振冲碎石桩在液化场地路桥过渡段中的应用

冯 志 文

(山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030006)

1 概述

饱和砂土在地震荷载的作用下颗粒空隙变小，从而导致孔隙水压力迅速上升，但是由于地震作用短暂，迅速上升的孔隙水压力无法及时消散，使得砂土的有效应力降低甚至为零，此时砂土的承载力和抗剪强度全部丧失，这就是砂土的液化。我国是一个地震频发的国家，而且多数地区还是高烈度地区，因此在工程建设中必须注重对液化场地的判别，防止因地基土液化引发工程失效。

路桥过渡段是路基工程中的一个重要节点，它是连接桥梁与路基的枢纽，其变形控制要求严格，是设计和施工的重点与难点。保证桥头路基的稳定，对于保障行车舒适性避免桥头跳车、保证司乘人员的生命安全与机动车的性能有着重要的意义。因此，液化场地中路桥过渡段的地基处理是公路路基设计中需要特殊关注的设计方案，合理有效的处治方案才能保证整条公路平稳有效的运营。

2 液化场地的判别与处治

2.1 液化的判别

根据《公路工程抗震规范》的有关规定,当建设场地存在饱和砂土或粉土时，需要进行场地的液化判别，当满足下列条件之一时可以不考虑土体的液化:

1)建设场地的设计基本地震动峰值加速度为0.10g(0.15g)和0.20g(0.30g)，且地质年代为Q3及其以前；

2)粉土中的黏粒含量分别不小于10%,13%,16%，当场地的设计基本地震动峰值加速度为0.10g(0.15g),0.20g(0.30g)和0.40g；

3)上覆非液化土层厚度或地下水埋藏深度符合下列条件之一:

当不满足上述条件时，需进行详判，通常情况下利用标准贯入试验进行判断：当饱和土未经杆长修正的标准贯入锤击数小于液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr时，判断为液化土。

在地下15 m范围内，Ncr的计算公式为：

通过计算所得的Ncr和实测的标准贯入锤击数Ni可以计算出液化指数，然后确定液化等级：

根据所确定的液化等级最终确定所采用的抗液化措施。

2.2 液化的影响因素

影响土体液化的主要因素是土体自身条件，其粒径特征和渗透性是关键的两个因素。根据相关研究表明，饱和土中的细颗粒是相对容易发生液化的，尤其是平均粒径在0.1 mm左右的粉细砂最容易发生液化。砂(粉)土中黏粒含量对液化的影响也十分重要，黏粒含量越多，饱和砂(粉)土越不容易发生液化。土体的渗透性越差，在地震作用下所产生的超静孔隙水压力越不容易消散，砂(粉)土越容易发生液化。

其次场地条件对土体液化的影响非常明显。当液化土体的上部覆盖土层厚度越厚，在自重压力越大，进而土的有效应力越大，抵抗液化的性能也就越强。场地的地震烈度越高，其地震动加速度越大，地震作用也就越强烈，就越容易导致土体的孔隙水压力的上升，进而引发砂(粉)土液化。

2.3 抗液化措施

综合考虑构筑物的重要性和土体的液化等级，可以选择全部消除地基液化或部分消除地基液化。

通常情况下，当液化土层较薄易开挖时，可以选择挖除液化土层后回填非液化土体；或者场地的建设条件允许时，可以在场地表面填筑并夯实非液化土层，增加土体的有效应力，进而消除液化。

对于重要的构筑物，可以采用桩基础来承受上部结构传下来的荷载，桩基础的受力层应选择在非液化的稳定土层，并进入持力层一定深度，在计算桩侧摩阻力时需要进行折减。

对于一般构筑物可以选择地基处理的方式来消除场地土体的液化，常用的处理措施有强夯、砂桩、挤密碎石桩、振冲碎石桩等，其作用机理就是将土体进行密实，增加土颗粒间的接触压力，进而土颗粒间的摩擦阻力得到提高，进而起到土体抗液化的功能。

3 工程实例

3.1 工程地质

1)第四系全新统地层为粉质黏土、粉土、人工填土等。

2)第四系上更新统地层为粉质黏土、粉土。

3.2 液化判定

3.3 抗液化措施的选定

本公路为一级公路，且液化等级为严重，根据《公路工程抗震规范》表4.3.5的要求，需要全部消除场地液化，结合液化土层厚度及建设项目的特殊性，选择地基处理的方式来消除液化。由于本工程建设用地紧邻县城，周围全部是民居，不宜采用强夯进行夯实处理，且土体的含水量较高夯实施工难度较大效果不明显；由于处理的路段是路桥过渡段，该路段对沉降较为敏感，若处理方案仅仅消除土体的液化而不能控制地基土的沉降在本路段也不适用，综合考虑经济、施工条件等因素，本路段设计采用振冲碎石桩来处治地基土的液化。

根究地勘资料分析，场地土的类型为软弱土～中软土，根据JTG B02—2013公路工程抗震规范，工程场地类别综合评定为Ⅲ类，而且地下的稳定水位在0.8 m～1.0 m，地下水位较浅。

根究JTG D30—2015公路路基设计规范的有关要求，本工程路桥过渡段的沉降要求控制在0.1 m以内。

表1 路桥过渡段的起点土工试验数据

表2 路桥过渡段的终点土工试验数据

结合有关规范、设计经验和施工机械设备等因素，振冲碎石桩设计桩径采用0.8 m，振冲器采用75 kW的功率，因此桩间距采用1.5 m，梅花形布桩，布置图详见图1，处理长度为两侧30 m的地基范围。在消除地基液化时，需要对处理范围进行扩大，扩大范围B≥0.5h，且不小于5 m，h为液化土层的厚度，本项目扩大处理宽度为10.0 m，布置图详见图2。

振冲碎石桩为散体材料桩，其面积置换率m为：

处理后的复合地基承载力fspk、复合土层的压缩模量Esp分别为：

fspk=[1+m(n-1)]×fsk,

fspk=[1+0.258×(2.4-1)]×110=150 kPa,

Esp=[1+m(n-1)]×Es,

Esp=[1+0.258×(2.4-1)]×5.65=7.69 MPa。

处理后的地基沉降Sz为：

S=ms×Sc=ms×(Sd+Sc+Ss)。

其中，ms=0.123×γ0.7×(θ×H0.2+θ×H)+Y。

最终计算沉降为9.5 cm，满足规范要求。

4 结语

在振冲碎石桩施工完成后，利用标准贯入试验对路桥过渡段的桩间土进行检测，检测结果为处理后桩间土的标贯锤击数大于液化判别的临界锤击数，表明通过振冲碎石桩的处理，路桥过渡段地基土的液化性已基本消除，且沉降变形满足规范要求，处理效果达到预期要求，因此对于类似工程，本项目具有一定的借鉴意义。