强夯、挤密碎石桩对液化地基的处理

毛景亚 高艺萌

（河南省公路工程局集团有限公司，河南 郑州 450000）

液化土具有较好的保水性能，含水量接近50%时，泌水非常缓慢。在地基处理过程中，机械振动引起液化之后，表面上的硬水层就像漂在水面上一样，踩上去跳动，可以引起几米以外内的漂动。挤密碎石桩就是用相同的夯击能量和相同的贯入度控制桩体质量，使处理深度范围内地基土上下均匀。由于施工设备采用高能量实现孔内夯击填料，对桩底和桩间土施以振动和挤密，使松散砂土颗粒重新排列，可提高砂土的承载力和压缩模量及消除砂土的液化可能性。

1 液化土形成的原因

1.1 土的液化机理

松散的沙土和粉土，在地下水的作用下达到饱和状态。如果在这种情况下土体受到震动。土就会变得更紧密的趋势，这种趋于紧密的作用，使空隙水压力骤然上升，而在这短暂的震动过程中，骤然上升的空隙水压力来不及消散，这就使原来由土颗粒间接触点传递的压力（有效压力）减小，当有效压力完全消失时，土层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样，这就是土的液化现象。

由此可见，发生液化现象，多是松散的砂土和粉土，而且要受到震动和水的作用。

1.2 液化的条件

地质条件。黄淮冲积平原是由历史上黄河泛滥泥沙沉积而成，经过黄河多次泛滥、大决口，现在这几层土都处于松散状态，标准贯入度N值只有3～5击/0.3m，形成了沿线液化土层的基本条件。

地下水作用。砂土和粉土只有在饱和的状态下，才会发生液化，而松散的砂土和粉土，在地下水位以下时才能达到饱和状态。因此，地下水的作用和地下水位的高低是影响液化的重要条件。

在7度地震区域，地下水位高于6.0m，地震时就易发生液化，这就具备了液化形成的必不可少的条件。

外力作用。饱和的砂土和粉土在外力如地震作用下，抗剪强度很快丧失。地震时，土体受到强烈的震动，孔隙水压力u急剧增高，当u与剪切面上外力作用下的法向应力相等时土体抗剪强度为o，此时，地基失去承载力。

地震烈度愈高的地区，地面震动愈强烈，土层就愈容易液化。

2 液化地基处理措施

液化地基处理的基本原则，就是提高土层密实度和改善排孔孔隙水的条件，增大其透水性。考虑到高速公路与工民建相比有涉及范围大、发生震害产生的损失小和修复相对容易等特点，从经济上考虑，可对路段不做全处理，经过试验段确定了如下方案。

对中等以上的液化地基，大型桥梁采用碎石桩加固；对严重的液化地基，构造物基础原则上以碎石桩处理，若处理段与强夯处理相连接时，采用强夯全幅处理；对高路堤、强夯至坡脚外3.0m;路堤中心两侧各10.0 m范围内不进行主夯和副夯，只进行满夯；对于存在软弱薄层的中等以上可液化段，进行全幅处理。

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实际发生震害时，两侧坡脚往往容易发生喷砂冒水，而导致路基边坡以外地基和路堤共同沉降和滑移破坏，所以坡脚至边沟外缘部分需全部进行加固。对于一般路基，根据一般路基，根据液化产生的规律，中心线两侧各10m范围内不做处理。

2.1 强夯处理

强夯的作用机理。强夯法是通过锤自落下，在极短时间内对土体施加一个巨大的冲击能量，这种冲击能又转化成各种波型，使土体强制压缩、振密、排水固结和预压变形，从而使土颗粒趋于更加稳固的状态，以达到地基加固的目的。

强夯的施工。强夯主要有两种类型的机械一种是起重能力50t的覆带吊，另配18～20t的铸铁锤。另一种是20～25 t起重能力的吊机配16～20t的夯锤，这种夯机吊臂顶上须配辅助门架。因此，每个夯点需移动一次吊机，而且移动速度缓慢，效率极低。相比较使用大吨位吊，移动方便，每移一次机可打3～4个夯点，效率要比带龙门架的夯机高出近一倍。

夯点布置和夯机遍数。夯点采用正方形布置，夯击能对应的间距分别为4.0m、4.5m、5.0m。满夯时夯点搭接1/4径，夯击遍数为3遍。第一遍为主夯，间隔72h，待孔隙水压力消失后进行副夯，然后间隔约72h后进行第三遍夯击，及满夯。施工中，应根据土质情况，间隔时间有所变化。

垫层设置。因为机械震动很容易引起表面破坏和地基液化冒浆，承载力下降，机械下陷行进困难，同时夯坑过深起锤困难。根据试验段总结经验，设计应增加强夯碎石垫层。

垫层的作用主要是:支承强夯机械的行走；形成应力扩散层，利于夯击能的传播，利于表层水的排出；加大夯坑底与地下水之间的距离，避免夯坑翻浆。实践证明，垫层的作用是很明显的。

垫层在主、副夯地段厚度为1.0m，满夯时为25～30cm。

2.2 挤密碎石桩处理

挤密碎石桩的原理。挤密碎石是依靠振冲器的强力振动，使液化土颗粒重新排列，振动密实，另一方面依靠振冲器的水平振动力，在加碎石填料的情况下，通过碎石使土层挤压密实。碎石桩与桩间土体形成复合桩从而提高地基承载力。碎石桩也提供了竖向排水通道，利于土层的排水团结。

施工中采用DZ60两种走管式振动沉桩机，振动锤有354t和45t两种，激振力不小于28t。桩管内径有377mm和426m两种，管端设平底活瓣桩头，桩管设二次投料口。

桩机起动电流达80A，每台桩机须配备120kW发电机一台，当使用一台160kW发电机带2台桩机时，要注意错开起动时间，否则发电机将会因负荷过大，而发生故障。

填料。制作状体的填料宜就地取材，如碎石、卵石、砂砾、矿渣等等均可使用，但不宜采用风化石块。填料的最大粒径一般不大于0.5cm。粒径太大不仅容易卡孔，而且能使振冲器外壳强烈磨损。

工艺要点。碎石桩施工分为三次投料，从第一投料口、第二投料口和孔口分别投料，投料总量严格按设计控制。第一次投料量，当桩管为377mm时为50%，426mm时为64%，反插振动3～4次；待碎石全部投入后，开启第二投料至灌满桩管反插2～3次（深度不超过1/2桩长）至料全部投出；然后进行孔口补料，反插3～4次，至设计用料全部投出为止。

施工工效。据统计，一般情况下，一台桩机完成一根桩约20～25min，一个台班每台桩机正常情况下完成20～30根桩。

3 处理效果的检验

3.1 标准贯入法

标准贯入法试验是用质量为63.5kg的穿心锤，以76cm落距，将一定规格尺寸的标准贯入器打入土中15cm，再打30cm。后30cm的锤击数即为标准贯入的指标N。

3.2 瑞利波法

瑞利波法是通过锤击作为振动源，然后在距锤击处一定距离内设置检波器，记录所在位置的波形，再通过频谱分析和滤波技术等分离出不同波长的振动到所在位置的时间差，求得不同波长的瑞利波波速。而不同波长的瑞利波波速反映不同深度范围内的土层性质，由此可推出不同深度土层的瑞利波波速和剪切波波速。

4 结语

强夯法与碎石桩在沿海高速路基工程的成功应用开辟了砂土液化处理的新途径。通过施工，我们的体会是强夯法与碎石桩相比较，更为经济，而且施工速度快，与振冲碎石桩相比，该技术工艺先进、地基处理效果好、经济效益明显。

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