沉管干碎砂石桩处理液化地基效果评估研究

摘要：本文通过对某330kV变电站工程砂石桩复合地基处理效果的检测评估，验证了砂石桩对于砂土、粉土的液化处理效果的有效性，并依次对液化地基处理做出研究总结，对指导相似工程具有重要借鉴意义。

关键词：砂石桩 液化 地基处理

Abstract: This article through the evaluation for a 330kV substation project gravel pile composite foundation treatment effect to validate the sandstone pile in sand, silt liquefaction treatment efficiency, and in turn make the research summary of liquefied foundation treatment, to guide similar engineering has important reference significance.

Key words: gravel pile; liquefaction; foundation treatment

中图分类号：P619.22+8 文献标识码：A 文章编号：

1、概述

砂石桩用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基。主要靠桩的挤密和施工中的振动使桩周围土的密度增大，从而提高地基承载力，降低压缩性，不仅如此，砂石桩用于处理液化地基效果也非常显著，其工作原理就是在振动机的振动作用下，把套管打入规定的设计深度，套管入土后，挤密了套管周围土体，然后投入砂石，将砂石振动密实成桩。砂石桩和桩间土形成复合地基，从而消除饱和粉土的地震液化并能提高地基承载力。该方法具有施工周期短、效果好、成本低、无污染等优点，被广泛应用于各种工业与民用建筑物的地基加固和液化地基的处理。本文笔者依据砂石桩具体工程实例展开讨论分析，验证了砂石桩在处理砂土以及粉土地基的良好效果。

2、工程概况

2.1 工程简介

某330kV变电所工程场地，位于天水麦积区。拟建站址处于渭河南岸的Ⅰ级和Ⅱ级阶地上，据《天水幅地质图》揭示所址及附近无断裂通过，根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)，本地区抗震设防烈度(基本烈度)为8度，设计基本地震加速度值(与“地震动峰值加速度”相当)为0.30g，设计地震分组为第一组。本次砂石桩主要布置在Ⅰ级阶地上。

Ⅰ级阶地：上层为粉土、细砂和砾砂，局部有圆砾，厚5.4m～7.9m，为中等至严重液化土层，需进行处理方可做为建(构)筑物地基;中层粉质粘土，厚18.8m～20.3m，呈软塑状态，较易变形;下层为圆砾，揭露厚度大于11.0m，但埋藏较深(30.8m～36.8m)，稳定性好。Ⅰ级阶地上层的粉土、细砂和砾砂判别为中等至严重液化土层。中层的粉质粘土和下层的圆砾可以判别为不液化土。

2.2 设计要求

1、试验区、试桩布置、桩径及桩间距：试桩为砂石桩，按不同的桩间距在选定的场地内设二个试验区，桩体布置采用等边三角行布桩，最小布桩3排。成桩直径Ф700mm，桩间距2.1m(A区)、3.1m(B区)。如图1所示。

图1 砂石桩试桩布置

2、桩长(处理深度)：根据本工程地质特点及设计单位提出的试验方案，桩长为8m，桩顶标高为自然地坪。

3、试验设备：采用锤击沉管法，采用间断投料法，每次投料孔内增高不大于2.0m，施工工序建议采用由外向内隔排隔点跳打法。

4、桩孔填料进行选定：石料粒径大于30mm者约占11%，5～30mm者约占80%，5～2mm者占4%，2mm以下者占5%。其含泥量一般小于5%。

3、地基处理检测

3.1 测点布置

砂石桩地基处理试验施工质量及处理效果检验，是在试验区(A、B)分别进行桩体、桩间土的载荷试验：对试验区分别进行3个桩体、3个桩间土的静载荷试验，每个试验区共计6个承载力试验点;桩间土、桩体原位测试：对三桩间土做原位标准贯入试验，对桩体做原位动力触探试验，在每一试验区的桩间、桩体分别抽检3处。各测试点数量及编号具体如下表：

