8.3　液化地基處理技術(shù)

地基土經(jīng)過處理后主要應(yīng)達(dá)到兩個目的:①消除地基地震液化，②經(jīng)處理的地基的承載力和變形等與未經(jīng)處理的不要差異很大，否則容易造成不均勻沉陷，使線狀輸水建筑物產(chǎn)生開裂、錯臺等問題，從而影響其正常運行。

目前消除液化可能性或限制其液化程度的主要措施有增加蓋重、換土、增加可液化土層的密實程度和加速孔隙水壓力消散等，主要處理方法有填土法、換土法、爆炸振密法、強夯法、碾壓法、振沖回填碎石法、排滲法及圍封法等。

8.3.1　擠密砂石樁液化土地基加固

8.3.1.1　擠密砂石樁液化土地基加固作用

擠密砂石樁復(fù)合地基是由砂石樁、樁間土、樁頂與基礎(chǔ)之間墊層組成。擠密砂石樁對液化土地基的加固主要表現(xiàn)為以下幾個方面:

(1)擠密作用。砂石樁對周圍土體是強制性的擠密使得砂土的相對密實度顯著增加，孔隙率降低，干密度和內(nèi)摩擦角增大，土的物理力學(xué)性能改善，使地基承載力和抗液化能力大幅度提高。

(2)振密作用。在成樁過程中，擊振器產(chǎn)生的振動通過導(dǎo)管傳給土層使得其附近飽和土地基產(chǎn)生的孔隙水壓力，導(dǎo)致部分土體液化，土顆粒重新排列趨向密實，從而起到振密作用。

(3)排水減壓作用。砂石樁加固砂土?xí)r，樁孔內(nèi)充填碎石，在地基中形成滲透性良好的人工豎向排水減壓通道，有效地消散和防止超孔隙水壓力的增高和砂土液化，并加速地基排水固結(jié)。

(4)預(yù)震作用成樁過程中，對砂土有預(yù)先振動而不產(chǎn)生液化的作用，結(jié)構(gòu)中的不穩(wěn)定的顆粒滑落形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使砂土抗液化能力提高。

8.3.1.2　擠密砂石樁地基處理設(shè)計

地基擠密要求達(dá)到的密實度從滿足建筑結(jié)構(gòu)地基的承載力、變形和防止液化的需要確定。采用振動沉管法施工時對地基有振密和擠密雙重作用，適宜于消除粉細(xì)砂及粉土地基液化，施工后地面平均下沉量可達(dá)100～300mm。擠密碎石樁的設(shè)計內(nèi)容包括樁位布置、樁距、處理范圍、灌碎石量及處理地基的承載力、穩(wěn)定或變形驗算。

砂石樁復(fù)合地基的承載力特征值，應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗確定。初步設(shè)計時，可按下式計算:

8.3.1.3　擠密砂石樁抗液化樁間距的確定方法

目前，砂石樁間距的確定多以經(jīng)驗為主，一般控制在3.0～4.5倍樁徑。《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)(以下簡稱為地基處理規(guī)范)假定地層均勻擠密，根據(jù)擠密前后土的固體顆粒體積不變，并考慮振動下沉密實作用的修正系數(shù)，提出了一個樁間距的理論估算公式;《地基處理手冊(第二版)》的考慮振密和擠密效應(yīng)的計算方法:張吉占通過對多組粉細(xì)砂土的emax和emin的實測值的相關(guān)分析歸一化，并假定加固后地面平均下沉量與砂石樁樁長之比h/H=0.03，得到了砂石樁間距經(jīng)驗公式，該公式同樣考慮了由于振密作用而引起的地面下沉;黎運棻根據(jù)土體平衡條件提出了考慮地面沉降和砂土流失的振沖樁間距的計算公式，砂土流失比α=0時，該式也可用于計算振動擠密砂石樁間距。此外，確定樁間距還有鄭建國、周翠英微觀結(jié)構(gòu)的砂石樁軟基加固影響半徑分析法等。

現(xiàn)有的以抗液化要求確定樁間距方法有以下兩種。

(1)只考慮砂石樁加密作用的樁間距確定。

假設(shè)砂石樁施工后地表無隆起或下沉，周圍土體也沒有進(jìn)入樁體，則有:

