地震液化與鹽漬土共生地基處理技術(shù)探討

趙新瑞

(青海省交通建設管理有限公司 西寧 810021)

引言

液化現(xiàn)象是指飽和砂土受到振動荷載的作用，喪失了抗剪強度而發(fā)生失穩(wěn)[1]，地震時經(jīng)常會發(fā)生。Casagrade通過對無黏性土在剪切變形中體積發(fā)生變化的特性進行研究，提出用臨界孔隙比去解釋砂土液化的原因；隨后，Moslov通過巴爾坎砂土振動密實實驗，總結(jié)提出飽和砂土穩(wěn)定性動力破壞滲透理論。周海林等[2]為研究孔隙水壓力在砂土液化中的發(fā)展過程，開展動三軸實驗，得到了砂土液化與孔隙水壓力的關(guān)系，以及不同發(fā)展階段孔隙水壓力的變化過程等。劉漢龍等[3，4]為研究飽和重塑粉質(zhì)土性質(zhì)，采用多功能靜動液壓剪切儀進行了室內(nèi)試驗，研究土樣孔壓變化規(guī)律。王建黨、張勝穩(wěn)等[5，6]提出采用強夯法處理鹽漬土，從濕陷性鹽漬土的濕陷機理與強夯機理進行分析，并結(jié)合實際工程介紹了強夯處理法的施工要點、施工方法和施工工藝等，對不同夯擊能作用下的處理效果進行探討。

鹽漬土是易溶鹽含量大于0.3%的土。氯鹽漬土易遭溶蝕而產(chǎn)生濕陷、坍塌等病害。從20世紀40年代起，蘇聯(lián)工程師們就開始對鹽漬土工程特性進行研究，我國從20世紀70年代起，開始了對鹽漬土的大量實驗研究。鐵道建筑研究所、中鐵西北研究所和鐵道第一勘察設計院等[7，8]分別針對察爾汗湖鹽漬土地區(qū)的亞氯鹽、亞硫酸鹽和氯鹽漬土的工程相關(guān)特性對路基工程的不利影響及處理措施進行了探究。秦寶和(2007)結(jié)合武廣客運專線沿線的鹽漬土開展強夯和強夯置換工藝試驗，較好的處理了工程面臨的實際問題。從研究現(xiàn)狀看，鹽漬土作為路堤填料的研究較少，未形成看借鑒的技術(shù)資料。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國外對鹽堿沼澤研究較為少見，多以對鹽漬土和沼澤軟土分別進行研究[9-11]。目前，國內(nèi)外鹽漬軟土地基綜合治理技術(shù)主要包括：鹽巖填充，土壤替代墊層法，改良(路基)法，斷層分離法，強夯法和強夯置換法，顆粒樁等。

1 工程概況

德令哈至香日德公路位于青海省海西州境內(nèi)，處于柴達木盆地東部邊緣，是G6京藏高速聯(lián)絡線G0615德令哈至馬爾康公路的組成部分，路線全長176.49km。項目沿線地質(zhì)復雜，地下水豐富、埋藏較淺，地基土質(zhì)以風積沙、粉細沙土和軟弱黏土為主要成分，礦化度較高，水草沼澤路段大多伴隨著鹽堿土和地震液化現(xiàn)象，施工難度極大。地震液化及其和鹽堿沼澤共生路段地基處理技術(shù)是德香公路建設的重點和難點問題[12，13]。

設計中將該路段劃分為嚴重液化等級和中等液化等級兩個級別后，分別采取振動擠密礫石樁和強夯置換兩種處理方法。施工中采用沖擊碾壓處理和等載預壓方案，將會導致工期受到影響，同時也會由于深層得不到有效處理增加工后沉降和地震液化的可能，因此有必要綜合考慮水草沼澤地基鹽堿影響和地震液化的同時，保障施工期沉降穩(wěn)定和控制工后沉降。

2 地震液化與鹽漬土地基處治方案

由于德香公路大部分液化土地基與鹽堿水草沼澤共生，因此地基處理不僅要消除地震液化，還要滿足承載力和基礎穩(wěn)定性。本文以碎石樁和強夯置換為主要方案，研究共生地基處理技術(shù)。

德香高速公路的地層土壤為粉質(zhì)砂質(zhì)土壤，呈薄鹽晶層，為氯鹽型高鹽土壤強鹽漬土。鹽晶的厚度一般為2.0～10.0m。鹽漬土中的鹽水晶體腐蝕性強，溶液沉降性強，工程地質(zhì)性能差，不適合天然地基。為確保路基的穩(wěn)定性不受地下水影響，選用碎石樁(K90+000～K108 +400)和強夯置換法(K62+116～K67+475.8)作為地基處理的主要方法。德香高速公路鹽漬土和鹽堿沼澤特殊路基設計見表1。

