高速公路液化土.docx
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高速公路液化土
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。
一.前言
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。
二.液化土形成的原因分析
1.土的液化机理
松散的砂土和粉土，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。
2.液化的条件
（1）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8～10米，这几层土都处于松散状态，&127;标准贯入度试验N值只有3～5击/0.3米，形成了沿线液化土层的基本条件。
（2）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0.5～1.5m，这就具备了液化形成的必不可少的条件。
（3）外力的作用
饱和的砂土和粉土在外力如地震的作用下，抗剪强度很快丧失。
砂土的抗剪强度τ可用下式表示：
τ＝（σ－U）tgΦ
式中σ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，Φ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σ相等时，土体抗剪强度τ＝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。
3.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。
（1）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。
（2）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Ip≤10时，土体可液化性大，&127;该路段表层30～50cm以下至8～10间的土层，塑指Ip一般在9.5～10之间，证明其具有可液化性。
（3）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 NiＩ＝∑ （1- ───）diWi
i=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
di－－i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-Dsi，Dsi为该层土中点的深度，Dsi取≥5m。
当0≤I≤5时为轻微液化；当5≤I≤15时为中等液化；当Ｉ＞15m时为严重液化。
（2）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1.5～8.0m之间，埋深0～8m，以严重液化为多。
（3）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，这种冲击能又转化成各种波型&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18～20t的铸铁夯锤；&127;另一种是20～25t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3～4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?
_.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25～30cm。
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, 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，3～4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，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7～10m，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，&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3～5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），进行第二次投料至灌满桩管。
振动反插2～3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2～4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0.224m3
4）&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20～25min，一个台班每台桩机正常情况下能完成20～30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
78 9近震 6 10 16远震 8 12
连徐路设计要求N63.5≥8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Vs≥Vcri为不液化，Vc≤Vcri时为液化。
其中：
1
Vcri=Kv{[1+0.125（ds- ── －0.05（dw-2）]√3/pc}1/54√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Vs≥200m/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2～5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+180～K225+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+180～K225+395强夯段瑞利波法检验结果 表二
深度
VS
点号
0-1m
1-2m
2-3m
3-4m
4-5m
5-6m
6-7m
7-8m
平均剪切波速
强夯影响深度
E5001
327.9
211.5
196.7
232
0
242.2
0
0
242
7.2
E5002
312.4
277.9
250.4
331.2
273.4
293.1
306.6
475.3
375
7.3
E5003
330.8
270.4
290.1
249.4
218.5
218
302.3
01
268
7.6
E5004
289.7
236.7
259.7
212.8
228.8
227
226.4
234
239
6.8
E5005
301.4
325.5
248.5
293.4
246.3
259.2
288.8
208
271
6.9
E5006
390.2
242.6
260.6
232.8
256.9
282
359.5
388.4
301
6.4
E5007
353.8
418.8
242.5
216
330.8
243.7
248.2
260.9
288
7.0
E5008
371.9
326.6
295
265.8
364.1
249.2
0
0
312
7.1
E5009
322.6
256.6
252.1
212.5
322.6
0
264.5
288.2
273
6.8
E5010
389
212.8
200.4
251.9
378.9
420.3
375.1
245.5
308
7.2
E5011
323.2
312.7
268.1
252
248.2
270.7
209.7
359.9
280
7.5
E5012
0
376.9
285.1
276.9
238.3
233.8
196.1
256.3
265
7.3
E5013
367.9
230.4
263.1
220.8
257.1
256.1
292.2
0
269
7.3
E5014
0
344
152.5
201.4
198.5
222.1
242.1
314.5
239
7.4
E5015
279.4
260.1
202.3
268.1
228.4
280.7
177.7
294
248
7.4
E5016
293.8
263
180.7
243
192.8
250.5
357.1
349.2
265
7.2
E5017
523
265.9
178.8
327.5
242
212
281.5
251.6
259
6.4
E5018
364.7
315
246.6
196.2
226
213.9
205.9
358.2
265
6.8
E5019
317.9
335.4
204
290.7
262.6
259.6
0
361.4
289
7.3
E5020
0
351
220
341.8
318.3
247
404.9
0
276
6.9
E5021
303
449.2
202.7
256
190.6
204.5
361.4
513.5
309
7.0
E5022
0
318.8
344
310.7
230.8
364.4
306.1
329.1
219
7.2
E5023
381.2
264.6
223
235.4
282.2
189.6
332.1
507.2
275
7.4
E5024
0
372.3
295.2
228.6
288.4
489.1
484.7
534.8
305
6.8
E5025
250
268.5
199.9
209.4
207.4
211.6
347.4
397.8
273
6.9
E5026
232
286.5
275.3
249.4
202.6
0
323
0
261
7.0
E5027
0
259.3
218
191.3
221.6
202.9
308.1
286.1
240
7.1
E5028
243
290.1
255.4
219.7
257.9
248.2
213.5
449.3
271
7.3
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