對于正三角布樁，樁間距為:

正方形布置，樁間距為:

ξ——修正系數(shù)，當(dāng)考慮震動下沉密實作用時，可取1.1～1.2;不考慮振動下沉密實作用時，可取1.0;

e0——地基處理前砂土的孔隙比，可按原狀土樣試驗確定，也可以根據(jù)動力或靜力觸探等對比試驗確定;

e1——地基擠密后要求達(dá)到的孔隙比。

從式(8-12)～式(8-14)可以看出，樁間距的確定需要知道e0、e1這兩個參數(shù)，e0可由室內(nèi)實驗測得，現(xiàn)行規(guī)范通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)來判斷土層是否達(dá)到液化。設(shè)計時可以假設(shè)加固處理后樁間土要求達(dá)到的孔隙比(e1)就是土層達(dá)到液化臨界標(biāo)貫擊數(shù)(Ncr)的孔隙比。由標(biāo)貫擊數(shù)和相對密度關(guān)系的經(jīng)驗公式，可以得到臨界相對密度，進(jìn)而可以由下式確定臨界孔隙比:

emax和emin可以通過土工試驗得到，如無可靠的試驗數(shù)據(jù)時，也可以根據(jù)砂土中小于0.074mm的細(xì)顆粒含量Fc由經(jīng)驗式得到，即:

實際工程中直接按式(8-15)和式(8-16)仍較難確定e0、e1。我國規(guī)范判斷地基液化與否及液化嚴(yán)重程度是根據(jù)地基臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr，而不是根據(jù)土體孔隙比。因此為便于與規(guī)范液化判別方法統(tǒng)一，需借助相對密實度Dr與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N的關(guān)系，通過標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N進(jìn)行換算來得到e0、e1值。本書采用國內(nèi)應(yīng)用較多的由鐵道第一勘察設(shè)計院提出的Dr與我國標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備實測的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N的關(guān)系式:

砂土中細(xì)顆粒含量Fc的大小對砂石樁的擠密效應(yīng)有顯著影響。用加固效果下降率β定量描述細(xì)顆粒對處理效果的影響，即:

由式(8-18)可得:

砂土中粒徑小于0.074mm的細(xì)粒含量Fc與加固效果下降率β的相關(guān)關(guān)系為:

將式(8-16)和式(8-17)代入式(8-15)可得處理前后土的孔隙比e0、e1。

(2)考慮砂石樁多種作用確定樁間距的當(dāng)量標(biāo)貫擊數(shù)法。

近年來一些學(xué)者注意到砂石樁抗液化的多種作用，提出考慮多種抗液化作用的設(shè)計方法。根據(jù)砂石樁復(fù)合地基抗地震液化的作用，以及目前判別砂石樁復(fù)合地基液化勢的若干研究，何廣訥(2001)基于當(dāng)量標(biāo)貫擊數(shù)法，將砂石樁復(fù)合地基抗液化的主要功效近似定量化，并考慮一定的安全儲備。在所建的功效當(dāng)量標(biāo)貫判別法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步形成以抗地層液化為目的的砂石樁復(fù)合地基的設(shè)計。

考慮到砂石樁復(fù)合地基的多種抗液化作用，復(fù)合地基液化判別的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)臨界值(Ncr)F可以表示為:

何廣訥(2001)對ηu進(jìn)行近似定量化為:

復(fù)合地基中樁體共同承擔(dān)地震力，碎石樁和樁間土上的應(yīng)力按照剛度分配時，樁體應(yīng)力集中效應(yīng)的減震系數(shù)ητ可由由式(8-23)計算

由此，碎石樁復(fù)合地基所需滿足的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值(Ncr)F為:

設(shè)計時結(jié)合原場地上的密實度、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，通過土的密實度與其標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系式，可以獲得該判別處土的抗液化臨界孔隙比。假設(shè)加固處理后樁間土要求達(dá)到的孔隙比(e1)F就是土層達(dá)到液化臨界標(biāo)貫擊數(shù)(Ncr)F所對應(yīng)的孔隙比。在綜合考慮碎石樁復(fù)合地基多種抗液化作用時，樁間距的計算公式為:

正三角形布樁時:

正方形布置:

