CFG樁+振沖碎石樁處理液化粉土地基試驗(yàn)研究

馬常泉 馬強(qiáng) 馬淑栩 王哲

摘 要：【目的】CFG樁+振沖碎石樁可提高原始地基承載力，并達(dá)到消除土體液化之目的。【方法】選擇開封地區(qū)的粉土地基作為研究對象，采用CFG樁+振沖碎石樁組合型地基的處理方法，通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證處理效果?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：經(jīng)過CFG樁+振沖碎石樁復(fù)合地基處理后的粉土地基強(qiáng)度顯著提高，并且強(qiáng)度變得略微均勻一些，液化基本得到消除?！窘Y(jié)論】采用該方法處理后，地基承載力特征值從樁間土的75 kPa，增至復(fù)合地基的300 kPa，滿足荷載要求。

關(guān)鍵詞：粉土；液化；地基處理；CFG樁+振沖碎石樁

中圖分類號：TU473.1? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）10-0054-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.011

Abstract： [Purposes] CFG pile + vibro-replacement stone column pile can improve the bearing capacity of the original foundation and achieve the purpose of eliminating soil liquefaction. [Methods] Silt foundation in Kaifeng area was selected as the research object to verify the combination of foundation treatment for CFG pile + vibro-replacement stone column pile methods. [Findings] The results show that the strength of the silty soil foundation treated by CFG pile + vibro-replacement stone column pile composite foundation is significantly improved， and the strength becomes slightly more uniform， and the liquefaction is basically eliminated. [Conclusions] After using this method， the characteristic value of bearing capacity of foundation increases from 75 kPa of soil between piles to 300 kPa of composite foundation， which meets the load requirements.

Keywords： silt; liquefaction; foundation treatment; CFG pile+vibro-replacement stone column pile

0 引言

地震是一種地質(zhì)現(xiàn)象，是地殼構(gòu)造運(yùn)動的一種表現(xiàn)形式，是地下深處的巖層由于某種原因突然破裂、塌陷及火山爆發(fā)等產(chǎn)生的振動，并以彈性波的形式傳遞到地表的現(xiàn)象［1］。松散的砂土或粉土受到振動時有變得更緊密的趨勢。但飽和土的孔隙全部被水充填，這種趨于緊密的作用導(dǎo)致孔隙水壓力的驟然上升，在地震的短暫時間內(nèi)，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，這就使原來由土顆粒通過其接觸點(diǎn)所傳遞的壓力（有效壓力）減小，當(dāng)有效壓力完全消失時，土體會完全喪失抗剪和承載能力，變成如液體一樣的狀態(tài)，即通常所說的液化現(xiàn)象［2-5］。

飽和粉土地基在地震動作用下會發(fā)生液化，喪失承載力，建筑物會產(chǎn)生較大的不均勻沉降，造成建筑物開裂、傾斜和破壞。常用的消除地基液化的方法有加密法（振沖、振動加密、擠密碎石樁和強(qiáng)夯法等）和換土法［6-8］。當(dāng)液化土地基工程性質(zhì)較差時，只采用上述地基加固方法是不夠的，基于CFG樁可提高地基承載力、振沖碎石樁可消除地基土液化的原理，本研究提出采用CFG樁+振沖碎石樁組合型地基處理方法，通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)對地基處理效果進(jìn)行驗(yàn)證，為低承載力的液化土地基處理方法的研究提供可靠的試驗(yàn)資料。

1 試驗(yàn)場地

試驗(yàn)場地屬于黃河沖洪積平原，地形平坦，地勢開闊。場地地下水類型為潛水，埋深2.3 m?？睖y成果表明，地基土主要由粉土、粉質(zhì)黏土和砂土組成，自上而下共分為15個主層和3個亞層，液化土層主要為③粉土、⑤粉土、⑦粉土、⑧粉土。20 m以下地層主要為中密～密實(shí)的粉土和砂土，具體描述見表1和表2。

場地地下水類型為潛水?？碧狡陂g，地下水初見水位埋深為0.8～2.4 m，其相應(yīng)標(biāo)高為67.93～69.36 m。據(jù)調(diào)查場地內(nèi)分布的有灌溉用機(jī)井，勘測期間，場地地下水穩(wěn)定水位埋深為1.0～2.5 m，場地地下水位年變化幅度為0.5～1.0 m。地下水以大氣降水為主要補(bǔ)給源，以人工開采和徑流排泄為主要排泄方式，地下水徑流基本由西北向東南方向流動。

