振动沉管砂桩加固京沪高速铁路液化土地基的
初步研究
刘先峰, 蒋关鲁
(西南交通大学道路与铁道工程系成都610031 )
摘要：本论文首先对京沪高速铁路液化土地基进行液化判别，然后提出用振动沉管砂桩进行处理，对其进行设计计算，最后通过日本的经验曲线对抗液化加固效果进行定性评估。
关键词：振动沉管砂桩；砂土液化；液化判别；地基加固；
Research ageinst sandy soils liquefaction of high speed railway by
using compaction sand pile
LIU Xianfeng, JIANG Guanlu
(Dept. of Railway and Road Eng., Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract：The paper discussed whether sandy soils of high speed railway .and then, put forward and designed a method against liquefaction by using compaction sand pile, at last the anti-liquefaction effect was evaluated by using Japan’s empirical curve.
Key words：compaction sand pile；sandy soil liquefaction；liquefaction judgement；foundation treatment；
1 引言
京沪高速铁路是我国拟建的第一条高速铁路，其沿线分布饱和粉土砂土地基，且位于7度、8度或9度区，在地震作用下这些地区均可能发生液化。对于高速铁路，液化土地基液化所引起的破坏主要是液化土地基的液化、侧向流动及路堤破坏所引起的路堤沉降，进而引起路基开裂、不均匀下沉及坍滑与桥梁的折断和垮塌等，其破坏较为严重，那么对液化土地基抗液化加固技术的研究显得特别的迫切和必要。
2 京沪高速徐宁段液化土地基及试验工点的主要特征
京沪高速铁路徐宁段液化土地基位于黄淮冲积平原区，该段地震液化地层主要为表层第四系全新统al+plQ4粉土及粉细砂层，厚度一般为3～10m，有的地方分布较厚，为10～15m。全段液化土地基地下水位埋约0.5～1.0m，地下水的类型主要为孔隙潜水，该段根据《中国地震参数区划图》（GB18306-2001）。地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.45s (相当于原地震烈度七度区)。
选取的试验工点的工程地质与水文地质条件：
1、地层岩性
根据土层特征自上而下主要分为二层，现将各层主要特征分述如下：
（1）第四系全新统(Q ) 冲积粉土夹薄层软黏性土层
粉土，褐黄色间灰黄色，松散～稍密，饱和，局部为粉土夹粉砂，粉土层中多夹薄层软黏性土，该层厚度约6.5～8.5m，平均厚度约8m，粉土层下部分布有厚约0.5~1.5m的软弱黏性土。所夹薄层软黏性土多呈透镜状分布于粉土层中，厚度一般小于0.5m。（注：粉土的孔隙比大约0.78左右。）
（2）第四系全新统～上更新统(Q ) 冲积黏土、粉质黏土层
黏土、粉质黏土，褐黄色，灰黄色，硬塑，局部软塑，厚度大于25m，局部夹铁锰结核和礓石。在本层中黏土和粉质黏土呈互层关系，以黏土为主，多数粉质黏土土样化验结果显示其塑性指数（Ip）接近17。
2、水文地质条件
地下水的主要类型为孔隙潜水。地表水丰富，大气降水及地表水是地下水的补给源。地下水随季节变化而变化，地下水埋深3～9月约为0～0.6m、9月～3月约为0.5～1.5m。
3 试验土层的液化判定
3.1 《铁路工程抗震设计规范》（GBJlll—87）液化判别方法：
3.1.1 初步判别
当可能液化的粉细砂土层符合下列条件之一时，可不考虑液化的影响，并不再进行液化判定：
(1)地质年代属于上更新统及其以前年代的饱和砂土、粘砂土和塑性指数I P大于或等于10的砂粘土。
P，当设计烈度为
(2)土中采用六偏磷酸钠作分散剂的测定方法测得的粘粒重量百分比
c
