高速公路液化土

1、高速公路液化地基处理【内容摘要】液化是一种特殊的工程地质现象，本文简要介绍了徐州地区 液化地基的形成原因，液化的影响因素与工程特性，以及强夯、碎石桩施 工的工艺特点。同时总结了连徐高速公路液化地基处理的经济可行的措 施。刖言连徐高速公路是国家重点工程连云港至霍尔果斯欧亚大陆桥的东桥头堡。 该路西段（徐州段）跨越黄淮冲积平原东南部，路线有近一半处于液化土 不良地质地段。由我公司承接的标段为该路段的试验段。通过试验段施工 中的反复试验，为液化地基处理提供了成功的经验。本文将从液化土的形 成条件、工程特性和处理措施等几方面简要介绍该路段液化地基处理施工 的情况。液化土形成的原因分析土的液化机理松散的

2、砂土和粉土，在地下水的作用之下达到饱和状态。如果在这种情况 下土体受到震动，会有变得更紧密的趋势，这种趋于紧密的作用使孔隙水 压力骤然上升，而在这短暂的震动过程中，骤然上升的孔隙水压力来不及 消散，这就使原来由土颗粒间接触点传递的压力（有效压力）减小，当有 效压力完全消失时，土层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一 样，这就是土的液化现象。由此可见，发生液化现象，土质多是松散的砂土和粉土，而且受到震动和 水的作用。液化的条件地质条件黄淮冲积平原为历史上黄河泛滥泥沙沉积形成。从两千多年前的周定王五 年(公元前602年)&127;，黄河第一次大改道南徒，到入宋以后，夏秋霖潦， &127;黄河

3、多次泛滥成灾。&127;而后，1077年的澶州曹村大决口和1855 年的兰考城北黄河大决口，&127;使徐州平地积沙810米，这几层土都 处于松散状态，&127;标准贯入度试验N值只有35击/0.3米，形成了沿 线液化土层的基本条件。地下水的作用砂土和粉土只有在饱和状态才会产生液化，而松散的砂土和粉土，在地下 水位以下时才能达到饱和状态。因此，地下水的作用和地下水位的高低是 影响液化的重要条件。在7度地震区域，地下水位高于6m,地震时容易发生液化。徐州地区地 下水丰富，地下水埋深只有0.51.5m，这就具备了液化形成的必不可少 的条件。外力的作用饱和的砂土和粉土在外力如地震的作用下，抗剪强度很

4、快丧失。砂土的抗 剪强度T可用下式表示：T =(Q U)tg0式中。为剪切面上外力作用下的法向应力，&127;U为剪切面上孔隙水压 力，为土的内摩擦角。地震时，土体受到强烈的震动，孔隙水压力U急剧增高，当U与总法向力O相等时，土体抗剪强度T =0,地基失去承载力。地震烈度愈高的地区，地面震动愈强烈，土层就愈容易液化。一般在6度 以下的地区，液化现象很少发生，但在7度以上的地区，当地面加速度超 过0.13g时才发生液化。当地面加速度为0.16g时，液化就相当普遍了。 连徐路西段为7度地震设防区域，具备了地基液化的外在条件。地基液化的影响因素及液化的判别地基土体液化在具备上述基本条件的情况下，还与

5、地质年代、土颗粒粒径、 土的密实度等因素有关，土是否液化还需要根据多项指标来综合分析判 断。当符合下列因素之一时可不考虑液化影响。地质年代年代久远的沉积土，经过长时期的固结作用和地震的影响，土的密实程度 增大，从而形成胶结紧密的结构。地质年代愈久，土层的固结度、密实度 和结构性也就愈好，液化的可能性就愈小。调查表明，地质年代在第四纪 晚更新世(Q3)以前的饱和土不会发生液化。也就是说，该路段只有Q4地 质年代的土层才具有可液化性。土颗粒径和粘粒含量土颗粒愈细愈容易液化，当土的平均粒径在0.1mm时，抗液化的能力最差。 土层中粘粒(粒径小于0.005mm的颗粒)&127;增加，土的粘聚力增大，从

