高速公路液化土

1、高速公路液化地基處理【內(nèi)容摘要】液化是一種特殊的工程地質(zhì)現(xiàn)象，本文簡要介紹了徐州地區(qū) 液化地基的形成原因，液化的影響因素與工程特性，以及強(qiáng)夯、碎石樁施 工的工藝特點(diǎn)。同時(shí)總結(jié)了連徐高速公路液化地基處理的經(jīng)濟(jì)可行的措 施。刖言連徐高速公路是國家重點(diǎn)工程連云港至霍爾果斯歐亞大陸橋的東橋頭堡。 該路西段（徐州段）跨越黃淮沖積平原東南部，路線有近一半處于液化土 不良地質(zhì)地段。由我公司承接的標(biāo)段為該路段的試驗(yàn)段。通過試驗(yàn)段施工 中的反復(fù)試驗(yàn)，為液化地基處理提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。本文將從液化土的形 成條件、工程特性和處理措施等幾方面簡要介紹該路段液化地基處理施工 的情況。液化土形成的原因分析土的液化機(jī)理松散的

2、砂土和粉土，在地下水的作用之下達(dá)到飽和狀態(tài)。如果在這種情況 下土體受到震動(dòng)，會(huì)有變得更緊密的趨勢，這種趨于緊密的作用使孔隙水 壓力驟然上升，而在這短暫的震動(dòng)過程中，驟然上升的孔隙水壓力來不及 消散，這就使原來由土顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的壓力（有效壓力）減小，當(dāng)有 效壓力完全消失時(shí)，土層會(huì)完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，變成像液體一 樣，這就是土的液化現(xiàn)象。由此可見，發(fā)生液化現(xiàn)象，土質(zhì)多是松散的砂土和粉土，而且受到震動(dòng)和 水的作用。液化的條件地質(zhì)條件黃淮沖積平原為歷史上黃河泛濫泥沙沉積形成。從兩千多年前的周定王五 年(公元前602年)&127;，黃河第一次大改道南徒，到入宋以后，夏秋霖潦， &127;黃河

3、多次泛濫成災(zāi)。&127;而后，1077年的澶州曹村大決口和1855 年的蘭考城北黃河大決口，&127;使徐州平地積沙810米，這幾層土都 處于松散狀態(tài)，&127;標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)N值只有35擊/0.3米，形成了沿 線液化土層的基本條件。地下水的作用砂土和粉土只有在飽和狀態(tài)才會(huì)產(chǎn)生液化，而松散的砂土和粉土，在地下 水位以下時(shí)才能達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，地下水的作用和地下水位的高低是 影響液化的重要條件。在7度地震區(qū)域，地下水位高于6m,地震時(shí)容易發(fā)生液化。徐州地區(qū)地 下水豐富，地下水埋深只有0.51.5m，這就具備了液化形成的必不可少 的條件。外力的作用飽和的砂土和粉土在外力如地震的作用下，抗剪強(qiáng)度很

4、快喪失。砂土的抗 剪強(qiáng)度T可用下式表示：T =(Q U)tg0式中。為剪切面上外力作用下的法向應(yīng)力，&127;U為剪切面上孔隙水壓 力，為土的內(nèi)摩擦角。地震時(shí)，土體受到強(qiáng)烈的震動(dòng)，孔隙水壓力U急劇增高，當(dāng)U與總法向力O相等時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度T =0,地基失去承載力。地震烈度愈高的地區(qū)，地面震動(dòng)愈強(qiáng)烈，土層就愈容易液化。一般在6度 以下的地區(qū)，液化現(xiàn)象很少發(fā)生，但在7度以上的地區(qū)，當(dāng)?shù)孛婕铀俣瘸?過0.13g時(shí)才發(fā)生液化。當(dāng)?shù)孛婕铀俣葹?.16g時(shí)，液化就相當(dāng)普遍了。 連徐路西段為7度地震設(shè)防區(qū)域，具備了地基液化的外在條件。地基液化的影響因素及液化的判別地基土體液化在具備上述基本條件的情況下，還與

