消除液化土沉陷措施灌注桩法与振冲碎石桩法设计应用探讨.

消除液化土沉陷措施灌注桩法与振冲碎石桩法设计应用探讨

发布时间：2006-11-21

党昱敬 （中冶集团建筑研究总院，北京100088）

[摘 要]通过分析探讨对砂质粉土及粉砂液化地基采用灌注桩法与振冲碎石桩法消除地基液化沉陷措施设计过程，提出结构工程师和土木工程师（岩土）共同参与地基与基础设计方案制定的构想：以充分利用各种技术资源，优化设计方案，从而获得更好的经济效益。

[关键词]灌注桩；振冲碎石桩法；液化沉陷；地基与基础 [中图分类号]TU478；TU472 [文献标识码] A

Research on Design and Use of Filling Piles

and Vibro Replacement Stone Columns for Anti－Liquefaction Soil

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DANG Yu-Jing（Central Research Institute of Building and Construction，MCC Group, Beijing 100088，China）

[Abstract]The conception of making a design scheme of ground and foundation by both structural engineer and geotechnical engineer is proposed through analyzing and exploring the designing procedure，during which a filling pile and a vibro-replacement stone column are used to eliminate the liquefaction settlement of a foundation consisting of sandy silt and silty sand. As a result, it can use technical resources fully and optimize design schemes so as to gain better economic benefit.

[Keywords]filling pile；vibro-replacement stone column；liquefaction settlement；ground and foundation 1 前 言

饱和砂土和饱和粉土在地震中产生液化影响，导致建（构）筑物发生地基液化沉陷，直接威胁到人们生命财产安全。经过岩土界专家学者多年的研究与实践，用灌注桩法与振冲碎石桩法消除地基液化沉陷措施，其效果已被大量的震后调查结果所验证。我国国家规范

［1］

和行业标准

［2，3］

也明确表述了用灌注桩法与碎石桩法消除液化影响的设计思路和方法。

目前，我国结构工程师和土木工程师（岩土）在工程设计过程中遇到液化软弱地基时，通常的做法是：结构工程师先将基础形式、持力层标高、地

基承载力、变形控制及消除地基液化等参数指标提交给土木工程师（岩土），土木工程师（岩土）再根据《岩土工程地质报告》及上述结构工程师所提交的参数和指标进行液化软弱地基加固设计。这种过于明确的分工，将导致一些不甚合理的地基加固方案被采用。这些不合理的地基加固方案虽然在技术上也能满足规程、规范和结构工程师的设计要求，但从经济角度考虑，在同样能满足规程、规范要求的前提下，还有待于结构工程师和土木工程师（岩土）进一步加强合作，共同完善。基于此观点，本文结合某工程实例，介绍液化软弱地基加固中，结构工程师和土木工程师（岩土）共同参与设计的思路和方法，并通过算例说明该设想的经济可行性。 2 液化软弱地基加固设计思路和方法

结合几年来的工程设计实践，作者认为，在液化软弱地基进行地基与基础设计前，首先必须根据场地岩土工程地质报告，对工程地质和水文地质条件进行全面、深入和细致的分析与研究；再对建筑物的功能与使用要求、结构类型及传至基础顶面荷载特点、建筑施工工期与条件等进行全面了解；最后进行液化软弱地基基础的设计与计算。其具体设计步骤如下：