2 液化分析

根據(jù)波速測試成果，按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016年）有關(guān)規(guī)定［9］，本期擴(kuò)建場地土類型為中軟場地土，建筑場地類別為Ⅲ類，場地處于對建筑抗震不利地段。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），場地處于地震動峰值加速度0.10 g區(qū)，對應(yīng)地震基本烈度為7度。

首先，依據(jù)以下三個條件進(jìn)行場地是否液化初判：①地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世（Q3）及其以前時，7、8度時可判為不液化土；②粉土的黏粒（粒徑小于0.005 m的顆粒）含量百分率在7度、8度和9度分別不小于10、13和16時，可判為不液化土；③淺埋天然地基的建筑，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響。具體見式（1）、式（2）、式（3）。

以上式中：dw為地下水位深度，m，宜采用設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)年平均最高水位，也可采用近期內(nèi)年最高水位；du為上覆蓋非液化土層厚度，m，計算時宜將淤泥和淤泥質(zhì)土層扣除；db為基礎(chǔ)埋置深度，m，不超過2 m時應(yīng)采用2 m；d0為液化土特征深度，m，具體見表3。

經(jīng)驗(yàn)證，場地不滿足上述三個條件，因此需要開展現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行液化復(fù)判，判定結(jié)果見表4。

經(jīng)判定，地面下20.00 m范圍內(nèi)分布有具液化勢的飽和粉土，液化等級為中等，液化土層最大下限深度為15.50 m。

3 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)區(qū)平面尺寸為8.70 m× 14.50 m，由3排CFG樁和4排振沖碎石樁交錯、正交布置，最外側(cè)各有2排振沖碎石樁護(hù)樁，樁間距為1 450 mm。CFG樁混合材料等級C25，坍落度5～7 cm，現(xiàn)場攪拌，水泥為325#普通硅酸鹽水泥，骨料采用5～40 mm自然級配碎石和中粗河砂。CFG樁直徑500 mm，設(shè)計有效樁長19.80 m，樁頂位于自然地面下約-2.00 m（即層②粉質(zhì)黏土的頂部），樁端全斷面達(dá)到持力層層③細(xì)砂；振沖碎石樁材料采用5～40 mm碎石，含泥量小于5%，最大粒徑小于50 mm，直徑500 mm，有效樁長16.50 m，樁頂位于自然地面下約-2.00 m（即層②粉質(zhì)黏土的頂部）。

對于CFG樁、振沖碎石樁而言，載荷試驗(yàn)平面位于±0.00 m標(biāo)高以下-3.30 m，檢測時，采用小型井管降低地下水位，基坑開挖至試驗(yàn)平面標(biāo)高（從自然地面算起，基坑開挖深度為-2.00 m）。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 液化消除效果

利用地基處理后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和顆分試驗(yàn)成果，對地基土的液化情況進(jìn)行計算判別，計算判別條件與地基處理以前的條件相同。對試驗(yàn)區(qū)樁間土而言，處理后的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)明顯增大。經(jīng)判別，除了在13.00～14.00 m深度范圍內(nèi)、土層厚度為0.50～0.90 m的液化勢尚未消除以外，試驗(yàn)區(qū)地基土的液化勢基本消除，詳細(xì)的地基液化等級計算判別結(jié)果見表5。

4.2 承載力結(jié)果

4.2.1 樁間土。進(jìn)行3組樁間土載荷試驗(yàn)，載荷試驗(yàn)遵循《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2002）中相關(guān)試驗(yàn)要求［10］。3組載荷試驗(yàn)的荷載沉降曲線均呈“漸進(jìn)破壞”形，累計沉降滿足要求時，終止載荷試驗(yàn)。沉降量承壓板直徑或邊長s/d＝0.015對應(yīng)的荷載為承載力確定標(biāo)準(zhǔn)；承載力特征值為74 kPa，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

地基處理后，樁間土各巖土分層的原位測試指標(biāo)值（標(biāo)貫擊數(shù)、錐尖阻力及側(cè)壁摩阻力）均有明顯增加，增大倍數(shù)為1.32～7.65。從整體變化趨勢來看，原位測試指標(biāo)值的增大，反映出樁間土明顯受到擠密，強(qiáng)度得到提高，并且強(qiáng)度變得略微均勻一些，液化基本得到消除。但在局部深度范圍內(nèi)，樁間土擠密程度略差，強(qiáng)度提高較少，液化勢未完全消除。

