PHC桩挤土效应对饱和粉砂层液化消除的研究.pdf

：桩挤土效应对饱和粉砂层液化消除的研究收稿日期：作者简介：高言言（），男，工程师，从事房建专业技术研究高言言（中铁十四局集团第一工程发展有限公司，山东 日照 ）摘要：针对我国滨海、临河等地区施工场地中常存在的可液化饱和粉砂层，预应力高强混凝土管桩（，）设计、施工要求较高的问题，以沧州津水名苑小区项目 号楼为例，研究 桩挤土作用对粉砂层液化消除的效果，并通过是否考虑 桩对粉砂层液化消除作用的两种桩基方案对比，为总承包项目桩基方案选择提供参考。得出结论：桩不仅能解决地基承载力的问题，同时还能够改变土体的密实状态，消除饱和粉砂层的液化程度。考虑 桩挤土效应消除饱和粉砂层液化后，可给工程项目桩基方案提供更多选择，节省投资，并可有效降低施工难度，提高施工效率。关键词：桩；粉砂层液化；挤土效应；标贯试验中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言 桩是建筑工程中常用的桩型，但面对饱和粉砂层广泛分布的海滨、湖岸、冲积平原等地区，给建筑工程桩基方案的设计和施工带来了很大困难。一方面要考虑 桩穿透粉砂层困难的问题；另一方面要考虑粉砂层的液化的性质，不可作为桩端持力层的问题。因此考虑 桩挤土效应对粉砂层液化的消除作用具有重要意义。根据 （年版）建筑抗震设计规范 ，当采用挤土桩时，平均桩距为 倍 倍桩径且桩数不少于 行 列时，可计入打桩对土的加密作用及桩身对液化土变形限制的有利影响。桩为挤土桩，可以考虑对液化粉砂层挤密改善具有有利影响。何铁 伟等 研究 了 天 津 滨 海 吹 填 场 项 目 桩对液化土的改善效果；周汉斌 研究了豫东某大型电厂项目 桩对场地液化土的改善效果；王泽明等 研究了地下式污水厂项目中 桩挤土消除液化；杨庆义 以山东某电厂项目为例研究了 管桩对桩间土地层液化影响。鉴于当前对房建项目中 桩挤土效应对粉砂层液化消除作用的研究较少，现以沧州津水名苑小区项目桩基础的设计和施工为例，研究 桩挤土效应对饱和粉砂层液化消除在规范及应用层面的可行性、经济性。工程实例 工程概况沧州津水名苑小区项目为设计施工总承包项目，共包含 栋住宅楼，一层地下室。地基基础形式采用桩筏基础，地基基础设计等级为乙级，桩基设计等级为乙级，抗震等级为三级。现以 号楼为例，对 桩挤土效应对土层液化 消除做研究分析。号楼位于场地西南部，占地面积 ，地下层，地下室埋深约 （相对于原地面），地上 层，建筑高度 。地质条件场地地形平坦，地处华北平原东部，地貌单元为冲积平原。勘测点绝对高程为 （绝对高程为 ）。根据平面图，结合场地地质特征及拟建建筑物的结构特点，按建筑物角点及边线、中间补充进行布设勘探点。在 号楼上共布置 个勘探点，勘探点位置见图 。?经勘探得出 号楼土层分布基本均匀，场地内由东向西依次变厚地分布着饱和粉砂层，西侧粉砂层埋深位于地下 处，厚度 。土层基本特征见表 。代表性地质剖面见图 。表 号楼代表土层基本特征土层埋深 颜色类别标贯实测平均击数 击 黄褐色黏土 灰黄色粉土 黄褐色粉质黏土 黑灰色粉土 灰黑色夹褐灰色粉质黏土 灰黄色粉砂 褐黄色粉质黏土 褐黄色粉土 褐黄色粉质黏土 地震液化情况津水名苑小区项目所在位置，根据 第 卷 第 期年 月 山西建筑?建筑抗震设计规范 年版、中国地震动参数区划图 及 河北省沧州高新技术产业开发区区域性地震安全性评价简本报告（年 月 日），综合考虑：场地抗震设防烈度为 度，设计基本地震加速度值为 ，基本地震动峰值加速度值为 ，设计地震分组为第二组，场地类别按类考虑时设计特征周期为 。对场地 以内饱和粉砂进行液化判别，地下水位深度按近期内年最高水位 计算，判定地基第 层饱和粉砂层液化，钻孔液化指数为 ，液化等级为轻微。原桩基方案原桩基方案不考虑 桩挤土效应对饱和粉砂层液化的消除作用，基础采用预应力管桩（）筏板基础（筏板厚度 ），其中管桩间距按 取值，且为墙下布置形式。根据 建筑桩基技术规范 “桩进入液化土层以下稳定土层的长度（不包括桩尖部分）应按计算确定；对于碎石土，砾、粗、中砂，密实粉土，坚硬黏性土尚不应小于 倍 倍桩身直径，对其他非岩石土尚不宜小于 倍 倍桩身直径。”的要求，设计桩长穿透第粉砂层，有效桩长 ，桩端进入粉质黏土 或粉土层 。