基于液化砂土地基等能量等变形挤密群桩现场试验规律分析

Analysis of Field Test Pattern of Compact Group Piles Based on Liquefied Sandy Soil Foundation with Equal Energy and Equal Deformation

摘要

为解决地震导致地基饱和砂土和粉土液化，造成建筑沉降、倾斜甚至破坏的发生，以海南省海口市江东新区房建项目砂性地基土严重液化为依托，采用等能量等变形挤密桩技术进行桩周土的二次挤密加固，通过加固前后标准贯入度试验击数计算液化指数（I_{\mathrm{L}\mathrm{E}}），再进行单桩竖向抗压静载试验检验承载力。现场试验得出，处理深度内整体地基土由原严重液化程度改善为轻微液化趋近于不液化；前后标贯随深度平均锤击数之差拟合方程为Y=0.307 857X+10.361 7，R²=0.847 92，Pearson系数为0.931 09，前后标贯平均击数在-5 m至-13 m区间内每层提高12~15击，各土层加固均匀；加固后地基达到单桩承载力设计特征值2 250 kN。研究规律可供类似工程提供参考。

Abstract

In order to solve the earthquake caused the foundation saturated sand and silt liquefaction， resulting in building settlement， tilt and even damage， this paper focuses on the severe liquefaction of sandy foundation soil in the construction project in Jiang dong New District， Haikou City， Hainan Province. The technique of equal energy and equal deformation compaction piles is used to densify the soil around the piles for secondary consolidation. The liquefaction index （I_{\mathrm{L}\mathrm{E}}） is calculated by conducting standard penetration tests to measure the difference before and after reinforcement and carrying out single pile vertical static compression tests to determine the bearing capacity. The field tests show that the overall foundation soil within the treatment depth has improved from severe liquefaction to slight liquefaction approaching non-liquefaction. The fitted equation for the average difference of standard penetration tests with depth is Y=0.307 857X+10.361 7， with an R² value of 0.847 92 and a Pearson coefficient of 0.931 09. The average number of hammer blows per layer increases by 12-15 within the range of -5 m to -13 m， indicating uniform reinforcement in each soil layer. The designed characteristic value of bearing capacity for single piles is 2 250 kN after reinforcement. The above research findings can serve as a reference for similar engineering projects.

Graphical abstract

关键词

砂土液化 / 等能量等变形挤密桩 / 标准贯入度试验 / 液化指数 / 单桩竖向抗压试验

Key words

Sandy soil liquefaction / equal energy and equal deformation compact pile / standard penetration test / liquefaction index / single pile vertical compressive test

0 引言

截至2023年我国建筑垃圾存储量超200亿t且年产量逐年增加，但其回收利用率却不足40%。如何循环再利用一直是工程师们所困扰的问题。目前，我国仍处于建筑垃圾回收利用的初级阶段^［1］。其中，多数国内学者以建筑垃圾经多级分类、破碎得到的废弃混凝土细骨料为原材料，研究其与不同材料配比条件下拌制成的再生混凝土力学性能、损伤机理、破坏特征以及强化方法等^［2-4］。国外对再生骨料的研究最早于第二次世界大战后，由于城市被轰炸产生了大量的建筑碎石，当时人们发现，与天然混凝土骨料（natural concrete aggregates，NAC）相比，再生混凝土骨料（recycled concrete aggregates，RAC）吸水率高、抗压强度低、抗冻性相当、干缩率差^［5-7］。直到21世纪才将再生混凝土预制构件运用于实际工程中，再生混凝土所用原材料需将建筑垃圾进行多级筛分处理，才能达到使用目的^［8］。面对过量的建筑垃圾，如何高效且经济将其运用在某一施工工程中，国内外却鲜有提及。

同时，1966年邢台地震、1975年海城地震、1976年唐山地震、2003年巴楚地震、2008年汶川地震、2010年玉树地震、2011年日本东北大木地震、2012年意大利北部艾米利亚地震和2018年印度尼西亚苏拉威西帕卢地震等国内外地震灾害都造成大面积地基液化现象^［9-12］。目前对液化地基处理方法大体可分为深基础法、换填法和加密法，其中加密法可分为挤密桩法、振冲法和强夯法等^［13］。深基础法主要以避免液化土作为持力层，此方法需按要求进行桩基检验，工期相对较长，施工难度及造价较高。换填法以挖出持力层液化土换填为稳定性强度高的非液化土，其主要适用于液化土层深度较浅，厚度较薄的情况。传统振冲碎石桩法需用高压水射流，浪费水资源，产生泥浆污染环境，造价较高，且其对下卧黏性土层加固作用不明显，甚至出现强度降低的情况^［14］。强夯法适用范围有限，其对加固无黏性土效果较好，对饱和的粉土和黏性土无明显加固效果，具有一定局限性^［15］。对于夯扩挤密法，过往学者利用模型试验、数值模拟等手段分析其桩径、桩长及桩间距对孔隙水压、密实程度以及桩周土影响范围，提出合理桩间距为2.5d~3d（d代表的桩径），并证明了夯扩挤密法对消除地基土液化的有效性^［16-20］。但前者对于提出的合理桩间距，缺乏对现场试验数据规律的分析，现场试验是在原状土的基础上展开，更贴合实际工程。本研究以等能量等变形挤密桩技术手段进行现场标准贯入度试验、单桩竖向抗压静载试验及液化指数分析。