7度时大于10％；为8度时大于13％；为9度时大于16％。 3.1.2 进一步判别（标准贯入击数判别法）
当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。其标准贯入锤击数临界值表达式如下：
43210ααααN N cr =
式中： 0N —当深度为3m ，地下水位深度为2m ，上覆非液化土厚为2m 及14=α时的临界
标贯值。当烈度为7度、8度、9度时分别为8、12、16。
1α—地下水埋深w d (m)的修正系数：()2d 0.0651--=w 1α
当地面常年有水且与地下水有水力连系时，取w d 为零。
2α—深度 s d (m)的修正系数：2s s 0.005d 0.175d 0.52-+=2α
3α—上覆非液化土厚度u d (m)的修正系数：()2d 0.051--=u 3α
对深基础，13=α。
4α—粘粒含量c ρ(％)修正系数：c ρα0.171-=4
4α
也可按下列数取值：砂土1.0，粉土0.6，塑性指数小于10的土0.45。 3.2 液化判别
根据《铁路工程抗震设计规范》（GBJlll —87）液化初步判别标准，该试验土层属液化土层，需进一步判别。采用标准贯入击数判别法进行判别，其判别结果见表1。
4 振动沉管砂桩加固液化土地基
4.1 加固原理
4.1.1 挤密和振密作用
通过下沉桩管对周围砂层产生挤密作用（有效挤密范围为3～4倍桩径），沉、拔桩管对周围砂层产生振密作用（有效振密范围可达6倍桩直径左右）；大大的改善了土的物理力学性能，减小了孔隙比，增大了地基土的密实度，提高了地基的抗液化性能。 4.1.2 排水减压作用
砂桩体形成了良好的垂直排水通道，改善了地基土的渗透性能，有效的消散和防止超孔隙水压力的增高和砂桩产生液化，并加快了地基的排水固结。
表1 地基土液化判别表
由表1可以清楚的看出，该试验土层为可液化土层，需要进行抗液化加固处理。 4.2 国内、日本砂桩设计计算 4.2.1 日本的砂桩设计计算
砂性土地基改良后的N 值因颗粒级配而不同，由原地基的N 值与置换率s α决定，如图1（其中N 0与N 1均为修正后的标贯击数，其围压为10N ）。
设计时先由原地基的N 值与要求的改善后的N 值求出需要的置换率s α。
置换率s α根据不同的砂桩布置与砂桩的直径s d 及间距d 之间有如下的关系： ① 正方形布置：
图2 日本砂桩设计流程
??
?
??=d
d
s
s 0.785α (1) ② 正三角形布置：
??
?
??=d d s s 0.907α （2） 然后假定桩的间距，用式(1)或(2)求算必要的桩径 d ，桩的间距一般为1.2～2.0m 。 4.2.2 国内砂桩设计计算（松散砂土）
(1)根据要求的孔隙比计算
图3为根据要求的孔隙比进行砂桩设计的流程图
按正三角形布置时
按正方形布置时
式中 l ——桩距(cm)；
d ——桩直径(㎝)；
e 0——天然孔隙比； e 1——要求的孔隙比。
1e 可按下式计算：
式中 max e —最松散状态下孔隙比； min e —最密实状态下孔隙比； D r —相对密度，一般取0.7～0.8。 (2)根据要求的灌砂率计算 设1根砂桩所分担的地基面积为
图3 国内砂桩设计流程
——根据要求孔隙比
图1 原地基的N 值与改善后桩间土的N 值的关系曲线
1
01950e
e e d l o
-+=.1
001890e e e d
l -+=.()
min max max 1e e D e e r --=（3） （4）
（5）
A ，砂桩每米灌砂量为S A （m 3
/m ），则单位长度平均灌砂率：A
S
A S V A A p =?=
1。求出要求的灌砂率p V 后，由灌砂量、砂桩间距和灌砂率关系曲线(图4和图5)可求得需要的砂桩间距。
设地基处理后要求达到的标贯值为1N ，地基处理后达到的平均标贯值为1N 则：
()1
11N V N V N p p p '-+?= (6) 式中 1N '——地基处理后桩间土标贯值； P N ——砂桩中心标贯值。
图 4
图5
首先假定一个灌砂率p V ，根据图6和图7
曲线求得p N 和1N '(为安全计，处理后地基标贯值只取桩间土的标贯值时则
图7
图6
图8 国内砂桩设计流程
——根据要求灌砂率