6、 而抵抗液化的能力增强。当粘粒含量超过10%时，7度地震不会引起土体 液化。土的粘性可用塑性指数Ip来定量分析，当土的塑指IpW10时，土 体可液化性大，&127;该路段表层3050cm以下至810间的土层，塑指 Ip 一般在9.510之间，证明其具有可液化性。上覆层厚度与土层的埋深有资料表明，土质的液化深度很少超过15m的，更多的小于10m。上覆 层土层具有抑制可液化土层的喷砂冒水的作用，在7度地震区域，当覆盖 层厚度超过7m时，可不考虑液化。连徐路西段上覆土层厚只有约0.5 1.0m, &127;上覆土层对液化翻浆的抑制作用很小。(4) 土的密实度有关资料分析表明，&127;相对密实度小于

7、50%的砂土地震时普遍发生液 化，而相对密实度大于70%的土层不大可能发生液化。液化的进一步判 别，采用标准贯入试验进行。详细情况在本文“效果检验”中介绍。4、液化土的工程特性(1)液化等级的划分液化等级的划分由液化指数确定。液化指数即综合反应各种因素的影响和 液化的危害程度，也是液化等级划分的主要参数。液化指数按下式计算： n Ni I=E (1-)diWii=1 Ncri式中：I- -液化指数n- -15m范围内饱和土层中标准贯入(标贯)点总数Ni, Ncri-分别为i点标贯锤击数实测值和临界值dii点所代表的土层厚度Wi i 土层考虑单位土层厚度的层位影响权函数值(单位为m),Wi=15

8、-Dsi, Dsi为该层土中点的深度，Dsi取N5m。当0WIW5时为轻微液化；当5WIW15时为中等液化；当I 15m时为严 重液化。液化土的分布可液化土在全线呈间断分布。液化土层以Q4II及软塑亚砂土及粉细砂，Ip 10的亚粘土为主。液化层厚度在1.58.0m之间，埋深08m，以严重 液化为多。液化土的直观特性可液化土都具有较好的保水性能，&127;含水量接近50%时，泌水也非常 缓慢。刚挖出来的土，外表看起来没多少水份，轻轻的拍一拍，土的表面 就会上来水分，土体就会颤悠。在地基处理过程中，机械震动引起液化之 后，表面的硬土层就像是漂在水面一样，踩上去跳动可以引起几米内的漂 动。液化土和表

9、面的硬土层就如鸡蛋的蛋清和蛋壳，表层一旦破坏，翻砂 冒浆随即发生，下面的液化土就像蛋清一样往外冒三.液化地基处理措施液化地基处理的基本原则就是提高土层密实度和改善排除孔隙水的条件， 增大其透水性。从而提高其抗液化的能力。液化地基的处理方法连徐高速液化段地基处理主要采用强夯和碎石桩的方法。液化地基的处理范围考虑到高速公路与工民建相比有涉及范围大、发生震害产生的损失小和修 复相对容易等特点，从经济上考虑，连徐路砂土液化路段没做全部处理。 对中等以上的液化地基，大型桥梁采用碎石桩加固；对严重的液化地基， 构造物基础原则上以碎石桩处理，若处理段与强夯处理相连时，采用强夯 全幅处理；对于高路堤，强夯至坡

10、脚外3m；路堤中心线两侧各10m范围 内不进行主夯和副夯，只进行满夯；对于存在软弱薄层的中等以上可液化 段，进行全幅处理。实际发生震害时，两侧坡脚处往往容易发生喷砂冒水而导致路基边坡以外 地基和路堤共同沉陷和滑移破坏，所以坡脚至边沟外缘部分需全部进行加 固。对于一般路基，根据液化产生的规律，中心线两侧各10m的范围内不 做处理。施工工艺.强夯施工1）强夯的作用机理强夯法通过重锤自由落下，在极短的时间内对土体施加一个巨大的冲击能 量，这种冲击能乂转化成各种波型 &127;（包括压缩波，剪切波和瑞利 波）&127;，使土体强制压缩、振密、排水固结和预压变形，从而使土颗粒 趋于更加稳固的状态，以达到