（1）结构工程师将上部结构传至基础顶面竖向力、弯矩及剪力标准组合和基本组合值，提交给土木工程师（岩土）；

（2）土木工程师（岩土）根据岩土工程地质报告和结构工程师提交的上部结构传至基础顶面竖向力、弯矩及剪力标准组合和基本组合值，确定基础型式和液化软弱地基处理方案； （3）结构工程师和土木工程师（岩土）依据技术可行、经济合理、保证工期的原则，共同提交地基与基础施工图。 3 液化软弱地基与基础设计算例 下面将以北京市通州区某实际工程作为算例，介绍该工程采用灌注桩与振冲碎石桩法消除地基液化沉陷的地基与基础设计计算方法，为这两种设计方案提供经济比较的依据。 3.1 工程概况及场地工程地质条件 该工程项目为一厂区库房，结构形式为焊接H型钢门式刚架，库房轴线尺寸为102 m×21m，檐口柱顶标高为10.00 m，柱距6m。围护结构采用砌体砖墙，其重量通过基础梁传给基础。 工程地质简况如下： （1）地基土层 该工程±0.000相当于绝对标高19.250m，室内外高差0.300m, 基底或承台底设计标高为-1.850m；拟建场地地面下21m内土层由人工堆积层和新近沉积层组成，各层土基本岩性特征如下： 人工堆积层：场地上部在0.2～1.2m之间为耕壤土①层、房渣土①1层； 人工堆积层之下沉积的为新近沉积层：有黄褐色重粉质粘土②层（高～中高压缩性土）、粘质粉土②1层（中高压缩性土）、砂质粉土②2层（中高压缩性土），灰色粘土～重粉质粘土③层（高压缩性，含有机质）、砂质粉土③1层（中压缩性），灰色粉砂④层（中下密）、粉质粘土④1层（中高压缩性）、粉砂④2层（松散），灰色细砂⑤层（中上密），细砂⑥层（密实）； （2）地下水 1997年9月份，静止水位埋深在地表下2.50m上下，标高16.25m上下；2003年6月份，静止水位埋深在地表下3.00m～5.80之间，标高在15.74m ～13.23m之间；历年最高水位可接近自然地表。 （3）地基土层的地震液化判定和持力层地基承载力特征值 拟建场地地震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组。本场地若按地下水位埋深2.0m考虑,则场地下的近代砂质粉土③1层、粉砂④层和粉砂④2层存在液化现象。液化指数ILE=6～12，属中等液化场地。基底或承台底埋深为-1.850m，即持力层绝对标高为17.400m，该层为重粉质粘土②层土和粘质粉土②1层土，地基承载力特征值为80kPa。 3.2 上部结构传至基础顶面的荷载 如上所述，该工程结构形式为焊接H型钢门式刚架，跨度21m，柱距6m。本工程作用于基础顶面处由柱传来的外力荷载效应组合值，见表1。 表1 结构传至基础顶面荷载效应标准组合 和基本组合设计值 标准组合 基本组合 Fk(kN) Mk(kN-m) Vk(kN) 3.3振冲碎石桩法消除地基液化的设计计算 根据行业标准［2］559.08 485.38 63.88 F(kN) M(kN-m) V(kN) 600.23 561.205 79.85 和该地区以往设计经验，该地区常用的地基处理方法是采用振冲碎石桩法加固处理软弱液化地基，施工时若采用75kW振冲器，桩径可达0.8～1.0m。若本工程桩径按φ900考虑，采用正三角形布置、桩间距为2.4m、施工桩长10.0m（自然地面算起），即能满足消除地基液化的影响。复合地基承载力特征值亦可达180～200kPa，具体设计计算过程不再赘述。 （1）初步确定基础底面尺寸 根据传至基础底面上的正常使用极限状态下荷载效应的标准组合值和振冲碎石桩复合地基承载力特征值，初步确定基础底面尺寸。 修正后的复合地基承载力特征值fa为： 基础自重和基础上的土重Gk时的基础埋深为：

由式

得基础底面面积

由于作用弯矩较大，故采用偏心基础。基础底面积按3.9 m×3.0 m考虑，偏心基础形式见图1。

图1 独立偏心基础形式

（2）验算持力层复合地基承载力 由 = 77.78kPa＜fa=198.9 kPa Pkmax = (Nk+Gk)/A + Mkx/Wx + Mky/Wy = 113.77 kPa＜1.2 fa＝238.68 kPa