1 工程概况

本试验场地位于海南省海口市江东新区江东大道北侧，西二路、西三路与四横路交界处， 施工现场平面如图1所示。拟建建筑包括5栋3层和4层楼及2栋12层楼，设2层整体地下室。拟定各建筑均采用筏板基础，均为2层地下车库，基底埋深预估10.0 m，该场地地震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.30 g，设计地震分组为第2组，是建设海南自由贸易港的重点先行区域。

根据本阶段勘察结果，55 m深度范围内的地层主要以第四系海相沉积及海陆相交互沉积层为主，根据野外岩性特征，综合划分为7个岩性单元层。自上至下分别为：①层杂填土、②层中粗砂、②₁层粉砂、③层砾砂、④层黏土、④₁层粉砂、⑤层粉质黏土、⑥层生物碎屑砂、⑦层粉质黏土，该地区尤以③层砾砂及④₁层粉砂为严重液化土层，厚度大，是抗液化处理重点土层，设计第⑤层粉质黏土及以下土层作为持力层，江东新区地层性状见表1。

2 试验设计

2.1 等能量等变形挤密桩施工参数

等能量等变形挤密桩技术包括2部分，其施工过程如图2所示。其一，桩及桩周土的重复挤密，利用重锤自由落体运动冲切地基土至设计深度，再进行填料，二次挤密至其成桩。其二，相同能量及相同贯入度，成桩过程，控制单次相同填料量，相同重锤高度以及相同贯入标准。

本研究等能量等变形挤密桩加固地基桩机配备5.5 t重锤，每击提升6 m高度进行自由落体运动，挤密桩现场施工如图3所示，成孔过程桩位偏差在±50 mm之内，桩锤垂直偏差≤1%，达到成孔设计标高后，通过每次0.3 m³左右填料，填充料为等量再生骨料及红黏土，再生骨料组成：红砖、瓦片、混凝土碎块，其占比95%，少量碎木、玻璃碴等（粒径控制在6~8 cm），控制每层贯入度≤20 cm，待成桩至地平以下3 m时，重锤提升高度降为3 m，避免地平面隆起。

2.2 标准贯入试验

标准贯入试验（Standard penetration test，SPT）利用自动落锤，将贯入器打入15 cm（我国标贯击数不计15 cm内），开始记录累计打入30 cm的锤击数为标准贯入击数(N_{\mathrm{30}})。通过标贯击数计算液化指数是我国业内为判别液化最常用于判别液化地基土的方法之一。同时，通过标贯击数可以反映地基土层密实程度，对利用等能量等变形挤密桩技术处理后地基土挤密效果可进行有效分析。

本次试验采用标准贯入器，其靴长60 mm，刃口20°，器身700 mm，外径51 mm，内径35 mm，器头175 mm，配备落锤重63.5 kg，自动落锤装置，落距76 cm，标贯试验现场施工如图4所示。测试共布置3个试验区，18个试验点，其中，9个标贯试验点在天然地基上，剩余9个点为进行等能量等变形挤密桩施工后，其标贯点布置均设在挤密桩桩间土。

2.3 单桩竖向抗压静载试验

单桩竖向抗压静载试验是行之有效评估地基承载力和地基土沉降回弹的方法。单桩承载力最大值取决于桩身强度、桩周土侧摩阻力及桩端持力层承载能力，通过对混凝土预制管桩进行单桩竖向抗压静载试验可以检测等能量等变形复合挤密桩技术对桩周土的加固效果，看是否达到地基承载力设计值。

再生骨料等能量等变形挤密桩地基加固处理共分3个试验区，每个试验区采用36根挤密桩，挤密桩采用桩径ϕ600 mm，桩间距1.8 m，处理深度15 m左右，正方形分布；试验处理区中央打入26 m混凝土预制管桩，桩径ø500 mm，桩身强度C80，挤密桩处理加固试验区中心布置如图5所示。设计单桩承载力特征值为2 250 kN，逐级加载至4 500 kN，单桩抗压静载试验现场如图6所示，加载采用慢速维持荷载法。