根据现场试桩静载试验和地勘参数综合确定单桩承载力特征值 ，设计总桩数 根。原桩基方案实际施工情况因沧州市外环以内对噪声的控制，不允许采用锤击的方式沉桩，现场采用静压的方式沉桩。经现场实际施工发现静压力达 左右桩基仍只能进入粉砂层左右，一般 桩的桩身竖向承载力设计值为 左右。经现场实际施工发现，桩基穿透粉砂层困难，施工难以达到设计桩长，需采用预钻孔方式沉桩或改变桩基方案，考虑通过 桩的挤土效应消除饱和粉砂层的液化的作用。桩消除粉砂层轻微液化的原理及依据 桩消除粉砂层轻微液化的原理所谓砂土液化现象是指饱和砂土受到震动时其趋于紧密的作用导致孔隙水压力的急剧上升，而在地震过程的短暂时间内，急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力（有效压力）减小甚至完全消失，砂层完全丧失抗剪强度和承载能力，变得像液体状态的现象。所以影响砂土液化的主要原因包含内因和外因两个方面。内因主要是地下水丰富且密实度低、渗透性差。外因主要是砂土受到震动作用。因此消除粉砂层液化只能从改变砂土的内在性质考虑。桩 消除饱和粉砂层的液化主要是通过挤密效应、振密效应、桩身侧限效应三个途径，因本项目只能采取静压的方式沉桩，所以暂不考虑振密效应。）挤密效应：打入式预制桩打入土层之后，将桩基位置土体向四周挤出，通过挤土效应，改变了周边原土体结构，使孔隙比减小，密实度增加，增加土体抗液化能力。）桩身侧限效应：饱和粉砂层的液化区是在受震动时逐步扩散的。桩沉入之后，由于桩身的侧限作用，能够有效抑制液化区扩散速度，降低砂土液化扩散程度。考虑 桩消除粉砂层液化的桩基方案及估算根据专家论证意见及现场沉桩 实际情况，计划改变原桩基方案，考虑利用 桩的挤土效应消除饱和粉砂层的轻微液化。根据勘察报告结果显示，桩端持力层统一取 的砂层，即可满足承载力要求。桩基仍采用 （）管桩，有效桩长改为 ，布桩形式改为筏板满布，根据现场试桩静载试验和地勘参数综合确定单桩承载力特征值 ，号楼总桩数 根，桩间距为 ，筏板改为 等厚筏板。根据 建筑抗震设计规范 年版 “当饱和砂土、粉土的初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下 范围内土的液化”，以具有代表性的 号钻孔为例对粉砂层消除液化进行估算，采用正方形布桩，根据 建筑地基处理规范 中一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（）的规定进行面积置换率计算。现选取标贯深度 处，临界标贯击数 为 ，实际标贯击数为 ，桩沉入后标贯击数暂按 建筑抗震设计规范 年版 进行估算，桩基施工完成后再进行消除液化试验验证（见式（）式（）：（）（）（）（）（）其中，为桩间距，本方案为 ；为桩径，本方案为 ；为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，桩孔按正方形布置 ；为打入式预制桩的面积置换率；为打桩后的标准贯入锤击数，击；为打桩前的标准贯入锤击数，击；为液化判别标第 卷 第 期年 月高言言：桩挤土效应对饱和粉砂层液化消除的研究准贯入锤击数临界值，击。估算证明，基本可以消除液化。沉桩完成后对土层液化情况进行检测 勘探试验点布设桩基施工完成后对饱和粉砂层的液化判别仍采用标准贯入试验法。共设置 个勘探试验点，分别位于楼的个角和前后两个长边中点尽量接近原钻孔的位置。勘探点类型为取土标贯试验孔，勘探深度 。钻孔位置见图 。?饱和粉砂层液化判别结果根据 建筑抗震设计规范 年版 ，在地面下 深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按式（）计算：当 时，可判别为液化，反之则不液化。（）槡（）其中，为液化判别标准贯入锤击数临界值；为液化判别标准贯入锤击数基准值，对于本工程所在区域设计基本地震加速度 ，取 ；为饱和土标准贯入点深度，；为地下水位，；为黏粒含量百分率，当小于 或为砂土时，应采用 ；为调整系数，本工程设计第二组取 。第层粉砂层液化判别结果见表 。经 桩施工完成后标准贯入试验检测发现，第层粉砂层液化已全部消除。