11、地基加固的目的。2）强夯施工工艺强夯机械的选用本路段强夯主要有两种类型的机械（见图2）, 一种是起重能力50t的履带 吊配1820t的铸铁夯锤；&127;另一种是2025t起重能力的吊机配16 20t的夯锤，&127;这种夯机吊臂顶上须配辅助门架。因此，每个夯点须移 一次吊机，而且移动速度慢，效率较低。相比较使用大吨位吊移动方便， 移一次机可打34个夯点，效率要比带辅助门架的夯机高出近1倍。施工步骤强夯处理，进行主、副夯和满夯3遍夯击。施工要点如下：10间的土层，塑指Ip 一案?A.5清理场地，设置垫层连徐地区表面固结较好的土层只有0.5m左右，原设计没有设置垫层，机 械震动很容易引起表面破坏

12、和地基液化冒浆，承载力下降，机械下陷行进 困难，同时夯坑过深起锤困难。根据试验段总结的经验，设计增加了强夯 碎石垫层。垫层的作用主要是：支承强夯机械的行走；形成应力扩散层， 利与夯击能的传播；利于表层水的排除；加大夯坑底与地下水位之间的距 离，避免夯坑翻浆。实践证明，垫层作用明显。垫层在主、副夯时厚度为 1m,满夯时2530cm。夯点布置夯点放样用石灰（或标桩）标明第一遍位置，并测量标高。夯点采用正方形 布置（见图3）。主、副夯1500、2000与3000 KN.m三种夯击能对应的间距 为 4m、4.5m、5m。.夯击就位，进行第一遍夯击（主夯）。夯机就位后，将夯锤按设计夯击能起吊至预定高度，

13、脱钩下落,放下钓钩测 量锤底倾斜度，当倾斜度大于30时，应将夯坑填平后再进行夯击。主夯夯击，每点夯击4锤。并做好详细记录。.移动位置（不带门架的夯机，34点移动一次），进行下一点夯击。 直至完成第一遍夯击。.主夯完成以后，静置72小时，待孔隙水压力消失以后，推平夯坑，准备副夯。.重新测量定位，按上述要点进行副夯施工。副夯每个点同样夯击4锤。夯完以后，间隔72小时，推平夯坑 准备满夯。.进行满夯处理满夯处理范围为包括进行主、副夯的全幅。满夯时，夯点彼此搭 接1/4（锤底面积）。夯后测量标高。.静置7天以后进行效果检测。夯坑若有积水，应排除以后才能推平夯坑。2）碎石桩施工碎石桩是采用桩管振动成孔，

14、填入足够碎石后振动密实而成。本 路段碎石桩桩径采用0.5m，桩长为710m，呈梅花状布置，间距为1.3 1.4m。1）挤密碎石桩的原理挤密碎石桩是依靠振冲器的强力振动使液化土颗粒重新排列，振动密 实，另一方面依靠振冲器的水平振动力，在加碎石填料的情况下，还通过 碎石使土层挤压密实；碎石桩与桩间土体形成复合桩，从而提高地基承载 力。碎石桩也提供了纵向排水通道，利于土层排水固结。2）机具配置施工采用DZ40和DZ60两种走管式振动沉桩机（见图4），振动锤有35t 和45t两种，激振力不小于28t，桩管内径有377mm和426mm两种，管端 设平底活瓣桩头。桩管设二次投料口。桩机起动电流达80安培，

