振冲碎石（砂）挤密桩法处理液化地基分析

侯晓宁

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

振冲碎石（砂）挤密桩法处理液化地基分析

侯晓宁

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

饱和砂土抗液化分析是岩土工程中的一个重要研究课题。目前在众多的防治液化措施中，碎石桩复合地基因其加固效果好、施工简便、成本低等特点得到广泛的应用。碎石桩法处理可液化地基土一般采用振动成桩工艺。地表会因振动密实产生一定的沉降，沉降量的大小与桩间距的设计有关。而桩间距的大小，又直接影响到地基处理的技术经济效果。

振冲碎石桩；液化判别；碎石桩液化地基处理桩间距；地表沉降量

文章分析了当前振冲碎石（砂）桩抗液化应用中的优缺点，对碎石（砂）桩的抗液化合理桩间距的设计方法进行了分析评价，展示应用碎石（砂）桩复合地基抗液化处理具有广阔的前景。

振动水冲法是1937年由德国凯勒公司设计制造出的具有现代振冲器雏形的机具，用来挤密砂石地基获得成功。20世纪60年代初，振冲法开始用来加固黏性土地基，由于用料是碎石，故称为碎石桩。现在的振冲碎石（砂）桩挤密法是指碎石桩法和砂桩合称为粗颗粒土桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入土孔中，形成大直径的碎石或砂所构成的密实桩体，并和原桩周土组成复合地基的地基处理方法。其大规模使用的年限虽然不长，但因其加固液化地基效果好、施工简便、成本低等特点，故在处理砂性土等可液化地基方面得到了广泛应用，碎石（砂）桩处理可液化地基的有效性已为国内外不少实际地震和试验研究成果所证实。

振冲法加固地基的特点是：机具设备简单，仅需一台吊车，一个振冲器。节约三材、就地取材。可采用碎石、卵石、砂或矿渣等作为填料。用料具有良好的透水性可加速地基固结，振冲过程中的预震效应可增加地基抗液化能力。加固速度快，节约投资。

适用范围：振冲挤密桩适用于处理砂土和粉土等地基，最适宜水利工程施工，以及建筑结构工程中水位较高且对承载力要求较低的工程。

工艺原理：振动器产生高频振动，同时启动水泵，通过喷嘴喷射高压水流，在边振边冲的共同作用下，将振冲器沉到土中的预定深度，经清孔后，从地面向孔内逐段填入碎石、卵石等填料，使在振动作用下被挤密实，达到要求的密实度后即可提升振动器。

施工顺序：定位→成孔→填料→振密→边提边上料边振密→成桩。

材料要求：填料可采用含泥量不大于5%的碎石、卵石、矿渣或其他性能稳定的硬质材料，不宜使用风化易碎的石料。对30 kW振冲器，填料粒径宜为20～80 mm;对55 kW振冲器，填料粒径宜为30～100 mm;对75 kW振冲器,填料粒径宜为40～150 mm。

砂土液化的现象在日常生活中较为常见，如地震砂土液化、泥石流、流砂等都属于砂土液化不同的自然形态，饱和无黏性土或稍具黏性土由固态转变为液态，从而失去强度和稳定性，称为液化，液化对工程危害极大，它大多发生在疏松的饱和粉砂、细砂中。试验研究表明：液化取决于诸多因素，如土的类型、土的密度、土的结构、土的应力历史和约束压力以及地形、地貌、地震加速度等。判别可液化的土,目前应用较多的有临界标准贯入击数、静力触探贯入阻力、剪切波速法和抗液化剪应力法。

碎石（砂）桩法用于处理可液化地基，国内外也有较多的工程实例。但应注意由于软黏土含水量高、透水性差，碎石（砂）桩很难发挥挤密效用，其主要作用是部分置换并与软黏土构成复合地基，同时加速软土的排水固结,从而增大地基土的强度，提高软土地基的承载力。在软黏土中应用碎石（砂）桩法有成功的经验，也有失败的教训。因而不少人对碎石（砂）桩处理可液化地基持有疑义，认为黏土透水性差，特别是灵敏度高的土在成桩过程中，土中产生的孔隙水压力不能迅速消散，同时天然结构受到扰动将导致其剪切强度降低，如置换率不够高是很难获得可靠的处理效果的。此外，认为如不经过预压，处理后地基仍将发生较大的沉降，对沉降要求严格的建筑结构难以满足允许的沉降要求。所以，用碎石（砂）桩处理饱和软黏土地基，应按建筑结构的具体条件区别对待，最好是通过现场试验后再确定是否采用。