表1 德香公路鹽漬土、鹽堿沼澤特殊路基設計

3 礫石樁復合地基加固效果試驗研究

在碎石樁的設計過程中，為了避免干燥和略濕的鹽漬土中的鹽塌陷，應首先清理碎石樁周圍的多年鹽殼，然后對碎石樁復合地基進行處理。具體設計參數(shù)見表2。

表2 礫石樁加固主要設計參數(shù)表

3.1 礫石樁處治設計

3.1.1 樁體材料

對于鹽漬土地區(qū)，樁的材料應為中粗砂，砂礫，角礫巖，礫石，砂礫等具有耐腐蝕性的材料。 應采取當?shù)夭牧弦越档蜕a(chǎn)和運輸成本。礫石樁由砂和礫石(以下稱為礫石樁)制成，最大粒徑不大于80mm。5～50mm的含量不低于50%，含泥量低于5%。風化石不能用作填料。

3.1.2 樁徑

碎石樁的直徑應根據(jù)地基承載力，樁基材料的形狀，地基的適應性(地基土的結(jié)合力)，樁的形成方法，樁的形成難度和能力確定機械設備。目前，在公路工程中，大多采用0.3～0.6m的樁徑，0.5m的樁徑是最廣泛使用的。通過綜合分析，德香公路基礎碎石樁直徑為0.5m。

3.1.3 樁長

樁長取決于地基承載力，軟土厚度，地基變形和地質(zhì)條件，但也受施工機械的限制。 當軟土層厚度較小且承載層較硬時，樁長應為道路的堅硬承載層;但當軟土層較厚時，樁長應根據(jù)地基承載力，地質(zhì)條件和施工機械確定，最終樁長應根據(jù)試樁的處理效果確定。 德香高速公路碎石樁長度初步設計為8m。

3.1.4 樁間距

樁間距應通過現(xiàn)場試驗確定。對于砂和粉砂基礎，不容易比樁直徑大4.5倍;對于黏土基礎，不容易比樁直徑大3倍。初步設計可根據(jù)地基處理前土壤的空隙率E0和地基處理后所需的空隙率E1計算。德香高速公路碎石樁間距初步設計為1.5m。

3.1.5 樁的平面布置及其他

在公路工程中，碎石樁通常采用等邊三角形或方形排列，依靠樁的壓實和位移，使基礎壓實更均勻，避免施工后不均勻沉降。由于德香鹽湖地區(qū)大部分地區(qū)表面濕潤柔軟，碎石樁機不能進入，或者造紙機施工過程中沉降引起機械沉降和傾斜。在碎石樁施工前，應在地基處理范圍內(nèi)鋪設0.3～0.5m厚的墊層，并充分壓實。此外，碎石樁施工會產(chǎn)生一定的振動。為確保相鄰建筑物和構(gòu)筑物的安全，樁機與建筑物或構(gòu)筑物之間的安全距離應大于8m。

德香公路礫石樁排列成等邊三角形，樁間距1.5m。布局圖如圖1所示。

圖1 礫石樁處治布置圖

3.2 礫石樁處治施工

在碎石樁施工中采用振動沉管法(逐漸拉管法)，依次采用排樁法，即從一端到另一端，或采用交錯驅(qū)動的方法形成樁。施工技術(shù)和施工要求的初步設計如下：

3.2.1 施工技術(shù)

(1)打樁機進入現(xiàn)場前，應先進行安裝調(diào)試，保證機器的正常運行后到位。

(2)振動器(樁管)與設計的樁位對齊并振動以將土壤擠入孔中。

(3)提起振動器，從上部入口注入砂和礫石進行振動夯實。管道拉拔的最佳速度為1.5～3.0m/min。砂礫石的高度一般為1.0～1.5m，保留時間控制在10～20s范圍內(nèi)。

(4)重復(3)步驟，直到將樁堆到孔口。

(5)關(guān)閉并移動到下一個點。

3.2.2 施工要求

(1)樁身垂直度不應超過1.5L / 100(L為樁長)。

(2)樁點平面位置誤差不大于15cm。

(3)樁的長度和直徑不小于設計值(如果在建筑中的樁體范圍內(nèi)遇到硬層并且由監(jiān)督工程師批準作為承載層，則可以停止鉆孔)