Pkmin = (Nk+Gk)/A－Mkx/Wx－Mky/Wy

= 41.79 kPa＞0 满足要求。 （3）振冲碎石桩平面布置 根据国家规范

［1］

和行业标准

［2］

规定，以及上述计算结果，确定振冲碎石桩桩距和基础底断面尺寸。最

后确定布置33根振冲碎石桩，其平面布置见图2。

图2 振冲碎石桩平面布置图

3.4灌注桩法消除地基液化的设计计算 3.4.1单桩竖向极限承载力标准值的设计计算

根据规定，桩顶嵌入承台的长度为5cm，因此有效桩顶(设计桩顶)标高为17.450m。考虑还需要50cm保护桩长，施工桩顶标高为17.950m。

根据《工程地质勘察报告》典型岩性剖面图、国家标准［1］和行业标准 ［3］，基桩竖向承载力极限承载力标准值设计计算参数见表2。 表2 基桩竖向承载力极限承载力标准值设计计算参数 极限 土编土层 侧阻力 标准值 土层液化影响 极限侧阻力折减系数考虑土层 液化折减后 折减系数 力 标准值 极限 端阻力 层 厚度 ψL ds (m) li 极限侧阻标准值 号 (m) qsik (kPa) 70 55 55 45 Ni/Ncri qpk (kPa) ψL 1 1 1 0 2/3 0 1/3 1 qsik(kPa) 70 55 55 0 20 0 10 50 — — — — — — — 950 ②1 0.97 ② 0.5 ③ 0.7 ③1 1.5 — — — — — — 0.52 4.65 0.87 5.65 0.51 6.7 0.68 7.75 — — ④ 0.875 30 ④ 1.05 30 ④ 1.275 30 ⑤ 5.63 50 设计桩径为φ400，桩长(有效桩长) 为12.5m，施工桩长13.0m。如果从自然地面施工，则施工桩长为14.0m。单桩竖向极限承载力计算公式为： 式中，u为桩身周长, u =0.40×3.14=1.256m；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值(kPa)；li为第i层土的厚度(m)；qpk为极限端阻力标准值(kPa)；Ap为桩的断面面积，Ap=0.2×3.14=0.1256m。 由此可得，考虑液化影响的单桩竖向极限承载力标准值为679.0564kN；不考虑液化影响的单桩竖向极限承载力标准值为846.4184kN。 3.4.2桩体混凝土强度 混凝土轴心抗压强度设计值： 其中，Q为单桩竖向力设计值，Q=846.4184/1.67= 507kN；ψc为工作条件系数,ψc=0.6 ；Ap意义同上。 当桩体混凝土强度取C20级时， 3.4.3 桩数和桩位布置 承台底面积按3.6m×2.7m考虑, 计算承台自重和承台上的土重Gk时的承台埋深： 承台自重和承台上的土重： 由3.4.1节可知，考虑液化影响的单桩竖向极限承载力标准值为679.0564kN，则单桩竖向承载力特征值 22Ra=679.0564/2=339.5282kN 轴心竖向力作用下 得 ， 由于偏心很大，取n=5，即取五根桩灌注桩。 灌注桩平面布置及承台形式，见图3。

图3 灌注桩平面布置及承台形式

3.4.4 桩竖向承载力验算 偏心竖向力作用下，竖向力设计值

经计算，可得到在偏心竖向力作用下，①～⑤号灌注桩桩顶全反力分别为：284.356、284.356、181.800、79.244和79.244kN。 由此可见，①～⑤号灌注桩桩顶全反力均小于1.2Ra=1.2×339.5282=407.434kN，满足要求。 3.4.5 桩水平承载力验算 根据国家标准

［1，4］

和行业标准

［3］

的有关规定，纵向配置五根φ14钢筋(HRB335)，长度9.0m（其中0.5m锚固在承台内）；箍筋采用

φ6钢筋(HPB235)，桩顶下2m以内按φ6@100配置，桩顶下2～8.5m内按φ6@150配置。 单桩水平承载力设计值： 式中符号意义及同规范按照规范

［3］

［3］

。

3

计算公式，确定桩的水平变形系数α=0.434（1/m），桩身换算桩截面受拉边缘的截面模量W0=0.00662m，桩体配筋率

2

ρg=0.6125%＜0.65%；桩身换算桩截面积An=0.131m2；①～⑤号灌注桩在基本组合偏心竖向力作用下所承受的竖向力设计值最大值N=

309.471kN=0.31MN。同时，依据本工程特点，取桩截面模量塑性系数γm=2；桩身混凝土抗拉强度设计值ft=1.1（MN/m），桩身最大弯矩系数νm=0.926，桩顶竖向力影响系数ζN＝0.5。从而得到单桩水平承载力设计值

Rh=0.0145MN=14.5kN

对于群桩基础，

= 1.416×14.5 kN =20.5kN

其中，ηh为群桩效应综合系数，依据本工程情况计算得到 。 桩顶水平力设计值：

式中，H为作用于承台底面的水平力设计值，H=V=79.85kN；n为桩数，n=5。 则 1.25Rh1=1.25×20.5=25.6 kN＞γ0 H1=1.1×16=17.6 kN, 满足要求。 4 灌注桩与振冲碎石桩的经济比较

以上所述实例针对位于液化软弱地基的一独立柱基，从技术角度探讨灌注桩与振冲碎石桩两种不同工法作为消除地基液化沉陷措施的可行性。为便于进一步从经济上对两种不同工法进行比较，把桩基承台和振冲碎石桩复合地基独立基础断面列于图3，其计算过程不再赘述。

由图3可知，桩基承台和振冲碎石桩复合地基独立基础的短柱断面和配筋相同，其桩基承台和振冲碎石桩复合地基独立基础材料明细见表3。