8.3　液化地基处理技术

地基土经过处理后主要应达到两个目的:①消除地基地震液化，②经处理的地基的承载力和变形等与未经处理的不要差异很大，否则容易造成不均匀沉陷，使线状输水建筑物产生开裂、错台等问题，从而影响其正常运行。

目前消除液化可能性或限制其液化程度的主要措施有增加盖重、换土、增加可液化土层的密实程度和加速孔隙水压力消散等，主要处理方法有填土法、换土法、爆炸振密法、强夯法、碾压法、振冲回填碎石法、排渗法及围封法等。

8.3.1　挤密砂石桩液化土地基加固

8.3.1.1　挤密砂石桩液化土地基加固作用

挤密砂石桩复合地基是由砂石桩、桩间土、桩顶与基础之间垫层组成。挤密砂石桩对液化土地基的加固主要表现为以下几个方面:

(1)挤密作用。砂石桩对周围土体是强制性的挤密使得砂土的相对密实度显著增加，孔隙率降低，干密度和内摩擦角增大，土的物理力学性能改善，使地基承载力和抗液化能力大幅度提高。

(2)振密作用。在成桩过程中，击振器产生的振动通过导管传给土层使得其附近饱和土地基产生的孔隙水压力，导致部分土体液化，土颗粒重新排列趋向密实，从而起到振密作用。

(3)排水减压作用。砂石桩加固砂土时，桩孔内充填碎石，在地基中形成渗透性良好的人工竖向排水减压通道，有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土液化，并加速地基排水固结。

(4)预震作用成桩过程中，对砂土有预先振动而不产生液化的作用，结构中的不稳定的颗粒滑落形成较为稳定的结构，使砂土抗液化能力提高。

8.3.1.2　挤密砂石桩地基处理设计

地基挤密要求达到的密实度从满足建筑结构地基的承载力、变形和防止液化的需要确定。采用振动沉管法施工时对地基有振密和挤密双重作用，适宜于消除粉细砂及粉土地基液化，施工后地面平均下沉量可达100～300mm。挤密碎石桩的设计内容包括桩位布置、桩距、处理范围、灌碎石量及处理地基的承载力、稳定或变形验算。

砂石桩复合地基的承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定。初步设计时，可按下式计算:

8.3.1.3　挤密砂石桩抗液化桩间距的确定方法

目前，砂石桩间距的确定多以经验为主，一般控制在3.0～4.5倍桩径。《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)(以下简称为地基处理规范)假定地层均匀挤密，根据挤密前后土的固体颗粒体积不变，并考虑振动下沉密实作用的修正系数，提出了一个桩间距的理论估算公式;《地基处理手册(第二版)》的考虑振密和挤密效应的计算方法:张吉占通过对多组粉细砂土的emax和emin的实测值的相关分析归一化，并假定加固后地面平均下沉量与砂石桩桩长之比h/H=0.03，得到了砂石桩间距经验公式，该公式同样考虑了由于振密作用而引起的地面下沉;黎运棻根据土体平衡条件提出了考虑地面沉降和砂土流失的振冲桩间距的计算公式，砂土流失比α=0时，该式也可用于计算振动挤密砂石桩间距。此外，确定桩间距还有郑建国、周翠英微观结构的砂石桩软基加固影响半径分析法等。

现有的以抗液化要求确定桩间距方法有以下两种。

(1)只考虑砂石桩加密作用的桩间距确定。

假设砂石桩施工后地表无隆起或下沉，周围土体也没有进入桩体，则有:

对于正三角布桩，桩间距为:

正方形布置，桩间距为:

ξ——修正系数，当考虑震动下沉密实作用时，可取1.1～1.2;不考虑振动下沉密实作用时，可取1.0;

e0——地基处理前砂土的孔隙比，可按原状土样试验确定，也可以根据动力或静力触探等对比试验确定;

e1——地基挤密后要求达到的孔隙比。

从式(8-12)～式(8-14)可以看出，桩间距的确定需要知道e0、e1这两个参数，e0可由室内实验测得，现行规范通过标准贯入试验锤击数来判断土层是否达到液化。设计时可以假设加固处理后桩间土要求达到的孔隙比(e1)就是土层达到液化临界标贯击数(Ncr)的孔隙比。由标贯击数和相对密度关系的经验公式，可以得到临界相对密度，进而可以由下式确定临界孔隙比:

emax和emin可以通过土工试验得到，如无可靠的试验数据时，也可以根据砂土中小于0.074mm的细颗粒含量Fc由经验式得到，即:

