某工程CFG桩复合地基桩间土液化问题分析及其处理措施

　　摘要：本文介绍了某工程场地因CFG桩复合地基施工而发现的地基土液化误判问题，在纠正了地基液化等级判断之后，针对已完成和未进行CFG桩复合地基处理的不同工况，分别采取了振锤振密加固措施和振冲碎石桩+CFG桩复合地基方案进行地基处理，经检测，地基液化现象全部消除或液化等级转为轻微，处理效果良好，满足设计要求。

　　关键词：液化；振锤振密；振冲碎石桩

　　中图分类号：    TQ511                文献标识码：A                      文章编号：

　　Abstract: This paper introduces a project site for CFG pile composite foundation construction of foundation soil liquefaction and find the misjudgement in correct the liquefied foundation level after judge, has been completed and not for CFG pile composite foundation treatment under different conditions, the vibration respectively take hammer vibration reinforcement measures and dense vibro-replacement stone column + CFG pile composite foundation scheme of ground treatment, after the examination, the foundation liquefaction phenomenon to eliminate or liquefied level to all minor, the treatment effect is good, meet the design requirements.

　　Key Words: Liquefied; Vibration hammer dense vibration; Vibro-replacement stone column

　　一、前言

　　地基饱和粉土和砂层液化在工程实践中较为常见。根据以往学者的研究结果来看，饱和松砂与粉土是一种单粒结构，处于不稳定状态[1]。在饱和情况下受动荷载作用时，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，根据有效应力原理，就使原来由土颗粒通过其接触点传递的有效应力减小，甚至完全丧失。这时土颗粒将处于悬浮状态，完全丧失抗剪强度，地基发生液化。地基液化后发生失效现象，导致大量建筑物损毁[2]。因此，地基液化问题不容忽视。

　　本文涉及工程建设场地内有9栋住宅楼，原设计方案未考虑液化处理，先期施工工程未发现潜在的液化隐患，但在后期工程施工时，出现了较严重的施工困难，分析为砂层过于松散，潜在的液化威胁较严重，经计算分析，勘察报告地基土液化存在误判问题，遂纠正了液化等级判断，后分别采用振锤振密措施法加固先期工程、振冲碎石桩法处理严重液化的后期工程，经检测，液化处理效果良好。

　　二、工程介绍

　　（一）工程概况

　　本工程为一多栋住宅社区，共6栋楼，其中，1~3#楼为地上18层、地下1层住宅楼，4~6#楼为地上24层、地下1层住宅楼。由于场地浅层天然地基土强度低，不能满足高层建筑物承载力及变形要求，采用CFG桩复合地基方案进行地基处理，施工工艺采用长螺旋钻机成孔、压灌混凝土成桩，设计参数详见表1。
                表1  原CFG桩复合地基设计方案

　　注：由于部分土层存在液化问题，CFG桩方案设计时，将该液化部分土层的侧摩阻力进行了适当折减，所以设计桩长较长。

　　（二）地层土质简介

　　根据勘察结果，本工程场地除地表分布的杂填土及素填土（Q1m1）外，其下地层依次为第四系全新统冲积相新近沉积（Q42n1）形成的粉质粘土及细砂层，第四系全新统冲积相冲积（Q4a1）形成的粉质粘土及细砂层，第四系晚更新世冲积（Q3n1）形成的粉质粘土夹粉土、粉质粘土及细砂层。其基础底面以下各土层力学性状及勘察柱状图详见表2和图1。
表2  基底以下土层力学性状