5、地質(zhì)年代、土顆粒粒徑、 土的密實(shí)度等因素有關(guān)，土是否液化還需要根據(jù)多項(xiàng)指標(biāo)來綜合分析判 斷。當(dāng)符合下列因素之一時(shí)可不考慮液化影響。地質(zhì)年代年代久遠(yuǎn)的沉積土，經(jīng)過長時(shí)期的固結(jié)作用和地震的影響，土的密實(shí)程度 增大，從而形成膠結(jié)緊密的結(jié)構(gòu)。地質(zhì)年代愈久，土層的固結(jié)度、密實(shí)度 和結(jié)構(gòu)性也就愈好，液化的可能性就愈小。調(diào)查表明，地質(zhì)年代在第四紀(jì) 晚更新世(Q3)以前的飽和土不會(huì)發(fā)生液化。也就是說，該路段只有Q4地 質(zhì)年代的土層才具有可液化性。土顆粒徑和粘粒含量土顆粒愈細(xì)愈容易液化，當(dāng)土的平均粒徑在0.1mm時(shí)，抗液化的能力最差。 土層中粘粒(粒徑小于0.005mm的顆粒)&127;增加，土的粘聚力增大，從

6、 而抵抗液化的能力增強(qiáng)。當(dāng)粘粒含量超過10%時(shí)，7度地震不會(huì)引起土體 液化。土的粘性可用塑性指數(shù)Ip來定量分析，當(dāng)土的塑指IpW10時(shí)，土 體可液化性大，&127;該路段表層3050cm以下至810間的土層，塑指 Ip 一般在9.510之間，證明其具有可液化性。上覆層厚度與土層的埋深有資料表明，土質(zhì)的液化深度很少超過15m的，更多的小于10m。上覆 層土層具有抑制可液化土層的噴砂冒水的作用，在7度地震區(qū)域，當(dāng)覆蓋 層厚度超過7m時(shí)，可不考慮液化。連徐路西段上覆土層厚只有約0.5 1.0m, &127;上覆土層對(duì)液化翻漿的抑制作用很小。(4) 土的密實(shí)度有關(guān)資料分析表明，&127;相對(duì)密實(shí)度小于

7、50%的砂土地震時(shí)普遍發(fā)生液 化，而相對(duì)密實(shí)度大于70%的土層不大可能發(fā)生液化。液化的進(jìn)一步判 別，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行。詳細(xì)情況在本文“效果檢驗(yàn)”中介紹。4、液化土的工程特性(1)液化等級(jí)的劃分液化等級(jí)的劃分由液化指數(shù)確定。液化指數(shù)即綜合反應(yīng)各種因素的影響和 液化的危害程度，也是液化等級(jí)劃分的主要參數(shù)。液化指數(shù)按下式計(jì)算： n Ni I=E (1-)diWii=1 Ncri式中：I- -液化指數(shù)n- -15m范圍內(nèi)飽和土層中標(biāo)準(zhǔn)貫入(標(biāo)貫)點(diǎn)總數(shù)Ni, Ncri-分別為i點(diǎn)標(biāo)貫錘擊數(shù)實(shí)測值和臨界值dii點(diǎn)所代表的土層厚度Wi i 土層考慮單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值(單位為m),Wi=15

8、-Dsi, Dsi為該層土中點(diǎn)的深度，Dsi取N5m。當(dāng)0WIW5時(shí)為輕微液化；當(dāng)5WIW15時(shí)為中等液化；當(dāng)I 15m時(shí)為嚴(yán) 重液化。液化土的分布可液化土在全線呈間斷分布。液化土層以Q4II及軟塑亞砂土及粉細(xì)砂，Ip 10的亞粘土為主。液化層厚度在1.58.0m之間，埋深08m，以嚴(yán)重 液化為多。液化土的直觀特性可液化土都具有較好的保水性能，&127;含水量接近50%時(shí)，泌水也非常 緩慢。剛挖出來的土，外表看起來沒多少水份，輕輕的拍一拍，土的表面 就會(huì)上來水分，土體就會(huì)顫悠。在地基處理過程中，機(jī)械震動(dòng)引起液化之 后，表面的硬土層就像是漂在水面一樣，踩上去跳動(dòng)可以引起幾米內(nèi)的漂 動(dòng)。液化土和表