试验区设计参数

 

试验区	试验区设计参数					设备施工参数
	布桩方式	桩径(m)	桩间距（m)	桩长(m)	桩身 填料	步履式沉桩径，锤重3吨，导杆式柴油锤，锤击成孔，锤击沉管，选用双管法。外管采用Ф480mm厚壁钢管。相应的内管为Ф450mm钢管，底部为圆锥状得桩尖，桩尖伸出外管。
A	正三角形	0.7	2.1	8.0	砂砾石
B	正三角形	0.7	3.1	8.0	砂砾石

 

试验区测点编号

 

试验区	静载荷试验		原位测试		探井
	桩体	桩间土	重型Ⅱ动力触探	标贯试验
A区	ZA1、ZA2、ZA3	JA1、JA2、JA3	DA1、DA2、DA3	GA1、GA2、GA3	TA1
B区	ZB1、ZB2、ZB3	JB1、JB2、JB3	DB1、DB2、DB3	GB1、GB2、GB3	TB1

 

3.2 桩体质量检测

砂石桩处理地基效果检测：砂石桩处理地基效果检测应在成桩后间隔一定时间进行，对粉土、砂土地基，间隔时间不宜少于7天。

在A、B两试验区各抽桩3根沿桩体自上而下做重型圆锥动力触探(N63.5)试验。每根桩自桩顶开始，先贯入1.0m后开始记录试验锤击数，连续记录5次，贯入深度0.5m，然后钻孔至2.0m。自3.0m以下每1.5m均先做试验，记录试验锤击数，连续记录5次，贯入深度0.5m，再钻孔1.5m。两区桩身各试验段的重型圆锥动力触探(N63.5)试验结果见下表：

A试验区单桩桩身重型圆锥动力触探(N63.5)试验结果

 

试验深度(m)	重型圆锥动力触探（N63.5）			试验深度(m)	重型圆锥动力触探（N63.5）
	DA1	DA2	DA3		DA1	DA2	DA3
1.0～1.1	6	20	8	4.5～4.6	42	29	33
1.1～1.2	20	35	21	4.6～4.7	43	31	>50
1.2～1.3	23	36	35	4.7～4.8	45	33	/
1.3～1.4	23	34	34	4.8～4.9	35	>50	/
1.4～1.5	22	27	23	4.9～5.0	/	/	/
2.0～2.1	23	18	34	6.0～6.1	37	24	30
2.1～2.2	24	34	36	6.1～6.2	38	39	33
2.2～2.3	21	32	33	6.2～6.3	29	33	40
2.3～2.4	26	21	34	6.3～6.4	34	38	37
2.4～2.5	27	23	35	6.4～6.5	46	32	28
3.0～3.1	30	24	40	7.5～7.6	24	29	33
3.1～3.2	33	26	39	7.6～7.7	39	41	36
3.2～3.3	36	28	42	7.7～7.8	>50	34	>50
3.3～3.4	42	25	40	7.8～7.9	/	43	/
3.4～3.5	44	30	41	7.9～8.0	32	33	/

 

B试验区单桩桩身重型圆锥动力触探(N63.5)试验结果

 

试验深度(m)	重型圆锥动力触探（N63.5）			试验深度(m)	重型圆锥动力触探（N63.5）
	DB1	DB2	DB3		DB1	DB2	DB3
1.0～1.1	6	16	15	4.5～4.6	32	25	41
1.1～1.2	21	25	19	4.6～4.7	35	22	35
1.2～1.3	23	29	21	4.7～4.8	43	23	39
1.3～1.4	20	28	25	4.8～4.9	37	26	42
1.4～1.5	25	34	29	4.9～5.0	41	29	34
2.0～2.1	31	35	37	6.0～6.1	38	30	37
2.1～2.2	36	33	23	6.1～6.2	34	34	41
2.2～2.3	31	36	32	6.2～6.3	33	31	38
2.3～2.4	23	40	34	6.3～6.4	36	35	>50
2.4～2.5	22	18	37	6.4～6.5	36	32	39
3.0～3.1	23	37	38	7.5～7.6	32	29	33
3.1～3.2	25	25	38	7.6～7.7	36	34	38
3.2～3.3	27	21	38	7.7～7.8	39	34	41
3.3～3.4	28	23	>50	7.8～7.9	41	40	44
3.4～3.5	>50	23	/	7.9～8.0	36	28	32

