振冲法在液化砂土地基处理中的应用

乜树强;高洪斌

【摘 要】饱和松砂地基在瞬时振动作用力下易发生液化,从而导致工程主体的破坏.就砂土液化机理和振冲加固机理进行阐述,并结合埃及塞德港二期集装箱码头结构后方地基处理试验区实践,对振冲处理饱和砂土地基液化风险的效果进行分析评价,为工程设计和施工提供参考依据. 【期刊名称】《水运工程》 【年(卷),期】2010(000)011 【总页数】4页(P129-132)

【关键词】砂土液化机理;饱和砂土;振冲法加固;液化判别方法 【作 者】乜树强;高洪斌

【作者单位】中国港湾工程有限责任公司,北京,100027;中国港湾工程有限责任公司,北京,100027 【正文语种】中 文 【中图分类】U655.54

砂土液化问题一般是相对地震效应而言的。当松砂受到瞬时振动时会变密，如果是饱和砂土，变密过程中必须从孔隙中排出一定水分。如果砂粒很细，渗透性就会降低，从孔隙中排出的水就不能及时排出砂体之外，导致砂体孔隙水压力上升，同时砂粒间有效应力降低。当两者之间达到平衡时，砂颗粒间摩擦力急剧降低，砂粒就完全悬浮于水中，成为黏滞流体，抗剪强度与抗剪刚度几乎为零，土体处于流动状

态，即为砂土液化现象。

振冲器凭借高频振动以及高压水流的冲切作用，使周围土体得到初步的挤密，并产生较高的超孔隙水压力。振冲器沉至孔底并经过孔底留振、振动上拔和分段留振等过程使得饱和粉细砂在动剪应力作用下孔隙体积减小，根据上述砂土液化机理而预先形成液化。随着时间的增长，超孔隙水压力消散，土体结构逐渐恢复并得到强化，土颗粒排列结构发生改变并趋于更密实的状态，重新均匀分布的地基土承载力及抗液化能力得到提高。 2.1 工程概况

拟建工程埃及塞德港二期集装箱码头，位于苏伊士运河入地中海口的东侧，是中国港湾承建的海外EPC项目之一，业主为马士基航运公司，业主工程师为英国Royal Haskoning咨询公司。码头全长1 200 m，分4个泊位，包括码头前沿疏浚、码头主体结构和附属设施、码头后方54 600 m2范围地基处理，按合同规定工程将于2011年7月全部建成移交，目前地基处理已完成30 550 m2。 2.2 工程地质条件

该区在苏伊士运河开凿前名为EL-Tinah平原，主要受Mazalallah湖和尼罗河三角洲的地质作用。勘察揭示土层主要为晚第三纪地中海海侵活动沉积的砂性土和黏性土层，其上为风成沙土经地中海运动形成的沉积物。经钻孔揭露（图1），场区内地层自上而下分别为：①吹填土，②粉细砂与淤泥质黏土互层，③粉细砂，④黏土，⑤中细砂，⑥极密实砂。

拟建场区地震基本烈度为7度，地下水稳定水位在+0.5 mCD，场地土类型为软弱场地土，建筑场地类别为Ⅲ类，属对建筑抗震不利地段，场区地表以下20 m以内饱和砂土层①回填土、②③粉细砂中存在可液化点，根据规范判定，在7度抗震设防烈度下为可液化土层。补充钻探资料与前期原有地质资料相结合绘制的各土层随深度变化的SPT值分布如图2所示。

2.3 设计标准和设计要求

合同规定地质评估和地基处理设计需采用英标、欧标、埃及国家地质和抗震标准[5]。地震加速度采用0.12 g，地基处理最低容许承载力为75 kPa，加州承载比CBR在地表以下1 m和表层分别要达到15%和30%以上，载荷板试验PLT需达到75 kPa，液化分析采用SPTN1-60＞30或Youd&Idriss（2001）计算方法并考虑液化安全系数FOS采用2.0。 2.4 试验方案