9、面的硬土層就如雞蛋的蛋清和蛋殼，表層一旦破壞，翻砂 冒漿隨即發(fā)生，下面的液化土就像蛋清一樣往外冒三.液化地基處理措施液化地基處理的基本原則就是提高土層密實(shí)度和改善排除孔隙水的條件， 增大其透水性。從而提高其抗液化的能力。液化地基的處理方法連徐高速液化段地基處理主要采用強(qiáng)夯和碎石樁的方法。液化地基的處理范圍考慮到高速公路與工民建相比有涉及范圍大、發(fā)生震害產(chǎn)生的損失小和修 復(fù)相對(duì)容易等特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)上考慮，連徐路砂土液化路段沒做全部處理。 對(duì)中等以上的液化地基，大型橋梁采用碎石樁加固；對(duì)嚴(yán)重的液化地基， 構(gòu)造物基礎(chǔ)原則上以碎石樁處理，若處理段與強(qiáng)夯處理相連時(shí)，采用強(qiáng)夯 全幅處理；對(duì)于高路堤，強(qiáng)夯至坡

10、腳外3m；路堤中心線兩側(cè)各10m范圍 內(nèi)不進(jìn)行主夯和副夯，只進(jìn)行滿夯；對(duì)于存在軟弱薄層的中等以上可液化 段，進(jìn)行全幅處理。實(shí)際發(fā)生震害時(shí)，兩側(cè)坡腳處往往容易發(fā)生噴砂冒水而導(dǎo)致路基邊坡以外 地基和路堤共同沉陷和滑移破壞，所以坡腳至邊溝外緣部分需全部進(jìn)行加 固。對(duì)于一般路基，根據(jù)液化產(chǎn)生的規(guī)律，中心線兩側(cè)各10m的范圍內(nèi)不 做處理。施工工藝.強(qiáng)夯施工1）強(qiáng)夯的作用機(jī)理強(qiáng)夯法通過重錘自由落下，在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)土體施加一個(gè)巨大的沖擊能 量，這種沖擊能乂轉(zhuǎn)化成各種波型 &127;（包括壓縮波，剪切波和瑞利 波）&127;，使土體強(qiáng)制壓縮、振密、排水固結(jié)和預(yù)壓變形，從而使土顆粒 趨于更加穩(wěn)固的狀態(tài)，以達(dá)到

11、地基加固的目的。2）強(qiáng)夯施工工藝強(qiáng)夯機(jī)械的選用本路段強(qiáng)夯主要有兩種類型的機(jī)械（見圖2）, 一種是起重能力50t的履帶 吊配1820t的鑄鐵夯錘；&127;另一種是2025t起重能力的吊機(jī)配16 20t的夯錘，&127;這種夯機(jī)吊臂頂上須配輔助門架。因此，每個(gè)夯點(diǎn)須移 一次吊機(jī)，而且移動(dòng)速度慢，效率較低。相比較使用大噸位吊移動(dòng)方便， 移一次機(jī)可打34個(gè)夯點(diǎn)，效率要比帶輔助門架的夯機(jī)高出近1倍。施工步驟強(qiáng)夯處理，進(jìn)行主、副夯和滿夯3遍夯擊。施工要點(diǎn)如下：10間的土層，塑指Ip 一案?A.5清理場地，設(shè)置墊層連徐地區(qū)表面固結(jié)較好的土層只有0.5m左右，原設(shè)計(jì)沒有設(shè)置墊層，機(jī) 械震動(dòng)很容易引起表面破壞

12、和地基液化冒漿，承載力下降，機(jī)械下陷行進(jìn) 困難，同時(shí)夯坑過深起錘困難。根據(jù)試驗(yàn)段總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)增加了強(qiáng)夯 碎石墊層。墊層的作用主要是：支承強(qiáng)夯機(jī)械的行走；形成應(yīng)力擴(kuò)散層， 利與夯擊能的傳播；利于表層水的排除；加大夯坑底與地下水位之間的距 離，避免夯坑翻漿。實(shí)踐證明，墊層作用明顯。墊層在主、副夯時(shí)厚度為 1m,滿夯時(shí)2530cm。夯點(diǎn)布置夯點(diǎn)放樣用石灰（或標(biāo)樁）標(biāo)明第一遍位置，并測量標(biāo)高。夯點(diǎn)采用正方形 布置（見圖3）。主、副夯1500、2000與3000 KN.m三種夯擊能對(duì)應(yīng)的間距 為 4m、4.5m、5m。.夯擊就位，進(jìn)行第一遍夯擊（主夯）。夯機(jī)就位后，將夯錘按設(shè)計(jì)夯擊能起吊至預(yù)定高度，