 

试验结果表明：自桩顶1.0m以内有松动，未记录试验锤击数，桩顶下1.0～8.0m，A区N63.5=6～106击/10cm，大部分N63.5=30～50击/10cm，局部桩身N63.5大于50击/10cm;B区N63.5=6～109击/10cm，大部分 N63.5=30～40击/10cm，局部桩身N63.5大于50击/10cm。从桩身的某一试验段来看，试验击数有较大离散性;从各试验段的总体来看，各桩各段的试验击数又变化不大，这是符合级配不同的砂石料动力触探试验的一般规律的，同时也说明在总体上,砂石桩桩体较均匀，桩身经杆长、地下水位修正后的N63.5大于10击/10cm，承载力基本值大于400kPa，桩体中密～密实。

桩体抗剪强度：根据现场重型圆锥动力触探(N63.5)试验结果，砂石桩复合地基桩体内A区摩擦角为38°～40°，抗剪强度为32～43 kPa。B区摩擦角为35°～40°，抗剪强度为28～39 kPa

3.3 桩间土液化检测

为检测试验区桩间处理效果，对桩间土土性及三桩间土的液化进行判定，在试验区设取土探孔1个，拟在桩间取原状土样进行室内常规土工试验，确定桩间土常规物理力学指标。现场实际开挖探井1个，深度3.0m，实测相邻桩体净间距A区为1.35～1.62m左右，桩间距为1.95～2.26m;B区为2.40～2.67m，桩间距为3.08～3.32m。三桩间土一般为细砂、砾砂，不能取原状土试样。为此，仅对三桩间土做原位标准贯入试验检测。均布随机设3个试验点，标贯试验点编号分别为GA1、GA2、GA3以及GB1、GB2、GB3。自地面2.0m以下每米做试验一次，记录试验锤击数。三桩间各试验段的标准贯入试验锤击数(N)结果见下表：

A试验区三桩间土层单孔液化判别计算成果表

 

试验深度(m)	标贯锤击数临界值Ncr	GA1		GA2		GA3
		未修正的标贯击数N	液化 判定	未修正的标贯击数N	液化 判定	未修正的标贯击数N	液化 判定
1.65	9.61	11	不液化	10	不液化	11	不液化

 

B区三桩间土层单孔液化判别计算成果表

 

试验深度(m)	标贯锤击数临界值Ncr	GB1		GB2		GB3
		未修正的标贯击数N	液化 判定	未修正的标贯击数N	液化 判定	未修正的标贯击数N	液化 判定
1.65	9.61	10	不液化	8	液化	10	不液化

 

注：以上标贯锤击数临界值的地下水位是按照现场实测地下水位2.8m计算。

三桩间土在3m以下为砾砂、圆砾层，固未进行标准贯入试验，三桩间土(细砂层)标贯试验实测击数：A区为10～11击/30cm，松散～稍密;B区为8～10击/30cm，松散。经砂石桩处理后的试验场地，在处理深度范围内的A区地基土层液化消除，B区部分区域液化未予消除。

3.4 试验区砂石桩复合地基承载力

根据试验区桩体、桩间土竖向抗压静载荷试验结果见下表，

试验区3个桩体的竖向抗压静载荷试验成果汇总表

 