土层编号	岩土 名称	力学性状	图1  典型土层柱状图
③	新近沉积粉砂	标准贯入试验锤击数N=7.0~12.0击，平均值8.7击；呈稍密状态，属中~低压缩性土，该层力学性能欠均匀，工程性能较差
④	细砂	标准贯入试验锤击数N=15.0~35.0击，平均值23.2击；呈中密~密实状态，局部稍密状态，属低压缩性土，该层力学性能相对较好
⑤	粉质粘土	孔隙比e=0.482~0.783，平均值为0.599，液性指数IL=0.11~0.72，平均值0.48。压缩系数а1-2=0.12~0.24MPa-1,平均值0.18MPa-1, 压缩模量ES1-2=7.13~18.75MPa, 平均值11.64MPa；标准贯入试验锤击数N=6.0~19.0击，平均值12.5击；呈可塑~硬塑状态，属中压缩性土，该层力学性能一般；
⑥	细砂	标准贯入试验锤击数N=23~40击，平均值32.4击；呈中密~密实状态，属低压缩性土，该层力学性能相对较好
⑦	粉质粘土	孔隙比e=0.456~0.878，平均值为0.647，液性指数IL=0.14~0.78，平均值0.37。压缩系数а1-2=0.10~0.34MPa-1,平均值0.22MPa-1, 压缩模量ES1-2=5.08~20.40MPa, 平均值9.03MPa；标准贯入试验锤击数N=13.0~24.0击，平均值17.2击；呈可塑~硬塑~坚硬状态，局部软塑状态，属中压缩性土，该层力学性能相对一般
⑧	细砂	标准贯入试验锤击数N=27.0~42.0击，平均值35.0击；呈密实状态，属低压缩性土，该层力学性能相对较好

　　勘察期间场地地下稳定水位埋深2.65~4.20米，属孔隙潜水，主要受大气降水的影响，据区域水文地质资料，地下水位年变化幅度1.5~2.0米左右。

　　（三）施工中出现的问题

　　CFG桩复合地基工程共分两期进行施工：1~3#楼先期施工，CFG桩桩径400mm；4~6#楼后期施工，CFG桩桩径600mm。1~3#楼施工时，施工基本正常，未现异常现象；然而，在4~6#楼施工中，因桩径变大，对地层的扰动增大，施工单位反应长螺旋钻机钻进时翻砂严重，同时地下水丰富，钻机附近土层下陷，出土量变小，威胁到钻机稳定，甚至混凝土泵管随砂卷入地层内，周边槽壁有坍塌现象，超灌现象较为严重。

　　根据施工中的种种现象，结合本场区地质条件特点，认为极有可能是地基土过于松散，从而造成施工困难，同时潜在的液化威胁较严重 。

　　三、地基液化问题分析与处理方法

　　（一）地基液化问题分析

　　为进一步确认第2.3节分析的结论，特与勘察人员沟通，获知勘察报告按分层计算的方法来进行液化等级判别，即按每个钻孔的每层土液化指数来判定液化等级，而非根据每个钻孔不同土层的液化指数的累加进行计算，因此液化判定结果迥然不同。

　　勘察报告上各土层液化判别结果如下：②1层新近沉积粉土为液化土，具轻微液化；③层新近沉积粉砂为液化土，具中等液化；④层粉砂、⑤层粉质粘土中的粉土及⑥层细砂为非液化土，场地为具中等液化场地。

　　同时，为确定本场地液化特性，特校核了勘察报告中液化判别计算表，校核结果见表3，综合考虑，本场区为中度及严重液化，根据规范[3]中4.3.6条文抗液化措施规定，对于乙类设防类别，地基液化等级为中等及严重时，需要全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理。

　　（二）地基液化处理方法

　　为保证工程质量及安全，需对本工程进行液化地基处理。1~3#楼CFG桩已施工完成，常规的抗液化措施已无法施工，考虑到液化的严重影响，为确保工程安全，亦进行了液化处理。

　　常规的抗液化措施有换填、地基加密法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等）、桩基础、深基础等，针对本工程特点，1~3#楼采用改进的振锤振密措施，4~6#采用“振冲碎石桩+CFG桩”复合地基处理方案，即先采用振冲碎石桩处理液化土层后，再进行CFG桩施工。

　　1.1~3#楼地基液化处理方法

　　鉴于CFG桩已施工，为不影响CFG桩施工质量，已无法采用常规的加密、挤密等施工工艺。遂提出了改良的振锤振密措施，即在沉管工艺的原型下改进成为简易沉管装置。其原理为，当沉管的振动频率与土体颗粒的自振频率一致时，土体颗粒产生共振。此时，土体颗粒重新排列组合，形成更为密实的土体，从而达到振密土体的效果。同时土体颗粒有足够的振动速度和加速度，能迅速破坏沉管和土体之间的粘结力，使两者之间由压紧状态过渡到瞬时分离状态。沉管的侧面阻力大大降低，促成其顺利沉入土中[4]。在此过程中，在沉管周围处填充碎石，碎石沿着沉管壁向下及向周边移动，达到挤密土体的效果。此种工艺的优点在于避免了传统工艺对既有桩体的破坏，同时又施工简便易行。