13、脫鉤下落,放下釣鉤測 量錘底傾斜度，當(dāng)傾斜度大于30時(shí)，應(yīng)將夯坑填平后再進(jìn)行夯擊。主夯夯擊，每點(diǎn)夯擊4錘。并做好詳細(xì)記錄。.移動(dòng)位置（不帶門架的夯機(jī)，34點(diǎn)移動(dòng)一次），進(jìn)行下一點(diǎn)夯擊。 直至完成第一遍夯擊。.主夯完成以后，靜置72小時(shí)，待孔隙水壓力消失以后，推平夯坑，準(zhǔn)備副夯。.重新測量定位，按上述要點(diǎn)進(jìn)行副夯施工。副夯每個(gè)點(diǎn)同樣夯擊4錘。夯完以后，間隔72小時(shí)，推平夯坑 準(zhǔn)備滿夯。.進(jìn)行滿夯處理滿夯處理范圍為包括進(jìn)行主、副夯的全幅。滿夯時(shí)，夯點(diǎn)彼此搭 接1/4（錘底面積）。夯后測量標(biāo)高。.靜置7天以后進(jìn)行效果檢測。夯坑若有積水，應(yīng)排除以后才能推平夯坑。2）碎石樁施工碎石樁是采用樁管振動(dòng)成孔，

14、填入足夠碎石后振動(dòng)密實(shí)而成。本 路段碎石樁樁徑采用0.5m，樁長為710m，呈梅花狀布置，間距為1.3 1.4m。1）擠密碎石樁的原理擠密碎石樁是依靠振沖器的強(qiáng)力振動(dòng)使液化土顆粒重新排列，振動(dòng)密 實(shí)，另一方面依靠振沖器的水平振動(dòng)力，在加碎石填料的情況下，還通過 碎石使土層擠壓密實(shí)；碎石樁與樁間土體形成復(fù)合樁，從而提高地基承載 力。碎石樁也提供了縱向排水通道，利于土層排水固結(jié)。2）機(jī)具配置施工采用DZ40和DZ60兩種走管式振動(dòng)沉樁機(jī)（見圖4），振動(dòng)錘有35t 和45t兩種，激振力不小于28t，樁管內(nèi)徑有377mm和426mm兩種，管端 設(shè)平底活瓣樁頭。樁管設(shè)二次投料口。樁機(jī)起動(dòng)電流達(dá)80安培，

15、&127;每臺(tái)樁機(jī)須配備120KW發(fā)電機(jī)一臺(tái)， 當(dāng)使用1臺(tái)160KW發(fā)電機(jī)帶2臺(tái)樁機(jī)時(shí)，要注意錯(cuò)開起動(dòng)時(shí)間，否則發(fā) 電機(jī)將會(huì)因負(fù)荷過大而發(fā)生故障。3）施工工藝碎石樁施工工藝要點(diǎn)如下：清理平整施工場地.鋪設(shè)墊層（碎石）.測量標(biāo)高，樁位放樣.樁機(jī)就位、調(diào)整垂直度.振動(dòng)下沉樁管至設(shè)計(jì)深度，稍上提樁管使樁管端頭活瓣樁尖打開，同時(shí)破壞樁尖外壁真空以利樁管拔起。. 停止振動(dòng)，立即從第一投料口首次投料。投料量當(dāng)樁管為377mm時(shí)，為 設(shè)計(jì)投料的50%，426mm時(shí)為64%。.啟振，邊提升樁管邊振動(dòng)，并進(jìn)行35次振動(dòng)反插，至管內(nèi)碎石全 部投出。提升和反插速度要均勻。.開啟第二投料口（在樁管約1/2位置），進(jìn)行

16、第二次投料至灌滿樁管。 振動(dòng)反插23次至料全部投出。反插深度不超過1/2樁長。.在孔口進(jìn)行第三次補(bǔ)料，振動(dòng)反插24次至全部設(shè)計(jì)用料投出。. 總反插次數(shù)不少于12次.碎石灌入量每延米不小于0.224m34）&127;施工工效據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，&127;一般情況下，一臺(tái)樁機(jī)完成一根樁需2025min， 一個(gè)臺(tái)班每臺(tái)樁機(jī)正常情況下能完成2030根樁。四.效果檢驗(yàn)方法連徐路液化地基處理效果檢驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入(SPT)法和瑞利波(SASW) 法兩種檢測方法。1.標(biāo)準(zhǔn)貫入法標(biāo)準(zhǔn)貫入法試驗(yàn)(SPT)是用質(zhì)量為63.5kg的穿心錘，以76cm落距，將 一定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入土中15cm，再打30cm，后30cm的錘