3.3 現(xiàn)場測試

在增強處理之后，使用重(II)動態(tài)滲透測試來測試增強效果。標準穿透試驗和板載試驗用于測試加固效果。具體測試設計如表3。

表3 試驗設計

相關(guān)測試設備和技術(shù)要求遵循《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)。動力觸探試驗中，深度是基于設計樁的長度，其長度在每個監(jiān)測樁底部下方20cm至50cm處。單個樁體貫穿設計樁長1m。穿透試驗中的錘擊次數(shù)約為15次，即中等密度。在原始表面和樁之間的土壤上進行標準滲透試驗。現(xiàn)場打樁施工如圖2所示，板載試驗如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場成樁

圖3 現(xiàn)場平板載荷試驗

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析

3.4.1 復合地基承載力

單樁、樁間土及復合地基的荷載試驗曲線如圖4、圖5、圖6所示。計算數(shù)據(jù)如表4所示。該圖表顯示曲線平滑且規(guī)則。

表4 原地表和樁間土標準貫入試驗結(jié)果

圖4 單樁，樁間土及單樁復合地基載荷試驗曲線

圖5 單樁及樁間土載荷試驗曲線

圖6 單樁復合地基載荷試驗曲線

試驗得到碎石樁承載力為402kPa，樁間土承載力為120kPa，單樁復合地基承載力為233kPa，均符合設計要求。復合地基承載力可通過計算單樁與樁間承載力來確定。

Rcf=R1λ1mRpf+R2λ2(1-m)Rsf

(1)

其中，Rcf，Rpf和Rsf分別代表復合地基，樁身和樁間土的標準承載力值;R1和R2分別代表反映樁體與樁間土體實際承載力的修正系數(shù)，與地基地質(zhì)條件和成樁方法等因素有關(guān)。可以看出，復合地基的承載力是樁土共同承受的。計算時，以R1 lambda 1和R2 lambda 2為1.57，取代單樁承載力和樁間土承載力，計算得到單樁復合地基承載力232kPa(實測值為233kPa)，結(jié)果較為接近。

3.4.2 樁身強度及樁間土承載力分析

由于碎石樁屬于顆粒狀物料樁，樁身強度主要取決于碎石樁周圍鹽漬土的側(cè)壁約束。通過試驗，樁體評價為中密。從荷載試驗曲線可以看出，在前五次荷載前，五組試驗曲線相似，沉降變化較小，但這些變化主要發(fā)生在后三個荷載中，這使得沉降位移變化更加明顯。主要原因是碎石樁散物樁的緊湊性不如錘擊和壓實樁的緊湊性好。通過在頂部添加重復夯實或增加低能量夯實，可以改善樁的上部的緊湊性。然而，隨著載荷的增加，沿深度方向不能進一步保證樁的緊湊性。由樁周土體所提供的約束能力低，并且礫石堆難以在下部和樁周圍形成完全的壓實效果。

3.4.3 復合地基變形模量計算

根據(jù)載荷試驗成果，按下式進行計算[4]：

(2)

式中

P0—承壓板上直線變形階段的荷載(kPa)

S—與荷載P0對應的承壓板沉降(mm)

D—承壓板直徑(mm)

泊松比砂取0.3，淤泥取0.35，黏土取0.42，礫石取0.1～0.2。

計算得到樁間土的變形模量為5.21MPa，單樁復合地基的變形模量為10.32MPa。由于樁周圍的鹽漬土被擠入樁體，在振動打樁過程中鹽和水浸入樁體中，因此計算砂礫樁體的變形模量是不合適的。根據(jù)樁土應力比，樁體的變形模量可以計算為17.51MPa。

此外，復合地基的變形模量也可以通過以下公式確定：

ECS=R1λ1mEP+R2λ2(1-m)ES

(3)

R1λ1和R2λ2取值與前相同，將其代入公式得到：

ECS=Rλ[1+m(η-1)]ES

(4)

式中，Ecs、Ep、Es分別為復合地基、樁體以及樁間土的變形模量。

計算出的復合地基變形模量為10.11MPa，與實驗值相近，相互接近。

4 總結(jié)

(1)碎石樁復合地基承載力和彈性模量的計算值與試驗值較為接近，強夯置換復合地基的承載力、彈性模量可通過公式計算確定。碎石樁復合地基以及強夯置換復合地基在鹽漬土地基中能夠形成良好的排水通道，降低地下水位從而提高土體強度。強夯置換復合地基的效果最好，其次是碎石樁復合地基、強夯法和沖擊碾壓法。

(2)夯實能量是決定強夯、動力置換和沖擊碾壓技術(shù)中加固效果的重要指標。其大小與加筋地基的承載力和變形模量直接相關(guān)。碎石樁屬于散體樁，由樁和樁間土共同承擔上部荷載。碎石樁的樁土應力比約為3.2，強夯置換復合地基的墩土應力比約為2.1。采用碎石樁和強夯置換可有效減少鹽漬土地基的沉降。