　　本工程具体处理方案如下：以沉管机械上振锤带动Φ200钢管，钢管外焊有钢刺，下插入砂层12米，反复振动，并在钢管周围处填充碎石。处理范围为CFG桩桩间，以及基础边线外5m，孔位间距为0.5m×0.5m，具体见图2和图3。施工过程中，每孔填料0.4m3，在整体振密后，场地土下沉0.3~0.5m，该沉降主要来源于CFG桩施工扰动土体的密实度恢复和天然土体的振密。

　　2. 4~6#楼地基液化处理方法

　　鉴于4~6#楼地基液化的严重性，需采取质量可靠、处理效果较好的施工工艺。作为抗液化处理措施之一，振冲碎石桩法正具有该特点：通过预振效应使液化地基土颗粒结构重新排列，从而改善了地基土的性能[5]。振冲碎石桩加固可液化地基的作用主要表现在以下方面：1）成桩过程中，激振器产生的振动通过导管传递给土层，使其附近的饱和砂土地基产生振动孔隙水压力，导致部分土体液化，土颗粒重新排列，趋向密实，从而提高了桩周土体的密实度。2）复合地基中的碎石桩是以透水性很好的碎石构筑，可以缩短渗透路径，改善排水条件，因此在振动时加速超孔隙水压力的消散，使孔压消散与增长同时发生，降低由于循环荷载作用而产生的超静孔隙水压力，以防止地基液化，大大提高了地基的抗液化能力；3）桩体分担地震水平剪应力，减小桩间土所受的剪应力[6]。

　　对原4~6#楼CFG桩复合地基方案进行了变更，采用振冲碎石桩+CFG桩复合地基方案，即，先通过振冲碎石桩消除地基土中的液化现象，进而将地基承载力提高到200kPa，然后采用CFG复合地基处理方式处理已经振密后的地基土。具体设计参数详见表4。

　　四、处理效果分析

　　施工结束后，分别对地基处理结果进行了标准贯入试验检测，并按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）4.3.4和4.3.5条文进行判定，判定结果详见表5。

　　表3与表5相比较可知，经处理后，本工程6栋楼地基液化等级全部轻微及以下，满足相关规范及设计要求。

　　其中，为检测振锤振密法对已施工CFG桩桩体的影响，特对1~3#楼20%桩数的CFG桩进行了低应变动测，检测结果表明：绝大部分CFG桩为桩身完整度为Ⅰ级，其中，约10%左右CFG桩桩身完整度为Ⅱ级，由此可见，振锤振密法对CFG桩桩身完整性无影响及损伤。

　　五、结语

　　本工程采用了抗液化措施来处理不同工况下的液化问题，根据施工过程和检测结果，可得出如下结论：

　　（1）地基液化问题不容忽视，其不但对工程安全有一定影响，亦会可能困扰复合地基的施工。

　　（2）判别地基液化等级需小心谨慎，应正确合理利用液化指数计算公式。

　　（3）沉管工艺原型下改进的振锤振密措施可很好的处理地基液化问题，尤其针对地基补救工程，既避免了传统工艺对既有桩体的破坏，同时又施工简便易行。

　　（4）振锤振密法的方案设计，需结合土层地质条件、原复合地基设计方案等，并需基于一定的相关经验和试验。

　　（5）作为抗地基液化问题措施之一，振冲碎石桩施工工艺再一次被证明具有施工质量可靠、液化处理效果良好等的特点。

　　参考文献

　　[1]赵心涛. 黄泛区饱和粉土抗液化试验研究与数值分析[D]. 济南:山东建筑大学，2010

　　[2]周源,高玉峰,杨雪玲,许永富. 工程中常用的抗液化措施及机理分析[J]. 湖南大学学报（自然科学版）, 2008, 35(11)

　　[3]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010

　　[4]贾武学. 振动打桩机沉桩的理论计算[J]. 机械研究与应用（增刊）,1999

　　[5]蔡袁强,袁雪成.振动机密碎石桩与振冲碎石桩液化分析[J].工程力学（增刊）,1995

　　[6]张明. 碎石桩符合地基抗液化性能的数值模拟[D]. 太原:太原理工大学,2010

　　（责任编辑 于 静）