液化地基的处理方法及特点_张明

近年来发展起来的一种砂桩施工 新工艺——振动沉管砂桩。振动沉管法 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，挤密套 管周围的土，然后再投入砂子，排砂于 土中，振动密实、振动拔管成桩，多次 循环后，就成为挤密砂桩。这种施工工 艺处理效果较好，既有挤密作用又有振 密作用，使桩与桩间土形成较好的复合 地基，提高地基承载力、防止了砂土液 化、增大了软弱地基土的整体稳定性。 目前，砂桩材料除单纯用砂子外，还有 砂石桩、灰砂桩；用砂石料形成砂石 桩，用灰砂料形成灰砂桩。灰砂桩随着 时间的增加，土中固化作用提高，桩体 强度也不断增加，能起到挤密地基、提 高地基承载力的作用。砂石桩比纯砂桩 桩身具有更好的颗粒级配，有更大的桩 身密实度，单桩强度有所改进。砂桩适 用于处理松砂、粉土、素填土、杂填 土、粘性土地基等，可用于厂房和住宅 等工业与民用建筑地基加固工程中。
作者单位：无锡市交通工程咨询监理有限责任 公司
2012年第21期 (11月上) 《交通世界》 105
由此可见，发生液化现象，土质 多是松散的砂土和粉土，而且受到震动 和水的作用。影响液化的因素主要有： 颗粒级配、透水性能、相对密度、土层 埋深、地下水位、地震烈度及地震持续 时间等。
地基液化会对地表的影响表现在 喷砂冒水、堤岸滑塌、地面开裂、不 均匀沉降等，对其上建筑物造成很大 危害。
处理方法
我国现在对于地基处理方面还不 是很成熟，特别是在一些湿陷性黄土的 地区以及中砂土易发生液化的都很难处 理。关于具体处理可液化地基的方法， 常用的方法有换填法、强夯法、砂桩 法、碎石桩法等。
换填法
换填法将基础底面以下一定范围 内的软弱土层挖去，然后分层填入强度 较大的砂、碎石、素土、灰土及其他性 能稳定和无侵蚀性的材料，并夯实至要 求的密实度。
建筑物基础下的持力层比较软 弱，不能满足上部荷载对地基的要求 时，常采用换填土垫层来处理软弱地 基。即将基础下一定范围内的土层挖 去，然后回填以强度较大的砂、砂石或 灰土等，并分层夯实至设计要求的密实 程度，作为地基的持力层。换填法适于 浅层地基处理，处理深度可达2～3m。 根据工程实践表明，采用换填法不仅可 以解决工程地基处理问题，而且是可就 地取材，施工方便，不需特殊的机械设 备，并且可缩短工期等。
夯击能量的转化，同时伴随强制 饱和土的压缩和振密（包括土体中气体 的排出，孔隙水压的上升），局部土体 的液化或土体结构的破坏（表现为土体 强度的降低或抗剪强度的丧失）。
排水固结压实，表现为土体渗透 性能改变，土体裂隙的发育，孔隙水得 以顺利逸出，超孔隙水压力消失，土体 强度提高。
土体触变恢复并伴随土体压密， 包括部分自由水变为薄膜水，土体结构 性逐渐恢复，强度提高，这一阶段变形 很小，主要是土体触变恢复，是在强夯 终止后很长时间才能达到。
H现代公路 IGHWAY
液化地基的处理方法及特点
文/张 明
地基液化是高地震烈度区影响地基 稳定性的重要因素之一，是引 起构筑物破坏的主要形式之一。根据 《公路工程抗震设计规范》（JTJ00489），对公路必须进行液化地基处理， 这是减轻地震灾害的根本性措施。因 此，如何控制和管理好处理液化地基的 施工，做到既经济有效又安全可靠，对 保证公路建成后的正常运营、减轻地震 灾害具有重大现实意义。
所谓液化是指由于孔隙水压增加 及有效应力降低而引起粒状材料(砂 土、粉土甚至包括砾石)由固态转变成 液态的过程。影响液化的因素有：颗粒 级配，包括粘粒、粉粒含量，平均粒径 d50；透水性能；相对密度；结构；饱 和度；动荷载，包括振幅、持时等。液 化地基处理恰当与否，关系到整个工程 的质量、投资和进度。因此其重要性已 越来越多地被人们所认识。
关于强夯法加固地基的机理，不 同研究者从不同角度进行了研究。由于 强夯处理的对象（即地基土）非常复 杂，一般认为不可能建立各类地基土具 有普遍意义的理论，但对地基处理经常 遇到的几种类型的土，还是有规律的。 总的来说，强夯加固地基主要是强大的 夯击能在地基中产生强烈的冲击波和动 应力对土体进行加固作用，对饱和细粒 土而言，经强夯后，其强度的提高过程 可分为：
地基液化及其危害
松散的砂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，会有变得更紧密的趋 势，这种趋于紧密的作用使孔隙水压力 骤然上升，而在这短暂的震动过程中， 骤然上升的孔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，这就是地基的 液化现象。
砂桩自引入我国后，在工业及民 用建筑、交通、水利等工程建设中均得
到应用，有成功的经验，但也有达不到 预期处理效果的情况。尤其在处理软弱 粘性土时还缺乏经验，仍按砂土中的砂 桩挤密原理进行设计，这显然是不妥当 的，也是达不到预期处理效果的根本原 因。国内在利用砂桩处理松散砂土、防 止砂土液化方面取得了许多成功的经 验，解决了一些工程实际问题。