3 试验数据分析

3.1 标贯击数数据分析

利用等能量等变形挤密桩施工前后，同等标贯深度内、等量标贯点锤击数分别为1 312、2 649击，总击数提高至2倍以上，而标贯击数从一定程度上反映了砂性地基土密实程度，其密实度的增加提高了地基砂土抵抗液化的能力。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）^［21］，标贯击数以10、15、30为界点划分砂土密实程度为松散（0~10）、稍密（10~15）、中密（15~30）及密实（>30）。等能量等变形挤密桩施工前后标贯击数统计如图7所示，天然地基标贯锤击数5~15击占比70.3%，16~30击占比38.9%，综合判定施工挤密前属稍密-中密砂性土；而经过挤密桩施工后标贯击数在16击以上，占总体79.5%，其最高标贯击数可达79击/30 cm，综合以上数据，可判定经等能量等变形复合挤密桩技术处理后地基土为中密-密实状态。

等能量等变形复合挤密桩技术在其施工工艺中严格把控一击贯入度，经二次挤密增加砂层或粉土的密实度，为探究其桩周土密实程度的变化，随机取不同试验区的2点，探究其前后标贯锤击数随深度变化规律。观察图8、图9黑红散点分布可知（SPT1、SPT6代表挤密前1号、6号标贯击数；H1、H6代表挤密后1号、6号标贯击数），其挤密前后均在-5 m至-13 m基本呈现线性增加的趋势，挤密前后锤击数提升14~17击。2点挤密后拟合精度虽不算高，但对于复杂地质条件下的土工试验来说仍可反映一定规律性。

为验证上述2点规律及处理后整体密实程度的均匀性，取所有样本点均值进行线性拟合，标贯深度区间前后平均击数拟合如图10所示，挤密前后标贯锤击数均值拟合方程Y=1.017 06X+2.158 4、Y=1.057 43X+14.643 1，拟合相关系数R²分别为0.850 58、0.921 04，对于现场土工试验，模型拟合精度较高，较好地反映施工前后平均击数随深度呈等差递增的趋势。挤密前后平均击数之差拟合如图11所示，Pearson系数0.931 09、R²=0.847 92，拟合精度较高，考虑到原地基复杂地质环境、上覆土压力随深度增大以及标准贯入试验中随深度钻杆摩阻力增加的原因，标贯锤击数随深度有增加趋势，前后标贯平均击数在-5 m至-13 m提高12~15击，证明处理后地基土加固均匀。通过红蓝色散点图Y对比，-5 m至-13 m平均标准贯入击数施工前后之差有2倍之多，对于-13 m至-15 m标贯击数的增量没有延续-5 m至-13 m较为精确的等差递增，经现场考察分析，施工现场使用桩机护筒为15 m，部分试验点施工过程中没有达到设计深度。-13 m至-15 m深度内，影响逐步减小，侧面反映等能量等变形挤密桩成桩过程中桩端影响深度可向下延展1~2 m。

3.2 液化指数计算分析

地下20 m深度内液化判别方法分为2部分，先计算单层标贯锤击数临界值，再结合单层实测标贯锤击值分层计算液化指数（I_{\mathrm{L}\mathrm{E}i}），最后将液化土层深度内各层液化指数（I_{\mathrm{L}\mathrm{E}i}）加总得出总液化指数（I_{\mathrm{L}\mathrm{E}}）进而判定地基土液化情况，其计算公式如下

N_{\mathrm{c}\mathrm{r}}=N_{\mathrm{0}}\beta \left[\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\mathrm{0.6}{d}_{\mathrm{s}}+\mathrm{1.5}\right)-\mathrm{0.1}{d}_{\mathrm{w}}\right]\sqrt[]{\frac{\mathrm{3}}{{\rho }_{\mathrm{c}}}}。（1）

式中：N_{\mathrm{c}\mathrm{r}}为液化判别标准贯入度锤击临界值；N_{\mathrm{0}}为液化判别标准锤击数基准值；\beta为调整系数；d_{\mathrm{s}}为饱和土标准贯入点深度，m；d_w为地下水位在基准面以下的深度，m；{\rho }_{\mathrm{c}}为黏粒含量百分率。

I_{\mathrm{L}\mathrm{E}}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\left[\mathrm{1}-\frac{N_i}{N_{\mathrm{c}\mathrm{r}i}}\right]d_i{W}_i。（2）

式中：I_{\mathrm{L}\mathrm{E}}为液化指数；N_i、N_{\mathrm{c}\mathrm{r}i}分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值；d_i 为i点所代表的土层厚度，m；W_i为i土层单位土层厚度的层位影响权函数值，m^-1。

由《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）^［21］查表可知，若该场地地震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.30 g，设计地震分组为第二组时，则液化判别标准锤击数基准值N_{\mathrm{0}}取值为16，\beta取0.95，d_{\mathrm{w}}为地下水位离地面深度值，由于近期内年最高地下水位标高为5 m，现场钻孔标高为地下5 m，d_{\mathrm{w}}取值为0。