碎石桩除了加密作用，也应考虑其排水效应和减震作用,并在抗液化设计中综合考虑三种效应，从而适当降低工程造价，仅凭借经验考虑挤土加密作用偏保守，造成不必要的浪费。

碎石（砂）桩的平面布置可采用等边三角形、正方形或长方形。对于砂土地基，因靠碎石（砂）桩的挤密提高桩周土的密度，所以采用等边三角形更有利，它使地基挤密较为均匀。对于软黏土地基，主要靠置换，因而选用任何一种均可。振冲碎石桩桩径宜为800～1 200 mm；碎石（砂）桩处理松砂地基的效果受地层、土质、施工机械、施工方法、填砂石的性质和数量、碎石（砂）桩排列和间距等多种因素的综合影响，较为复杂。国内外虽然已经有不少实践，并曾进行了一些试验研究，积累了一些资料和经验，但是有关设计参数如桩距、灌砂石量以及施工质量的控制等仍须通过施工前的现场试验才能确定。

以挤密为主的碎石（砂）桩施工时，应间隔（跳打）进行，并宜由外侧向中间推进；对黏性土地基，碎石（砂）桩主要起置换作用，为了保证设计的置换率，宜从中间向外围或隔排施工；在既有建（构）筑物临近施工时，为了减少对临近建（构）筑物的振动影响，应背离建（构）筑物方向进行。

实际工程中，施工时对地基有振密和挤密双重作用，而且地面下沉，施工后地面平均下沉量可达100～300 mm。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012），桩间距与要求的复合地基承载力及桩和原地基土的承载力有关。如按要求的承载力算出的置换率过高、桩距过小不易施工时，则应考虑增大桩径和桩距。在满足上述要求条件下，一般桩距应适当大些，可避免施工过大地扰动原地基土，影响处理效果。

采用碎石桩处理方案，桩间距是关键的设计参数，若桩间距过大，则难以保证消除地基液化；桩间距过小，又会造成不必要的浪费，且施工困难。目前对于碎石桩间距的确定仍以经验为主，一种是直接先假定桩间距，通过验算复合地基承载力和沉降变形，再对桩间距进行校正；一种考虑功率不同的振冲器；另一种是采用同时考虑砂性土振动挤密时的挤密作用和振密作用而得到的基于孔隙比的计算公式。

1 复合地基承载力要求确定桩间距的方法

《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2012中复合地基承载力计算公式：

式中：fspk——振冲桩复合地基承载力特征值；fsk——处理后桩间土承载力特征值,宜按当地经验取值，如无经验时，对于一般黏性土地基可取天然地基基础承载力特征值，松散的砂土、粉土可取原天然地基承载力特征值的（1.2～1.5）倍；m——桩土面积置换率，即碎石桩面积与影响面积之比。

对于正三角形布桩：de=1.05s

对于正方形布桩：de=1.13s

式中：A和Ap分别为影响面积和桩截面积；d和de分别为桩的平均直径和等效影响圆的直径；a和b分别为桩的半径和等效影响圆半径；s、s1、s2分别为桩间距、纵向间距和横向间距。

由复合地基要求达到的承载力标准值就可以推求出桩土置换率，进而可以确定桩间距，然后按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中的标准贯入试验方法进行桩间土的抗液化校核，若桩间土的标贯锤击数大于由规范算出的临界值，则设计满足要求，否则应修改设计方案。桩间土所需满足的液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr为：

式中：Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值；ds为饱和土标准贯入点深度；dw为地下水位；ρc为黏粒含量百分率,当小于3或为砂土时,应采用3;β为调整系数,设计地震第一组去0.8,第二组取0.95,第三组取1.05。

2 振冲碎石桩间距规定

振冲碎石桩间距应根据上部结构荷载大小和场地土层情况，并结合所采用的振冲器功率大小综合考虑。30 kW振冲器布桩间距可采用1.3～2.0 m; 55 kW振冲器布桩间距可采用1.4～2.5 m；75 kW振冲器布桩间距可采用1.5～3.0 m;不加填料振冲挤密孔距可为2.0～3.0 m。

3 以抗液化要求确定桩间距的方法

《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2012中规定等边三角形布置

式中：ε为修正系数，当考虑振动下沉密实作用时，可取1.1～1.2；不考虑时，可取1.0；d为桩径；eo、e1分别为地基处理前和要求达到的孔隙比。

规范给出的公式仅考虑了碎石桩的加密作用，这种设计方法虽然简单实用，但形成的设计方案过于保守，造成很大浪费，如果在进行碎石桩的抗液化设计时能综合考虑到桩体的排水减压和减震的有利作用，形成的设计方案才更趋向合理化，不仅可以抵抗地震液化，还可以降低工程造价，使施工顺利进行。

[1]JGJ79—2012,建筑地基处理技术规范[S].

[2]GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[3]GB 50021—2001,岩土工程勘察规范(2009年版)[S].