工程选取典型区域作为试验区，面积为15 m×35 m，考虑到顶部第一层与第二层是吹填土和黏土，第三层土为砂土，故现场先将顶部两层土挖除并降水至第三层顶部-2 mCD左右，然后一次性回填砂至+2.5 m。

振冲采用等边三角形布置，间距1.5 m，即每点控制面积约为1.5 m×1.5 m×1.732 m=1.945 m2，见图3，共布置270根。试验用振冲器各项规格参数见表1。

根据加固前静力触探试验结果分析，液化风险土层集中在-9～-2 m深度，故试验振冲深度为地表下11.5 m。振冲过程每分钟抬高1～2 m，每0.5 m留振30 s，确保密实电流大于空转电流25～30 A，振冲水压为0.6 MPa。 2.5 试验检测与分析

在振冲处理之前通过三桥静力触探（CPTU）试验测得该场区地基土的端阻、侧阻及孔隙水压。在振冲结束7d后，在相邻探孔旁边进行了另一组CPTU试验，两者比贯入阻力值qc对比见图4。试验用CPTU检测设备如图5所示。

由图4对比曲线可以看出，地表下4 m范围内第①，②层土强度较低且容易液化的土层，换填振冲前比贯入阻力平均值为0.5 MPa，换填振冲后平均值达到了12.5 MPa，提高了24倍。对于地表下4～10 m第③层原状砂土而言，振冲挤密前比贯入阻力平均值为10 MPa，振冲挤密后平均值达到了20 MPa，提高了1倍。

而在地表下10～12 m即第③层粉细砂土与第④层黏土交界处，由于高频振冲扰动作用，短期内无法固结并提高强度，故而改善效果不明显。

根据Youd Idriss（2001）液化分析方法，利用CPTU的比贯入阻力qc值与摩阻力fs值计算出的安全系数FOS来判别液化风险，据此得出处理前砂土层局部FOS小于2.0，且厚度大于1 m，有液化风险，而处理后液化土层FOS均大于2.0，满足设计要求，即通过振冲处理已消除了砂土地基液化风险。

1）针对实际的场地条件，选用合理的设计和试验方法，判断出液化土层的埋深、厚度及液化风险程度，并据此选定具体的振冲试验操作方法，如振冲深度、间距以及留振时间。

2）振冲后表层1 m左右土体强度较低，经过振动碾压后强度得到提升，且压实度、PLT及CBR等试验达到设计要求。考虑到振冲后孔隙水压力的消散和土体结构的恢复及进一步强化，建议在振冲时做好及时排水并至少在振冲完成7 d后开展相关检测试验。

3）本工程的振冲工艺与换填分层碾压工艺相比，同样达到了密实土体并消除液化的效果，但工效上有了较大提高且节约了成本，在阶段移交工期较紧张的情况下适合采用。

4）国内外的标准贯入试验存在设备及标准的使用习惯差别，因此在判别砂土液化风险方面，静力触探试验较标准贯入试验能更合理且快速地反应出土的各项强度指标和孔隙水压，进而得出砂土液化风险的各项指标，此检测在国外采用较多，且数据由电脑检测直接获得，可靠性高，易被咨询工程师接受，值得国内地基处理检测单位推广使用。

【相关文献】

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NCEER/NSFwokshopsonevaluationofliquefaction resistance of soils[J].Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering,ASCE,2001,127(8):817-833. [2] 赵旭荣.砂土液化机理及其判别方法研究[J].水利科技与经济，2008,14（9）:693-695. [3] 叶观宝,苌红涛.无填料振冲法在液化粉细砂中的应用研究[J].岩土工程学报,2009,31（6）:917-921.

[4] 薛敬岩.碎石桩处理液化砂土地基试验研究[J].四川建筑，2007,27（2）:110-111. [5] GB 50011—2001建筑抗震设计规范[S].