实际工程中直接按式(8-15)和式(8-16)仍较难确定e0、e1。我国规范判断地基液化与否及液化严重程度是根据地基临界标准贯入击数Ncr，而不是根据土体孔隙比。因此为便于与规范液化判别方法统一，需借助相对密实度Dr与标准贯入击数N的关系，通过标准贯入击数N进行换算来得到e0、e1值。本书采用国内应用较多的由铁道第一勘察设计院提出的Dr与我国标准贯入试验设备实测的标准贯入击数N的关系式:

砂土中细颗粒含量Fc的大小对砂石桩的挤密效应有显著影响。用加固效果下降率β定量描述细颗粒对处理效果的影响，即:

由式(8-18)可得:

砂土中粒径小于0.074mm的细粒含量Fc与加固效果下降率β的相关关系为:

将式(8-16)和式(8-17)代入式(8-15)可得处理前后土的孔隙比e0、e1。

(2)考虑砂石桩多种作用确定桩间距的当量标贯击数法。

近年来一些学者注意到砂石桩抗液化的多种作用，提出考虑多种抗液化作用的设计方法。根据砂石桩复合地基抗地震液化的作用，以及目前判别砂石桩复合地基液化势的若干研究，何广讷(2001)基于当量标贯击数法，将砂石桩复合地基抗液化的主要功效近似定量化，并考虑一定的安全储备。在所建的功效当量标贯判别法的基础上，进一步形成以抗地层液化为目的的砂石桩复合地基的设计。

考虑到砂石桩复合地基的多种抗液化作用，复合地基液化判别的标准贯入击数临界值(Ncr)F可以表示为:

何广讷(2001)对ηu进行近似定量化为:

复合地基中桩体共同承担地震力，碎石桩和桩间土上的应力按照刚度分配时，桩体应力集中效应的减震系数ητ可由由式(8-23)计算

由此，碎石桩复合地基所需满足的液化判别标准贯入锤击数临界值(Ncr)F为:

设计时结合原场地上的密实度、标准贯入击数，通过土的密实度与其标准贯入击数之间的经验关系式，可以获得该判别处土的抗液化临界孔隙比。假设加固处理后桩间土要求达到的孔隙比(e1)F就是土层达到液化临界标贯击数(Ncr)F所对应的孔隙比。在综合考虑碎石桩复合地基多种抗液化作用时，桩间距的计算公式为:

正三角形布桩时:

正方形布置:

这种以消除地震液化为主要目的砂石桩复合地基的设计法，充分考虑了砂石桩复合地基抗液化的多种作用，定量化并给予适当的安全储备。获得了有关的各功效系数，可以更切合实际，突出抗地震液化的作用，使设计既保证安全，又更为经济。但其理论上的合理性和实用中的可靠性还没有得到充分的论证和检验。

8.3.1.4　挤密砂石桩处理后的地基评价

砂石桩与桩间土组成复合地基，其受力和变形以及在土的作用等与钢筋混凝土桩等截然不同。为了检查地基处理效果，并获得处理后地基的承载力及变形指标等，在地基处理结束后，可采用载荷试验方法，并可结合标准贯入、动力触探、静力触探及取土样进行室内试验等快速的方法对处理后的地基进行综合评价。

8.3.2　CFG桩液化土地基加固

解决液化问题的最好的途径是在液化土层内设置比液化土更快的排水条件，如碎石桩。

水泥粉煤灰碎石桩(Cement-flyash-gravel，CFG)加固软弱地基，桩和桩间土一起通过褥垫层形成CFG桩复合地基，所起的作用具有桩体作用、挤密作用及褥垫层作用，其受力特性介于碎石桩与钢筋混凝土桩之间，类似于水泥搅拌桩。由CFG桩身具有一定刚度，不属于散体材料，桩体承载力取决于桩侧摩阻力、桩端端承力及桩体材料强度，但桩体强度与刚度比一般混凝土小，有利于充分发挥桩体材料的潜力，降低地基处理费用。

桩体作用:CFG桩不同于一般的碎石桩，它是具有一定的黏结强度的混合材料，在荷载作用下桩身的压缩性明显比周围软土小，因此，基础传给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上，出现应力集中现象，从而起到桩体作用。

挤密与置换作用:由于CFG桩施工时是用振动沉管法施工，其振动和挤压作用使桩间土原始应力结构得到破坏，土颗粒间孔隙比、含水量及压缩系数有所减小，天然密度、压缩模量均有所增加，桩间土得到挤密，使原来工程性能较差的土逐渐向工程性能较好的方向转变，同时也起到置换作用，在一些不可挤密的土层施工时，起到的置换作用比较明显。