這種以消除地震液化為主要目的砂石樁復(fù)合地基的設(shè)計法，充分考慮了砂石樁復(fù)合地基抗液化的多種作用，定量化并給予適當(dāng)?shù)陌踩珒洹＋@得了有關(guān)的各功效系數(shù)，可以更切合實際，突出抗地震液化的作用，使設(shè)計既保證安全，又更為經(jīng)濟。但其理論上的合理性和實用中的可靠性還沒有得到充分的論證和檢驗。

8.3.1.4　擠密砂石樁處理后的地基評價

砂石樁與樁間土組成復(fù)合地基，其受力和變形以及在土的作用等與鋼筋混凝土樁等截然不同。為了檢查地基處理效果，并獲得處理后地基的承載力及變形指標(biāo)等，在地基處理結(jié)束后，可采用載荷試驗方法，并可結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入、動力觸探、靜力觸探及取土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗等快速的方法對處理后的地基進(jìn)行綜合評價。

8.3.2　CFG樁液化土地基加固

解決液化問題的最好的途徑是在液化土層內(nèi)設(shè)置比液化土更快的排水條件，如碎石樁。

水泥粉煤灰碎石樁(Cement-flyash-gravel，CFG)加固軟弱地基，樁和樁間土一起通過褥墊層形成CFG樁復(fù)合地基，所起的作用具有樁體作用、擠密作用及褥墊層作用，其受力特性介于碎石樁與鋼筋混凝土樁之間，類似于水泥攪拌樁。由CFG樁身具有一定剛度，不屬于散體材料，樁體承載力取決于樁側(cè)摩阻力、樁端端承力及樁體材料強度，但樁體強度與剛度比一般混凝土小，有利于充分發(fā)揮樁體材料的潛力，降低地基處理費用。

樁體作用:CFG樁不同于一般的碎石樁，它是具有一定的黏結(jié)強度的混合材料，在荷載作用下樁身的壓縮性明顯比周圍軟土小，因此，基礎(chǔ)傳給復(fù)合地基的附加應(yīng)力隨地基的變形逐漸集中到樁體上，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而起到樁體作用。

擠密與置換作用:由于CFG樁施工時是用振動沉管法施工，其振動和擠壓作用使樁間土原始應(yīng)力結(jié)構(gòu)得到破壞，土顆粒間孔隙比、含水量及壓縮系數(shù)有所減小，天然密度、壓縮模量均有所增加，樁間土得到擠密，使原來工程性能較差的土逐漸向工程性能較好的方向轉(zhuǎn)變，同時也起到置換作用，在一些不可擠密的土層施工時，起到的置換作用比較明顯。

褥墊層作用:由散體材料組成的褥墊層，在復(fù)合地基中可以保證樁、土共同承擔(dān)荷載，為復(fù)合地基在受荷后提供了樁上、下刺入條件，以保證樁間土始終參與工作;同時可以減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中，樁對基礎(chǔ)產(chǎn)生的應(yīng)力隨褥墊層厚度的加大而降低，有驗證資料表明，當(dāng)褥墊層厚度為30cm時，樁頂應(yīng)力與樁間應(yīng)力比只有1.23，當(dāng)褥墊層厚度為10cm時，樁頂應(yīng)力與樁間應(yīng)力比為7.85，因此CFG樁的褥墊層在荷載作用下可以調(diào)整樁土荷載(包括水平荷載)分擔(dān)比。

(1)設(shè)計思想。當(dāng)CFG樁樁體標(biāo)號較高時，具有剛性樁的性狀，但在承擔(dān)水平荷載方面與傳統(tǒng)樁基有明顯的區(qū)別。樁在樁基中可承受垂直荷載也可承受水平荷載，且傳遞水平荷載的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳遞垂直荷載的能力。而CFG樁復(fù)合地基通過褥墊層把樁和承臺(基礎(chǔ))斷開，改變了過分依賴樁承擔(dān)垂直荷載和水平荷載的傳統(tǒng)設(shè)計思想。由于CFG樁復(fù)合地基置換率一般不大于10%，則有不小于90%的基底面積的樁間土承擔(dān)了絕大部分水平荷載，而樁承擔(dān)的水平荷載則占很小一部分。根據(jù)試驗結(jié)果，樁與土的剪應(yīng)力比隨褥墊層厚度增大而減少，設(shè)計時可通過改變?nèi)靿|層厚度調(diào)整樁與土的水平荷載分擔(dān)比。按這一設(shè)計思想，復(fù)合地基承載能力比按傳統(tǒng)樁基設(shè)計思想有相當(dāng)大的增值。