试验点编号	最大加荷（kPa）	累计总沉降量（mm）	承载力特征值（kPa）/相应沉降量值（mm）	变形模量（MPa）	压缩模量（MPa）
ZA1	900	17.24	400/4.83	41.41	55.96
ZA2	1100	20.55	500/6.24	39.81	53.80
ZA3	900	16.88	400/4.18	47.85	64.66
ZB1	900	14.26	400/4.99	40.08	54.17
ZB2	900	16.84	400/5.43	36.84	49.78
ZB3	900	17.65	400/5.26	38.03	51.39

 

试验区3个三桩间土的竖向抗压静载荷试验成果汇总表

 

试验点编号	最大加荷（kPa）	累计总沉降量（mm）	承载力特征值（kPa）/相应沉降量值（mm）	变形模量（MPa）	压缩模量（MPa）
JA1	440	12.48	200/4.75	24.06	32.52
JA2	480	18.05	220/5.95	21.13	28.55
JA3	480	16.79	220/4.83	26.03	35.18
JB1	480	16.58	220/4.75	22.45	30.34
JB2	440	15.11	220/3.30	22.52	30.43
JB3	400	13.09	220/3.04	23.95	32.36

 

按下式对试验区砂石桩复合地基承载力进行计算，该计算值可作为单桩复合地基静载荷试验的参考：

fspk=mfpk+(1-m)fsk

式中: fspk.、fpk、fsk，m分别为复合地基、单桩、桩间土承载力特征值，置换率。

按上式，计算时A区取单桩、桩间土承载力特征值433kPa、213kPa，则复合地基承载力特征值为235kPa;A区取单桩、桩间土承载力特征值400kPa、220kPa，则复合地基承载力特征值为209.2kPa。

3.5 检测结果

根据已完成的试验区和施工区检测多个点位标贯击数实测值和液化判别成果可知，地基处理后易液化的中密状砂质粉土层标贯击数值较原状土有较大幅度的提高，平均提高2～4倍，表明挤密砂石桩对中密状砂质粉土加固效果较好，能够明显消除其液化潜势;且2.1m桩间距的处理效果明显优于3.1m桩间距的地基处理效果，处理后基本消除了地震液化的问题。

4、结论

1)检测以提高承载力为主要目的的工程时，要依靠载荷试验的可靠性，结合动探试验的快捷性，制定出以载荷为主、动探为辅的检测方案;在检测以消除地基液化为主要目的工程时，主要依靠标准贯入试验判定桩间土消除液化的效果，并结合桩体的重型动力触探和载荷试验，制定出以标准贯入试验为主、动探和载荷试验为辅的检测方案。与此同时，还要考虑检测的经济合理性。

2)根据A区与B区的检测结果对比可以得出地基处理后的液化消除程度，动探，桩体的抗剪强度，桩间土的变形模量，压缩模量以及承载力具有很好的一致性，不难发现，密桩对于软土地基的处理效果优于疏桩。

3)通过试桩试验确定合理的加固方案。根据砂石桩的不同的加固设计参数，比如桩径、桩间距、充盈系数等产生不同的液化处理效果，地基承载力提高幅度来作为参考标度，结合实际工程要求，来确定砂石桩设计参数。

4)正确地给出检测结论。在测试以加固、提高地基承载力为主要目的工程时，结论不仅要给出复合地基承载力特征值fspk和地基的变形模量E0，同时还要给出桩体承载力特征值fpk、桩体的密实度和桩间土承载力特征值fsk;在测试以消除地基液化为主要目的工程时，不仅要给出桩间土的液化指数和复合地基承载力特征值，还要给出对应液化土层的液化等级判定。

参考文献：

1、《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002;

2、《电力工程地基处理技术规程》DL/T5024-2005

3、邵俐，方磊，刘松玉. 沉管干振碎石桩对土层的挤密效应[J].东南大学学报(自然科学版) 2001

4、王艾. 振冲碎石桩法加固软土地基[J] 中外公路 2001

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