷试验遵循《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中相关试验要求［10］。3组载荷试验的荷载沉降曲线均呈“渐进破坏”形，累计沉降满足要求时，终止载荷试验。沉降量承压板直径或边长s/d＝0.015对应的荷载为承载力确定标准；承载力特征值为74 kPa，试验结果见表6。

地基处理后，桩间土各岩土分层的原位测试指标值（标贯击数、锥尖阻力及侧壁摩阻力）均有明显增加，增大倍数为1.32～7.65。从整体变化趋势来看，原位测试指标值的增大，反映出桩间土明显受到挤密，强度得到提高，并且强度变得略微均匀一些，液化基本得到消除。但在局部深度范围内，桩间土挤密程度略差，强度提高较少，液化势未完全消除。

4.2.2 CFG桩。选择3根CFG桩进行了单桩竖向抗压静载试验，单桩竖向抗压静载试验遵循《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）中相关试验要求［11］。终止试验条件为达到设计荷载，最大沉降量为10.7 mm。3根CFG桩的荷载沉降曲线均呈“渐进破坏”形，单桩竖向极限承载力值2 000 kN。需要说明的是，C2号桩在测试过程中破坏属于桩头强度偏低、樁身离析所致，试验结果见表7。

4.2.3 振冲碎石桩。选择3根振冲碎石桩进行单桩载荷试验，载荷试验遵循《火力发电厂振冲法地基处理技术规范》（DL/T 5101—1999）相关技术要求［12］。终止试验条件为累计沉降量满足要求，总沉降量为67.9 mm。3根桩载荷试验的荷载沉降曲线均呈“渐进破坏”形。3根桩实测承载力特征值的极差为94 kPa，小于平均值318 kPa的30％，振冲碎石桩单桩承载力特征值为318 kPa，试验结果见表8。

4.2.4 CFG桩+振冲碎石桩复合地基。选择3根CFG桩+振冲碎石桩进行复合地基载荷试验，载荷试验遵循《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）。终止试验条件为达到试验要求值，承载力特征值确定标准为最大加载的一半。3根CFG桩+振冲碎石桩复合地基载荷试验的荷载沉降曲线均呈“渐进破坏”形。3根CFG桩+振冲碎石桩复合地基载荷试验实测承载力特征值的极差为0，小于平均值300 kPa的30％，则CFG桩+振冲碎石桩复合地基承载力特征值为300 kPa，试验结果见表9。

5 施工方案

CFG桩施工工艺主要流程：桩机就位—沉管至设计深度—投料—振动密实后拔管1.00～1.50 m —留振30 s —振动拔管、留振，并反复进行—补料—至桩管拔出地面成桩结束；振冲碎石桩施工时，谨慎掌握好填料量、密实电流和留振时间这3个施工质量要素，施工工艺主要流程为：桩机就位—振动沉管至设计深度—投料—拔管、反插，并反复进行—补料—至桩管拔出地面成桩结束。先施工振冲碎石桩，待全部施工完成后，再施工CFG桩，施工顺序采用隔排跳打方式。复合地基处理完成后，对桩身完整性、施工质量、桩间土及复合地基承载力进行检测。桩身深度范围内，桩周土抗剪强度较低，不利于振冲碎石桩的成桩施工，应结合原体试验施工经验，准备相应的措施，以预防并及时处理工程桩施工时可能出现的桩身偏移、重叠等不良现象。

6 结论

采用CFG桩+振冲碎石桩组合处理液化粉土地基，通过现场试验对地基处理效果进行验证，得出以下结论。

①场地地基土主要由第四纪黄河冲洪积粉土、粉质黏土和砂土组成，浅部地基土工程特性较差。场地地面下20.0 m范围内分布有液化饱和粉土，液化等级以中等为主，液化土层最大深度为15.5 m。

②经过CFG桩+振冲碎石桩复合地基处理后的粉土地基，桩间土明显受到挤密，强度显著提高，并且强度变得略微均匀一些，液化基本得到消除。

③通过现场荷载试验，确定桩间土承载力特征值为74 kPa，CFG桩单桩竖向抗压承载力特征值为1 000 kN；振冲碎石桩单桩承载力特征值为318 kPa。CFG桩+振冲碎石桩复合地基承载力特征值为300 kPa。

④桩身深度范围内，桩周土抗剪强度较低，不利于振冲碎石桩的成桩施工，应结合原体试验施工经验，准备相应的措施，以预防并及时处理工程桩施工时可能出现的桩身偏移、重叠等不良现象。

参考文献：

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［2］周相国，邢贵发，苏玉国，天津地区饱和粉土地震液化的试验研究［J］.岩土力学，2009，30（12）：3813-3819.

［3］连峰，龚晓南，付飞营，等.黄河下游冲积粉土地震液化机理及其判别［J］.浙江大学学报（工学版），2007（9）：1492-1498.

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［5］万中喜，祁丽华.欧美标准砂土液化判别方法解读和优化［J］.水运工程，2021（10）：363-369.