桩施工前后标准贯入试验指标分析对比根据桩基施工前后的标准贯入试验的测试结果，对挤密前后的标准贯入试验击数进行对比，结果如表 所示，从对比结果可以看出 桩施工后标贯击数提高显著。表 数据表明，桩施工前后土层受到明显挤密作用，对黏土和粉砂挤密后标准贯入试验击数提高 ，相比之下对粉砂层的挤密作用更为明显，场地从原来的液化场地改变为了非液化场地。两种桩基方案比较 经济性比较原桩基方案需考虑饱和粉砂层轻微液化对桩侧摩阻的折减，单桩承载力特征值 ，桩长 。因饱和粉砂层较难穿透，打桩之前需要预钻孔，钻孔深度按压桩深度的 计算，压桩深度为送桩深度与有效桩长之和，送桩深度为 。筏板厚度加厚区域为 ，普通区域为 。表 第层粉砂层标贯法液化结果判别表孔号层号标贯实测值 击贯入点深度 临界值 击是否液化 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否表 沉桩前后标准贯入试验指标对比表岩性名称 桩施工前后算术平均值 击施工前施工后增加百分比 黏土 粉土 粉质黏土 粉土 粉质黏土 粉砂 粉质黏土 新桩基方案通过 桩挤土效应消除饱和粉砂层的液化，以饱和粉砂层作为桩端持力层，单桩承载力特征值 ，桩长 ，因沉桩深度较浅，不需要预钻孔，筏板采用 等厚筏板。通过原桩基方案与新桩基方案投资对比发现，利用 桩挤土效应消除饱和粉砂层轻微液化后，从而桩长不考虑砂层液化影响的新桩基方案比原桩基方案可节省投资约 万元。详细经济投资对比见表 。施工方面比较原桩基方案压桩深度约 ，桩基难以穿透饱和粉砂层，根据地勘及前期施工情况，每根桩都要进行预钻孔才能沉桩，预钻孔机械与压桩机械在现场交叉施工，不但影响施工效率，而且还造成安全隐患。其次桩长较长，现场施工较难达到设计沉桩深度，存在大量压桩不到位第 卷 第 期年 月山西建筑 的情况，后期增加了大量额外的补桩、截桩施工任务。最后，部分桩基虽压至设计深度，但终压值太大，超过了桩基竖向承载力设计值，极有可能造成桩基损伤，甚至爆桩，对质量和安全带来隐患。新桩基方案利用 桩挤土效应消除粉砂层液化，以粉砂层作桩端持力层，压桩深度较浅，有效地解决了现场施工困难的问题，避免了预钻孔、补桩、截桩等额外的施工任务。另外因桩长较短，市场上能买到单根 长的 桩，避免了压桩过程的接桩工作，有效提高了施工效率。表 两种桩基方案经济投资对比表分类原桩基方案新桩基方案单桩长度 桩基数量 根 桩基总长度 桩基投资单价（元）单桩预钻孔平均深度 预钻孔单价（元）筏板混凝土用量 混凝土投资单价（元）投资金额 元 结论本文以沧州津水名苑小区项目 号楼的桩基设计和施工为例，结合是否考虑 桩挤土效应消除粉砂层液化的两种桩基方案对比，并对 桩施工前后的粉砂层液化程度进行检测判别，得出主要结论如下：）桩不仅能解决地基承载力的问题，利用其对土层的挤密效果及其对土体的侧限作用，能够改变土体的密实状态，消除饱和粉砂层的液化程度。）在类似存在较厚液化粉砂层的场地中，可以考虑 桩挤土效应消除粉砂层液化的作用，以粉砂层作为持力层，为总承包项目前期的桩基方案提供更多选择，同时给工程项目节省大量投资，并有效降低施工难度，提高施工效率。参考文献：中华人民共和国住房和城乡建设部 建筑抗震设计规范（年版）：北京：中国建筑工业出版社，何铁伟，付勇，王涛 滨海吹填场地应用空心方桩与 管桩的对比分析 勘察科学技术，（）：周汉斌 桩消除地基液化的研究 电力勘测设计，（增刊）：王泽明，刘雪林，王长祥，等 考虑 桩挤土消除液化效应的地下式污水厂桩基础设计 特种结构，（）：杨庆义 管桩对桩间土地层液化影响 科学之友，（）：陈养强 中欧抗震规范关于地基土砂土液化的判别研究 铁道建筑技术，（）：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国地震动参数区划图：北京：中国标准出版社，中华人民共和国建设部 建筑桩基技术规范：北京：中国建筑工业出版社，杨娜 粉质黏土高铁路基土体物理力学特性与治理研究 铁道建筑技术，（）：程知毅 浅谈 管桩在环渤海地区的应用 铁道建筑技术，（增刊 ）：，卞立民，徐海波，徐建平 沉桩挤土效应研究综述 华中大学学报（城市科学版），（）：中华人民共和国住房和城乡建设部 建筑地基处理技术规范：北京：中国建筑工业出版社，（，）：，（），：；（）第 卷 第 期年 月高言言：桩挤土效应对饱和粉砂层液化消除的研究