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，以及強夯、碎石樁施 工的工藝特點。同時總結了連徐高速公路液化地基處理的經(jīng)濟可行的措 施。刖言連徐高速公路是國家重點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。由我公司承接的標段為該路段的試驗段。通過試驗段施工 中的反復試驗，為液化地基處理提供了成功的經(jīng)驗。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理松散的

2、砂土和粉土，在地下水的作用之下達到飽和狀態(tài)。如果在這種情況 下土體受到震動，會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傳遞的壓力（有效壓力）減小，當有 效壓力完全消失時，土層會完全喪失抗剪強度和承載能力，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。&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;標準貫入度試驗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)才會產(chǎn)生液化，而松散的砂土和粉土，在地下 水位以下時才能達到飽和狀態(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，抗剪強度很

4、快喪失。砂土的抗 剪強度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力，&127;U為剪切面上孔隙水壓 力，為土的內(nèi)摩擦角。地震時，土體受到強烈的震動，孔隙水壓力U急劇增高，當U與總法向力O相等時，土體抗剪強度T =0,地基失去承載力。地震烈度愈高的地區(qū)，地面震動愈強烈，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?shù)孛婕铀俣瘸?過0.13g時才發(fā)生液化。當?shù)孛婕铀俣葹?.16g時，液化就相當普遍了。 連徐路西段為7度地震設防區(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、 土的密實度等因素有關，土是否液化還需要根據(jù)多項指標來綜合分析判 斷。當符合下列因素之一時可不考慮液化影響。地質(zhì)年代年代久遠的沉積土，經(jīng)過長時期的固結作用和地震的影響，土的密實程度 增大，從而形成膠結緊密的結構。地質(zhì)年代愈久，土層的固結度、密實度 和結構性也就愈好，液化的可能性就愈小。調(diào)查表明，地質(zhì)年代在第四紀 晚更新世(Q3)以前的飽和土不會發(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愈容易液化，當土的平均粒徑在0.1mm時，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。當粘粒含量超過10%時，7度地震不會引起土體 液化。土的粘性可用塑性指數(shù)Ip來定量分析，當土的塑指IpW10時，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，當覆蓋 層厚度超過7m時，可不考慮液化。連徐路西段上覆土層厚只有約0.5 1.0m, &127;上覆土層對液化翻漿的抑制作用很小。(4) 土的密實度有關資料分析表明，&127;相對密實度小于

7、50%的砂土地震時普遍發(fā)生液 化，而相對密實度大于70%的土層不大可能發(fā)生液化。液化的進一步判 別，采用標準貫入試驗進行。詳細情況在本文“效果檢驗”中介紹。4、液化土的工程特性(1)液化等級的劃分液化等級的劃分由液化指數(shù)確定。液化指數(shù)即綜合反應各種因素的影響和 液化的危害程度，也是液化等級劃分的主要參數(shù)。液化指數(shù)按下式計算： n Ni I=E (1-)diWii=1 Ncri式中：I- -液化指數(shù)n- -15m范圍內(nèi)飽和土層中標準貫入(標貫)點總數(shù)Ni, Ncri-分別為i點標貫錘擊數(shù)實測值和臨界值dii點所代表的土層厚度Wi i 土層考慮單位土層厚度的層位影響權函數(shù)值(單位為m),Wi=15

8、-Dsi, Dsi為該層土中點的深度，Dsi取N5m。當0WIW5時為輕微液化；當5WIW15時為中等液化；當I 15m時為嚴 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，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 就會上來水分，土體就會顫悠。在地基處理過程中，機械震動引起液化之 后，表面的硬土層就像是漂在水面一樣，踩上去跳動可以引起幾米內(nèi)的漂 動。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 復相對容易等特點，從經(jīng)濟上考慮，連徐路砂土液化路段沒做全部處理。 對中等以上的液化地基，大型橋梁采用碎石樁加固；對嚴重的液化地基， 構造物基礎原則上以碎石樁處理，若處理段與強夯處理相連時，采用強夯 全幅處理；對于高路堤，強夯至坡

10、腳外3m；路堤中心線兩側各10m范圍 內(nèi)不進行主夯和副夯，只進行滿夯；對于存在軟弱薄層的中等以上可液化 段，進行全幅處理。實際發(fā)生震害時，兩側坡腳處往往容易發(fā)生噴砂冒水而導致路基邊坡以外 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行加 固。對于一般路基，根據(jù)液化產(chǎn)生的規(guī)律，中心線兩側各10m的范圍內(nèi)不 做處理。施工工藝.強夯施工1）強夯的作用機理強夯法通過重錘自由落下，在極短的時間內(nèi)對土體施加一個巨大的沖擊能 量，這種沖擊能乂轉化成各種波型 &127;（包括壓縮波，剪切波和瑞利 波）&127;，使土體強制壓縮、振密、排水固結和預壓變形，從而使土顆粒 趨于更加穩(wěn)固的狀態(tài)，以達到

11、地基加固的目的。2）強夯施工工藝強夯機械的選用本路段強夯主要有兩種類型的機械（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起重能力的吊機配16 20t的夯錘，&127;這種夯機吊臂頂上須配輔助門架。因此，每個夯點須移 一次吊機，而且移動速度慢，效率較低。相比較使用大噸位吊移動方便， 移一次機可打34個夯點，效率要比帶輔助門架的夯機高出近1倍。施工步驟強夯處理，進行主、副夯和滿夯3遍夯擊。施工要點如下：10間的土層，塑指Ip 一案?A.5清理場地，設置墊層連徐地區(qū)表面固結較好的土層只有0.5m左右，原設計沒有設置墊層，機 械震動很容易引起表面破壞