结论
在本文所介绍的四种对于液化地 基的处理方法中，道路施工中运用最多 的为强夯法和碎石桩法，其更多适用于 场地开阔地带。由于换填法可处理地基 深度有限，所以只有在对地基要求满足 的情况下才可运用，不过换填法施工简 便，工期较短。砂桩对地基的加固效果 类似于碎石桩，但在实际工程中的效果 比碎石桩稍差，所以更多工程中选择碎 石桩。随着地基处理技术的发展，一些 新的技术和方法得到了应用，碎石桩和 砂桩就出现了许多新工艺，在地基加固 工程中所占地位也在逐渐提高。
砂桩法
砂桩也称为挤密砂桩或砂桩挤密 法，是指用振动、冲击或水冲等方式在 软弱地基中成孔后再将砂挤入土中，形 成大直径的密实砂柱体的加固地基方 法。砂桩属于散体桩复合地基的一种。
砂桩法适用于挤密松散砂土、粉 土、粘性土、素填土、杂填土等地基。 对饱和粘土地基下对变形控制要求不严 的工程也可采用砂桩置换处理。砂桩还 可用于处理可液化的地基。在用于饱和 粘土的处理时，最好是通过现场试验后 再确定是否采用。
必须穿过液化层；但当液化层深度大于 15m时，由于施工条件限制，可采用其 他方法。
当要求部分消除液化时，处理后 的非液化土上覆复合地基厚度应满足液 化初判的上覆土层厚度要求。
桩长的因素，也就限制了其使用 条件，当液化深度过大时，可采用强夯 法，但对于大面积处理可液化土而言， 强夯法和干振碎石桩法都是首选的处理 手段。
碎石桩法
碎石桩是指用振动、冲击和水冲 等方式在软弱地基中成孔后将碎石桩挤 压入土中，形成由碎石所构成的密实桩 体。该方法自1937年德国人发明振动 水冲法（振冲法）并将之用于挤密砂土 地基后，在工程中逐渐推广，因此一般 认为采用振冲法在土中形成的密实碎石 桩称为碎石桩。但是由于振冲法存在耗 水量大和泥浆排放污染等缺点，在应用 中受到较大限制，由此产生了一些新的 施工工艺。如沉管法、干振法、夯击法 等。现在所提及的碎石桩是指各种施工 工艺制成的以石料组成的桩柱体。
预振作用。研究表明，砂土液化 的特性除了与土的相对密度有关外，还 与其振动应变历史有关。干振碎石桩施 工时的振动作用在使土层振密、挤密的 同时还获得了预振，这对增强地基的抗 液化的能力是极为有利的。
碎石桩的桩长确定应由处理深度 而定，这与工程重要性以及地基液化程
度密切相关。这时可遵循下列原则： 当要求全部处理液化层时，桩长
这里简单介绍一下干振碎石桩， 干振碎石桩是一种利用振动荷载预沉导 管，通过桩管灌入碎石，在振、挤、压 作用下形成较大密度的碎石桩。由于它 克服了振冲法的严重缺陷，在我国得到 较多应用。干振碎石桩处理液化地基属 于物理加固方法，其加固液化地基的原 理是：
振密作用。在成桩过程中，激振 器产生的振动通过导管传递给土层使其 附近的饱和土地基产生振动孔隙水压 力，导致部分土体液化，土颗相对简单，根据实 际工程情况，选择垫层种类即可，但多 适用于中小型建筑场地，对于道路工程 或者换填材料不充足地区并不合适。
强夯法
强夯法处理地基的原理：利用起 重设备将夯锤提升到一定高度，然后使 其自由下落，以一定的冲击能量作用在 地基上，在地基土里产生极大的冲击
波，以克服土颗粒间的各种阻力，使地 基密实，从而提高强度，减少沉降，消 除湿陷性或者提高抗液化能力。当全液 化地基路段较长，或需处理面积大，地 基处理区域较近范围内无建筑物，无重 要构造物时，强夯法是比较理想的地基 处理方法。
砂桩在我国的应用始于50年代。 起初，砂桩法用于处理松散砂土地基， 视施工方法不同，又可分为挤密砂桩和 振密砂桩两种。其加固原理是依靠成桩 过程中对周围砂层的挤密和振密作用， 提高松散砂土地基的承载力，防止砂土 振(震)动液化。后来，国内外也逐渐将 砂桩用来处理软弱粘性土，其加固原理 是利用砂桩的置换作用和排水作用提高 软弱地基的稳定性。砂桩在软弱地基中 可形成砂桩复合地基，如对它再行加载 预压，可进一步提高复合地基的承载 力，减少地基沉降量，并改善地基的整 体稳定性。在我国，砂桩用于加固软弱 粘性土地基有成功的经验，也有砂桩处 理后的软弱粘性土地基在荷载作用下仍 发生大的沉降的事例，如果不进行预 压，使大的沉降预先完成，则难以满足 建筑物对沉降的要求。
在我国，强夯法常用来加固碎石 土、砂土、粘性土、杂填土、湿陷性黄 土等各类地基土。由于其具有设备简 单、施工速度快、适用范围广、节约三 材、经济可行、效果显著等优点，很快 受到工程界的重视，并得以迅速推广， 取得了较大的经济效益和社会效益。
104 TRANSPOWORLD 2012No.21 (Nov)
挤密作用。下沉桩管时桩管对周 围砂层产生很大的横向压力，将土体中 等于桩管体积的土挤向周围土体使之密 实，灌注碎石后振动、反插也使土体受 到挤密，从而提高了地基的抗剪强度和 抗液化性能。
排水减压作用。干振碎石桩在土 层中形成良好的排水通道缩短土中排水 路径，加速超孔隙水压力的消散，增强 了土体抗剪强度，因此在地震力作用下 孔隙水压力不易积累增长，也就不会发 生液化。