3个试验区分别取一点，分析其处理深度内各层处理效果，重点探究③层砾砂及④₁层粉砂严重

液化土层，因此随机抽取4号、7号、9号试验点，如图12—图14所示。由此可见，上述3个图中红色点，-8 m至-15 m处理深度内，各层液化指数均在 1以下，其余深度点I_{\mathrm{L}\mathrm{E}i}均为0以下，为完全消除液化。原地基土I_{\mathrm{L}\mathrm{E}}分别为26.66、24.83、29.15的严重液化土层改善为2.51、1.47、1.523的轻微液化，趋近于不液化，证明利用再生骨料及红黏土混合料进行等能量等变形挤密桩改善液化地基较为均匀，各层处理效果显著。

标贯锤击数的增加反映地基土的密实度的增加，砂土的密实度对其抵抗液化的能力有很大程度的影响^［22］，在等能量等变形挤密桩施工过程中，在未满足设计一击贯入度前，重复填料，重锤上升至一定高度自由落体产生动能夯击，排出原软土体中的孔隙水，使砂粒重新排列，增加其密实度，从而减少原地基砂土的液化现象。本研究液化程度的划分以液化指数6和18为分界点，分别为轻微液化、中度液化及严重液化^［21］。施工前后液化指数对照汇总如图15所示，由图15可知，3个试验区9个试验点内均为严重液化砂土层，处理后各点液化指数均在6以下，属轻微液化。本试验挤密桩成桩过程中，从设计深度到地平下3 m前，都以相同贯入度和填料量进行加固，未针对液化土层进行着重处理，若使某一液化土层完全消除液化现象，可通过本研究差值拟合方程进行挤密后标贯值预测，控制挤密桩施工技术参数来实现。

3.3 静载试验数据分析

试验加载、卸载应注意应逐级等量进行，分 级加载荷载不应超设计最大承载力的1/10，本试 验取450 kN（首级加载可为分级荷载量2倍），卸 载亦要遵循逐级等量原则，卸载荷载量宜取加载分级2倍。

由表2中1^#试验区试验桩单桩竖向抗压静载试验表可知，本试验最大施加荷载4 500 kN，最大累计沉降量为13.19 mm，最大回弹量9.82 mm，回弹率74.45%。最大累计沉降未超过40 mm，且连续前后级荷载最终沉降量之比（ΔS_i /ΔS_i-1）最大约1.322 6，未超过2，满足沉降设计要求。因篇幅问题，表2中1^#试验区试验桩单桩竖向抗压静载试验汇总仅展现1个试验区加、卸载及时间试验数据，其他2点测得沉降量均满足设计要求，单桩竖向抗压静载Q-S曲线如图16所示。

对于缓变型Q-S曲线，应取桩顶总沉降量40 mm对应荷载为其极限承载力标准值。2^#试验区单桩最大加载4 500 kN，最大累计沉降量为20.18 mm，残余沉降量6.2 mm，回弹率69.28%；3^#试验区单桩最大加载4 500 kN，最大累计沉降量为23.96 mm，残余沉降量11.44 mm，回弹率52.25%，然而通过上述3个试验区最大累计沉降量均未达40 mm，说明并未达到该桩最大承载力极限，完全满足设计承载力特征值。

4 结论

1）对于砂性地基土液化现象，利用等能量等变形挤密桩技术处理，挤密均匀，在规范处理深度内标贯平均锤击数提高12~15击，桩身稳定，相较天然地基土标贯总击数，处理后提高2倍以上，桩周土密实度整体提高，由原稍密砂性土提升至中密-密实状态。

2）本试验选取3个试验区，18个试验点，共计144个数据点。随处理深度分析，各层液化指数I_{\mathrm{L}\mathrm{E}i}均控制在1以下，多数深度点内达到完全消除液化现象；处理深度内总液化指数I_{\mathrm{L}\mathrm{E}}由原地基土18以上的严重液化现象改善为5以下轻微液化。此工艺，成本低，效率高且填料可就地取材，对改善液化现象有显著成效。

3）本次试验挤密桩成桩参数：15 m桩长、600桩径及1.8 m桩间距，每层贯入度控制20 cm内，323.4 kJ能量进行夯击，填料0.5 m³。通过单桩竖向抗压静载试验分析，单桩承载力已达到单桩承载力设计特征值2 250 kN，等能量等变形挤密桩施工后大幅度提高桩基桩身侧摩阻力及桩端阻力，地基承载力整体提高。等能量等变形挤密桩技术施工过程中应注意基桩检测休止时间，才可真实反映基桩承载力的极限值。

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基金资助

海南大学2022年度协同创新中心科研项目(XTCX2022STB09)

海南省科技厅自然科学基金创新研究团队项目(522CXTD511)

2023年度海口市科技计划重点研发项目(2023-012)