(2)復(fù)合地基承載力設(shè)計計算。地基處理后的復(fù)合地基承載力特征值按下式估算:

單樁豎向承載力特征值Ra的取值，應(yīng)符合式(8-28)規(guī)定。

1)當(dāng)采用單樁載荷試驗時，應(yīng)將單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)2。

2)當(dāng)無單樁荷載試驗資料時，可按下式估算:

碎石擠密樁現(xiàn)場施工圖如圖8-1所示。

(3)褥墊層設(shè)計。褥墊層在CFG樁復(fù)合地基設(shè)計中非常重要。褥墊層是由級配砂石、碎石或中砂等散體材料組成。其如下作用:

1)保證樁土共同承擔(dān)荷載，它是水泥粉煤灰碎石樁形成復(fù)合地基的重要條件。

2)可減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中。

3)通過改變?nèi)靿|層厚度，調(diào)整樁垂直荷載的分擔(dān)，通常褥墊越薄樁承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比越高。

4)調(diào)整樁、土水平荷載的分擔(dān)，褥墊層越厚，土分擔(dān)的水平荷載占總荷載的百分比越大，樁分擔(dān)的水平荷載占總荷載的百分比越小。對抗震設(shè)防區(qū)，不宜采用厚度過薄的褥墊層設(shè)計。

褥墊層厚度按下式控制:

墊層寬度比基礎(chǔ)寬度要大，其寬出部分不宜小于褥墊層的厚度。

5)褥墊層的設(shè)置，可使樁間土承載力充分發(fā)揮，作用在樁間土表面的荷載在樁側(cè)的土單元產(chǎn)生豎向和水平向附加應(yīng)力，水平向附加應(yīng)力作用在樁表面具有增大側(cè)阻的作用，在樁端產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力對提高單樁承載力是有益的。

8.3.3　沉降計算

復(fù)合地基的沉降量分為兩部分，復(fù)合地基加固區(qū)沉降量是S1，復(fù)合地基加固區(qū)下臥層土層壓縮量S2，復(fù)合地基總沉降量為兩部分之和。

8.3.3.1　分層總和法

當(dāng)荷載不超過復(fù)合地基承載力時可按下式計算復(fù)合地基沉降:

8.3.3.2　復(fù)合模量法

復(fù)合模量法基本思想是假定加固區(qū)的復(fù)合土體為與天然地基分層相同的若干層均質(zhì)地基，不同的是壓縮模量都相應(yīng)擴大ξ倍。這樣加固區(qū)和下臥層均按分層總和法進(jìn)行沉降計算。

當(dāng)荷載p0不大于復(fù)合地基承載力時總沉降量為:

各部分沉降量均采用分層總和法進(jìn)行計算。土質(zhì)地基壓縮層計算深度可按計算層面處的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值0.1～0.2(軟土地基取小者，堅實地基取大者)的條件確定，本書取0.15。

8.3.3.3　關(guān)于分層總和法和復(fù)合模量法

分層總和法是經(jīng)典的沉降計算理論，采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論。復(fù)合模量法只是考慮到CFG樁的改良作用，用加固土層的樁土復(fù)合變形模量來代替天然地基變形模量，即采用模量提高系數(shù)法，這種方法不僅理論基礎(chǔ)充分，而且可以計算出加固區(qū)各土層的分層沉降以及中心和邊緣處沉降，且不存在通過假設(shè)來推求下臥層頂面應(yīng)力的難題。但加固區(qū)的附加應(yīng)力仍取天然地基中的值，這點與事實有點不符。眾所周知，地基中的附加應(yīng)力是將地基視為空間無限彈性體和均質(zhì)體而得出的，CFG樁復(fù)合地基符合半空間無限體，近似彈性體，但不符合均質(zhì)體條件，故CFG樁復(fù)合地基中的附加應(yīng)力已不同于天然均質(zhì)地基，但由此引起的誤差相對來說較有限，計算結(jié)果較穩(wěn)定，不存在人為的認(rèn)識差異。