17、擊數(shù)即 為標(biāo)準(zhǔn)貫入的指標(biāo)N。筆者認(rèn)為液化地基加固效果具體體現(xiàn)在密實(shí)度提高的程度上。但在實(shí) 際檢驗(yàn)時(shí)，由于取樣時(shí)會(huì)造成土體擾動(dòng)，所以準(zhǔn)確測定現(xiàn)場土體加固后的 密實(shí)度是非常困難的。實(shí)踐中我們可以依據(jù)土體標(biāo)貫值N與密實(shí)度Dr之 間的相互關(guān)系，通過測定標(biāo)貫值來觀察加固情況，N與Dr的相互關(guān)系參 見美國Gibbs主Holtz(1957)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料提供的關(guān)系曲線(參見圖5)。另外，我們也可以通過界定液化標(biāo)貫值來評(píng)價(jià)加固效果是否達(dá)到防止 地基液化的要求，從表一中可知，7度地震區(qū)標(biāo)貫限值為N=8。這也是連 徐路標(biāo)貫檢驗(yàn)的要求值。標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)限值(擊/30cm)表一近遠(yuǎn)震烈度7 8 9近震6 10 16

18、遠(yuǎn)震8 12連徐路設(shè)計(jì)要求N63.5N8擊，檢查頻率為3點(diǎn)/5000m2，且不少于3 點(diǎn)。2.瑞利波法(SASW)瑞利波法是通過錘擊作為振動(dòng)源，然后在距錘擊處一定距離設(shè)置檢波 器。記錄所在位置的波形，再通過頻譜分析和濾波技術(shù)等分離出不同波長 的振動(dòng)到所在位置的時(shí)間差，求得不同波長的瑞利波波速。而不同波長的 瑞利波波速反映不同深度范圍內(nèi)的土層性質(zhì)，由此可推出不同深度土層的 瑞利波波速和剪切波波速。連徐路采用ES-R25（美國EG&G公司生產(chǎn)）&127;工程地震儀，圖6為 振動(dòng)源和濾波器布置圖。根據(jù)國家地震局工程力學(xué)所推薦的標(biāo)準(zhǔn)，土層波速VsNVcri為不液 化，VcWVcri時(shí)為液化。其中：1V

19、cri=Kv1+0.125（ds-0.05（dw-2） J 3/pc1/5 4 J ds式中：Kv-系數(shù)，7度地震區(qū)為145，8度區(qū)為160，9度區(qū)為175;ds-測點(diǎn)深度；dw-地下水深度；pc-砂土粘料含量；經(jīng)過計(jì)算，連徐路設(shè)計(jì)要求Vcri為200m/s，&127;要求VsN200m/s， 其檢查頻率為1點(diǎn)/40m。測點(diǎn)在中心線兩側(cè)15m處交叉布置。五.結(jié)論連徐路液化地基處理前標(biāo)貫值N只有25擊，處理后的地基N普遍 高于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。說明液化地基采用強(qiáng)夯和碎石樁處理是經(jīng)濟(jì)可行的。表二為K225+180K225+395強(qiáng)夯段（夯擊能為2000KN.m）東南大學(xué)用SASW法測試的結(jié)果。該段平均

20、加固深度為7.08m，平均剪切波速均大于200m/s, &127;達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過施工，我們的體會(huì)是強(qiáng)夯法比碎石 樁相比較更為經(jīng)濟(jì)，而且施工速度快，加固效果優(yōu)于碎石樁。K225+180K225+395強(qiáng)夯段瑞利波法檢驗(yàn)結(jié)果表二深度VS點(diǎn)號(hào)0-1m TOC o 1-5 h z 2m3m4m5m6m7m8m平均剪切波速強(qiáng)夯影響深度E5001327.9211.5196.72320242.2002427.2E5002312.4277.9250.4331.2273.4293.1306.6475.33757.3E5003330.8270.4290.1249.4218.5218302.3012687.6

21、E5004289.7236.7259.7212.8 227 234 2396.8E5005301.4325.5248.5293.4246.3259.2288.82082716.9E5006390.2242.6260.6232.8 282359.5 3016.4E5007353.8418.8 216330.8243.7248.2 288 7.0E5008371.9 295265.8364.1 0 0 3127.1E5009322.6256.6 212.5 0264.5 2736.8E5010 389212.8200.4251.9378.9420.3375.1245.53087.2E5011323.2312.7268.1252248.2270.7209.73