()111N V N p '-=，
只查图7曲线求1N '；然后利用公式(6)计算平均标贯值1N 。如果1N 与1N 不一致，就改变灌砂率p V ，再按同样方法计算，直到1N 值与1N 值一致为止。这时的灌砂率就是要求值。
图6和图7是根据以前应用砂桩的工程实例，以灌砂率p V 为参数，分别将天然地基标贯值0N 与砂桩中心标贯值P N 和处理后桩间土标贯值1N '之间的关系整理成曲线。(注：设计时选用的成桩方法与这些工程实例的成桩方法相同时，才可以使用这个方法确定桩距。) 图8为根据要求灌砂率进行砂桩设计计算的流程图。
5 砂桩加固京沪液化土地基的初步探讨
5.1 砂桩加固设计 （1) 平面布置
考虑整体线路施工安排及处理效果，方案采用正三角形（或梅花形）布置。 （2) 直径
根据置换率要求、成桩方法、施工机械能力等因素综合考虑及以往经验，砂桩直径多为30～70cm ，本方案取直径为40cm 。
（3) 长度
砂桩处理液化土地基时，其长度应达到可能发生液化的砂层底部并且达到抗震要求的深度。根据该要求，本方案砂桩长取15m 。
（4) 布置范围
砂桩用于防止砂土液化时，每边处理的宽度不少于液化层厚度的1/2，并不小于5m ；当可液化土层上覆非液化土时，每边放宽不少于处理深度的1/2，并不小于3m ；对铁路、道路路堤应设置到排水沟外缘。
（5) 砂桩材料
使用中粗混合砂，含泥量不大于5％，回填料应有较良好的级配。 图9 是日本工程师提出的经验曲线。 （6）桩距计算
本研究根据要求孔隙比进行桩距计算。
图9
按正三角形布置时
1
1950e e e d
l o -+=.
其中：cm d 40= 0e ＝0.78
1e 可按下式计算： ()min max max 1e e D e e r --=＝0.7
式中 考虑经验取值得：Dr ＝0.5
查图9（D 60＝0.2，C u ＝4） 得：max e ＝1.0 ，min e ＝0.4 由此：cm 241790l .0.7
-0.780.78
1*
40*.95=+= 取安全系数1.1 则
l ＝1.63m ，取l ＝1.6m 较为安全。 由l ＝1.6反推理论处理后的孔隙比e ＝0.68
5.2 加固效果的经验评估
注：表中后的标贯值i N 由图1查的。具体如下：置换率(1根砂桩面积p A ，与1根砂桩分担的地基处理面积A 之比)
s α＝p A /A ＝3.14*0.22/1.85 ＝0.067
由s α与原地基的N 值查图1，可以预估加固后的桩间土N 值。
由表2可以清楚的看出，根据日本经验曲线对加固效果进行预估，该加固方案符合抗液化要求。
6 结束语
1、砂桩在软土地基及液化土地基的加固中应用已经十分广泛，但国内还缺少这方面的系统的现场资料，以供设计施工参考；而国外（尤其是日本）在利用砂桩处理液化土地基中总结了较为详细的孔隙比、相对密度及标准贯入击数之间的关系，其结果对今后的设计施工具有很好的指导意义。
2、本文在砂桩加固液化土地基的设计中加固效果验证部分仅仅采用了日本的经验曲线对加固效果进行了定性的预估，实际上要通过现场标准贯入试验测定加固后桩间土的N 值，然后进行定量的评估。
3、京沪高速铁路液化土地基的处理中不可能采用一种加固工法，除此还会采用沉管挤密碎石桩、强夯压密法以及深层搅拌混合桩等工法，而本文仅仅是沉管挤密砂桩进行了粗浅的研究，还需结合室内外试验对其进行更深入的研究。
4、本文重点集中在抗液化加固处理上，而对地基的沉降变形没有考虑，实际上在满足了抗液化加固要求以后，还必须对地基的稳定和变形进行验证，只有全部满足要求，才能符合高速铁路的设计要求。
参考文献
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2．刘惠珊，张在明．地震区的场地与地基基础．北京中国建筑工业出版社，1994.135～186 3.铁道构造物等设计标准·同解说〈土构造物〉.日本铁道综合技术研究所，丸善株式会社出版，平成4年11月
4.铁道构造物等设计标准·同解说〈省力轨道土构造物〉.本铁道综合技术研究所编，丸善株式会社出版，平成11年11月
5．日本地盘工学会.液化对策的调查、设计及施工，平成5年2月
7．铁道构造物等设计标准·同解说 〈抗震设计〉.日本铁道综合技术研究所，平成11年
10月