4.2.2 CFG樁。選擇3根CFG樁進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)遵循《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）中相關(guān)試驗(yàn)要求［11］。終止試驗(yàn)條件為達(dá)到設(shè)計荷載，最大沉降量為10.7 mm。3根CFG樁的荷載沉降曲線均呈“漸進(jìn)破壞”形，單樁豎向極限承載力值2 000 kN。需要說明的是，C2號樁在測試過程中破壞屬于樁頭強(qiáng)度偏低、樁身離析所致，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

4.2.3 振沖碎石樁。選擇3根振沖碎石樁進(jìn)行單樁載荷試驗(yàn)，載荷試驗(yàn)遵循《火力發(fā)電廠振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5101—1999）相關(guān)技術(shù)要求［12］。終止試驗(yàn)條件為累計沉降量滿足要求，總沉降量為67.9 mm。3根樁載荷試驗(yàn)的荷載沉降曲線均呈“漸進(jìn)破壞”形。3根樁實(shí)測承載力特征值的極差為94 kPa，小于平均值318 kPa的30％，振沖碎石樁單樁承載力特征值為318 kPa，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

4.2.4 CFG樁+振沖碎石樁復(fù)合地基。選擇3根CFG樁+振沖碎石樁進(jìn)行復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，載荷試驗(yàn)遵循《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）。終止試驗(yàn)條件為達(dá)到試驗(yàn)要求值，承載力特征值確定標(biāo)準(zhǔn)為最大加載的一半。3根CFG樁+振沖碎石樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的荷載沉降曲線均呈“漸進(jìn)破壞”形。3根CFG樁+振沖碎石樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)實(shí)測承載力特征值的極差為0，小于平均值300 kPa的30％，則CFG樁+振沖碎石樁復(fù)合地基承載力特征值為300 kPa，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

5 施工方案

CFG樁施工工藝主要流程：樁機(jī)就位—沉管至設(shè)計深度—投料—振動密實(shí)后拔管1.00～1.50 m —留振30 s —振動拔管、留振，并反復(fù)進(jìn)行—補(bǔ)料—至樁管拔出地面成樁結(jié)束；振沖碎石樁施工時，謹(jǐn)慎掌握好填料量、密實(shí)電流和留振時間這3個施工質(zhì)量要素，施工工藝主要流程為：樁機(jī)就位—振動沉管至設(shè)計深度—投料—拔管、反插，并反復(fù)進(jìn)行—補(bǔ)料—至樁管拔出地面成樁結(jié)束。先施工振沖碎石樁，待全部施工完成后，再施工CFG樁，施工順序采用隔排跳打方式。復(fù)合地基處理完成后，對樁身完整性、施工質(zhì)量、樁間土及復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測。樁身深度范圍內(nèi)，樁周土抗剪強(qiáng)度較低，不利于振沖碎石樁的成樁施工，應(yīng)結(jié)合原體試驗(yàn)施工經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)備相應(yīng)的措施，以預(yù)防并及時處理工程樁施工時可能出現(xiàn)的樁身偏移、重疊等不良現(xiàn)象。

6 結(jié)論

采用CFG樁+振沖碎石樁組合處理液化粉土地基，通過現(xiàn)場試驗(yàn)對地基處理效果進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

①場地地基土主要由第四紀(jì)黃河沖洪積粉土、粉質(zhì)黏土和砂土組成，淺部地基土工程特性較差。場地地面下20.0 m范圍內(nèi)分布有液化飽和粉土，液化等級以中等為主，液化土層最大深度為15.5 m。

②經(jīng)過CFG樁+振沖碎石樁復(fù)合地基處理后的粉土地基，樁間土明顯受到擠密，強(qiáng)度顯著提高，并且強(qiáng)度變得略微均勻一些，液化基本得到消除。

③通過現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，確定樁間土承載力特征值為74 kPa，CFG樁單樁豎向抗壓承載力特征值為1 000 kN；振沖碎石樁單樁承載力特征值為318 kPa。CFG樁+振沖碎石樁復(fù)合地基承載力特征值為300 kPa。

④樁身深度范圍內(nèi)，樁周土抗剪強(qiáng)度較低，不利于振沖碎石樁的成樁施工，應(yīng)結(jié)合原體試驗(yàn)施工經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)備相應(yīng)的措施，以預(yù)防并及時處理工程樁施工時可能出現(xiàn)的樁身偏移、重疊等不良現(xiàn)象。

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收稿日期：2022-08-22

作者簡介：馬常泉（1970—），男，碩士，工程師，研究方向：水務(wù)相關(guān)的管理與生產(chǎn)。