15、&127;每台桩机须配备120KW发电机一台， 当使用1台160KW发电机带2台桩机时，要注意错开起动时间，否则发 电机将会因负荷过大而发生故障。3）施工工艺碎石桩施工工艺要点如下：清理平整施工场地.铺设垫层（碎石）.测量标高，桩位放样.桩机就位、调整垂直度.振动下沉桩管至设计深度，稍上提桩管使桩管端头活瓣桩尖打开，同时破坏桩尖外壁真空以利桩管拔起。. 停止振动，立即从第一投料口首次投料。投料量当桩管为377mm时，为 设计投料的50%，426mm时为64%。.启振，边提升桩管边振动，并进行35次振动反插，至管内碎石全 部投出。提升和反插速度要均匀。.开启第二投料口（在桩管约1/2位置），进行

16、第二次投料至灌满桩管。 振动反插23次至料全部投出。反插深度不超过1/2桩长。.在孔口进行第三次补料，振动反插24次至全部设计用料投出。. 总反插次数不少于12次.碎石灌入量每延米不小于0.224m34）&127;施工工效据现场统计，&127;一般情况下，一台桩机完成一根桩需2025min， 一个台班每台桩机正常情况下能完成2030根桩。四.效果检验方法连徐路液化地基处理效果检验采用标准贯入(SPT)法和瑞利波(SASW) 法两种检测方法。1.标准贯入法标准贯入法试验(SPT)是用质量为63.5kg的穿心锤，以76cm落距，将 一定规格的标准贯入器打入土中15cm，再打30cm，后30cm的锤

17、击数即 为标准贯入的指标N。笔者认为液化地基加固效果具体体现在密实度提高的程度上。但在实 际检验时，由于取样时会造成土体扰动，所以准确测定现场土体加固后的 密实度是非常困难的。实践中我们可以依据土体标贯值N与密实度Dr之 间的相互关系，通过测定标贯值来观察加固情况，N与Dr的相互关系参 见美国Gibbs主Holtz(1957)根据室内试验资料提供的关系曲线(参见图5)。另外，我们也可以通过界定液化标贯值来评价加固效果是否达到防止 地基液化的要求，从表一中可知，7度地震区标贯限值为N=8。这也是连 徐路标贯检验的要求值。标准贯入锤击数限值(击/30cm)表一近远震烈度7 8 9近震6 10 16

18、远震8 12连徐路设计要求N63.5N8击，检查频率为3点/5000m2，且不少于3 点。2.瑞利波法(SASW)瑞利波法是通过锤击作为振动源，然后在距锤击处一定距离设置检波 器。记录所在位置的波形，再通过频谱分析和滤波技术等分离出不同波长 的振动到所在位置的时间差，求得不同波长的瑞利波波速。而不同波长的 瑞利波波速反映不同深度范围内的土层性质，由此可推出不同深度土层的 瑞利波波速和剪切波波速。连徐路采用ES-R25（美国EG&G公司生产）&127;工程地震仪，图6为 振动源和滤波器布置图。根据国家地震局工程力学所推荐的标准，土层波速VsNVcri为不液 化，VcWVcri时为液化。其中：1V

19、cri=Kv1+0.125（ds-0.05（dw-2） J 3/pc1/5 4 J ds式中：Kv-系数，7度地震区为145，8度区为160，9度区为175;ds-测点深度；dw-地下水深度；pc-砂土粘料含量；经过计算，连徐路设计要求Vcri为200m/s，&127;要求VsN200m/s， 其检查频率为1点/40m。测点在中心线两侧15m处交叉布置。五.结论连徐路液化地基处理前标贯值N只有25击，处理后的地基N普遍 高于质量标准要求。说明液化地基采用强夯和碎石桩处理是经济可行的。表二为K225+180K225+395强夯段（夯击能为2000KN.m）东南大学用SASW法测试的结果。该段平均

20、加固深度为7.08m，平均剪切波速均大于200m/s, &127;达到了设计要求。通过施工，我们的体会是强夯法比碎石 桩相比较更为经济，而且施工速度快，加固效果优于碎石桩。K225+180K225+395强夯段瑞利波法检验结果表二深度VS点号0-1m TOC o 1-5 h z 2m3m4m5m6m7m8m平均剪切波速强夯影响深度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