12、和地基液化冒漿，承載力下降，機械下陷行進 困難，同時夯坑過深起錘困難。根據(jù)試驗段總結的經(jīng)驗，設計增加了強夯 碎石墊層。墊層的作用主要是：支承強夯機械的行走；形成應力擴散層， 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。實踐證明，墊層作用明顯。墊層在主、副夯時厚度為 1m,滿夯時2530cm。夯點布置夯點放樣用石灰（或標樁）標明第一遍位置，并測量標高。夯點采用正方形 布置（見圖3）。主、副夯1500、2000與3000 KN.m三種夯擊能對應的間距 為 4m、4.5m、5m。.夯擊就位，進行第一遍夯擊（主夯）。夯機就位后，將夯錘按設計夯擊能起吊至預定高度，

13、脫鉤下落,放下釣鉤測 量錘底傾斜度，當傾斜度大于30時，應將夯坑填平后再進行夯擊。主夯夯擊，每點夯擊4錘。并做好詳細記錄。.移動位置（不帶門架的夯機，34點移動一次），進行下一點夯擊。 直至完成第一遍夯擊。.主夯完成以后，靜置72小時，待孔隙水壓力消失以后，推平夯坑，準備副夯。.重新測量定位，按上述要點進行副夯施工。副夯每個點同樣夯擊4錘。夯完以后，間隔72小時，推平夯坑 準備滿夯。.進行滿夯處理滿夯處理范圍為包括進行主、副夯的全幅。滿夯時，夯點彼此搭 接1/4（錘底面積）。夯后測量標高。.靜置7天以后進行效果檢測。夯坑若有積水，應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成孔，

14、填入足夠碎石后振動密實而成。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力振動使液化土顆粒重新排列，振動密 實，另一方面依靠振沖器的水平振動力，在加碎石填料的情況下，還通過 碎石使土層擠壓密實；碎石樁與樁間土體形成復合樁，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。2）機具配置施工采用DZ40和DZ60兩種走管式振動沉樁機（見圖4），振動錘有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 設平底活瓣樁頭。樁管設二次投料口。樁機起動電流達80安培，

15、&127;每臺樁機須配備120KW發(fā)電機一臺， 當使用1臺160KW發(fā)電機帶2臺樁機時，要注意錯開起動時間，否則發(fā) 電機將會因負荷過大而發(fā)生故障。3）施工工藝碎石樁施工工藝要點如下：清理平整施工場地.鋪設墊層（碎石）.測量標高，樁位放樣.樁機就位、調(diào)整垂直度.振動下沉樁管至設計深度，稍上提樁管使樁管端頭活瓣樁尖打開，同時破壞樁尖外壁真空以利樁管拔起。. 停止振動，立即從第一投料口首次投料。投料量當樁管為377mm時，為 設計投料的50%，426mm時為64%。.啟振，邊提升樁管邊振動，并進行35次振動反插，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），進行

16、第二次投料至灌滿樁管。 振動反插23次至料全部投出。反插深度不超過1/2樁長。.在孔口進行第三次補料，振動反插24次至全部設計用料投出。. 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，&127;一般情況下，一臺樁機完成一根樁需2025min， 一個臺班每臺樁機正常情況下能完成2030根樁。四.效果檢驗方法連徐路液化地基處理效果檢驗采用標準貫入(SPT)法和瑞利波(SASW) 法兩種檢測方法。1.標準貫入法標準貫入法試驗(SPT)是用質(zhì)量為63.5kg的穿心錘，以76cm落距，將 一定規(guī)格的標準貫入器打入土中15cm，再打30cm，后30cm的錘

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

18、遠震8 12連徐路設計要求N63.5N8擊，檢查頻率為3點/5000m2，且不少于3 點。2.瑞利波法(SASW)瑞利波法是通過錘擊作為振動源，然后在距錘擊處一定距離設置檢波 器。記錄所在位置的波形，再通過頻譜分析和濾波技術等分離出不同波長 的振動到所在位置的時間差，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 振動源和濾波器布置圖。根據(jù)國家地震局工程力學所推薦的標準，土層波速VsNVcri為不液 化，VcWVcri時為液化。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-測點深度；dw-地下水深度；pc-砂土粘料含量；經(jīng)過計算，連徐路設計要求Vcri為200m/s，&127;要求VsN200m/s， 其檢查頻率為1點/40m。測點在中心線兩側15m處交叉布置。五.結論連徐路液化地基處理前標貫值N只有25擊，處理后的地基N普遍 高于質(zhì)量標準要求。說明液化地基采用強夯和碎石樁處理是經(jīng)濟可行的。表二為K225+180K225+395強夯段（夯擊能為2000KN.m）東南大學用SASW法測試的結果。該段平均

20、加固深度為7.08m，平均剪切波速均大于200m/s, &127;達到了設計要求。通過施工，我們的體會是強夯法比碎石 樁相比較更為經(jīng)濟，而且施工速度快，加固效果優(yōu)于碎石樁。K225+180K225+395強夯段瑞利波法檢驗結果表二深度VS點號0-1m TOC o 1-5 h z 2m3m4m5m6m7m8m平均剪切波速強夯影響深度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