褥垫层作用:由散体材料组成的褥垫层，在复合地基中可以保证桩、土共同承担荷载，为复合地基在受荷后提供了桩上、下刺入条件，以保证桩间土始终参与工作;同时可以减少基础底面的应力集中，桩对基础产生的应力随褥垫层厚度的加大而降低，有验证资料表明，当褥垫层厚度为30cm时，桩顶应力与桩间应力比只有1.23，当褥垫层厚度为10cm时，桩顶应力与桩间应力比为7.85，因此CFG桩的褥垫层在荷载作用下可以调整桩土荷载(包括水平荷载)分担比。

(1)设计思想。当CFG桩桩体标号较高时，具有刚性桩的性状，但在承担水平荷载方面与传统桩基有明显的区别。桩在桩基中可承受垂直荷载也可承受水平荷载，且传递水平荷载的能力远远小于传递垂直荷载的能力。而CFG桩复合地基通过褥垫层把桩和承台(基础)断开，改变了过分依赖桩承担垂直荷载和水平荷载的传统设计思想。由于CFG桩复合地基置换率一般不大于10%，则有不小于90%的基底面积的桩间土承担了绝大部分水平荷载，而桩承担的水平荷载则占很小一部分。根据试验结果，桩与土的剪应力比随褥垫层厚度增大而减少，设计时可通过改变褥垫层厚度调整桩与土的水平荷载分担比。按这一设计思想，复合地基承载能力比按传统桩基设计思想有相当大的增值。

(2)复合地基承载力设计计算。地基处理后的复合地基承载力特征值按下式估算:

单桩竖向承载力特征值Ra的取值，应符合式(8-28)规定。

1)当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2。

2)当无单桩荷载试验资料时，可按下式估算:

碎石挤密桩现场施工图如图8-1所示。

(3)褥垫层设计。褥垫层在CFG桩复合地基设计中非常重要。褥垫层是由级配砂石、碎石或中砂等散体材料组成。其如下作用:

1)保证桩土共同承担荷载，它是水泥粉煤灰碎石桩形成复合地基的重要条件。

2)可减少基础底面的应力集中。

3)通过改变褥垫层厚度，调整桩垂直荷载的分担，通常褥垫越薄桩承担的荷载占总荷载的百分比越高。

4)调整桩、土水平荷载的分担，褥垫层越厚，土分担的水平荷载占总荷载的百分比越大，桩分担的水平荷载占总荷载的百分比越小。对抗震设防区，不宜采用厚度过薄的褥垫层设计。

褥垫层厚度按下式控制:

垫层宽度比基础宽度要大，其宽出部分不宜小于褥垫层的厚度。

5)褥垫层的设置，可使桩间土承载力充分发挥，作用在桩间土表面的荷载在桩侧的土单元产生竖向和水平向附加应力，水平向附加应力作用在桩表面具有增大侧阻的作用，在桩端产生的竖向附加应力对提高单桩承载力是有益的。

8.3.3　沉降计算

复合地基的沉降量分为两部分，复合地基加固区沉降量是S1，复合地基加固区下卧层土层压缩量S2，复合地基总沉降量为两部分之和。

8.3.3.1　分层总和法

当荷载不超过复合地基承载力时可按下式计算复合地基沉降:

8.3.3.2　复合模量法

复合模量法基本思想是假定加固区的复合土体为与天然地基分层相同的若干层均质地基，不同的是压缩模量都相应扩大ξ倍。这样加固区和下卧层均按分层总和法进行沉降计算。

当荷载p0不大于复合地基承载力时总沉降量为:

各部分沉降量均采用分层总和法进行计算。土质地基压缩层计算深度可按计算层面处的附加应力与自重应力的比值0.1～0.2(软土地基取小者，坚实地基取大者)的条件确定，本书取0.15。

8.3.3.3　关于分层总和法和复合模量法

分层总和法是经典的沉降计算理论，采用各向同性均质线性变形体理论。复合模量法只是考虑到CFG桩的改良作用，用加固土层的桩土复合变形模量来代替天然地基变形模量，即采用模量提高系数法，这种方法不仅理论基础充分，而且可以计算出加固区各土层的分层沉降以及中心和边缘处沉降，且不存在通过假设来推求下卧层顶面应力的难题。但加固区的附加应力仍取天然地基中的值，这点与事实有点不符。众所周知，地基中的附加应力是将地基视为空间无限弹性体和均质体而得出的，CFG桩复合地基符合半空间无限体，近似弹性体，但不符合均质体条件，故CFG桩复合地基中的附加应力已不同于天然均质地基，但由此引起的误差相对来说较有限，计算结果较稳定，不存在人为的认识差异。