CN103870643A - 确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法，包括以下步骤：1、根据原位试验判断地基土的液化程度，其中地基土的液化判别方法采用a、临界标准贯入击数法b、静力触探判别法c、剪切波速法中的一种或几种；2、确定消除液化需要桩间地基土达到的干密度；3、确定碎石桩的桩间距。根据打设碎石桩前后地基土的现场原位测试、室内试验及有限元数值分析成果的对比分析，全面研究了振冲碎石桩的抗液化功效，在此基础上基于挤密效应提出了碎石桩桩间距的确定方法，减免了试桩工程，缩短了工期，降低了工程造价。

Description

确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法

技术领域

本发明涉及一种确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法。

背景技术

碎石桩复合地基由土体和碎石桩桩体构成。碎石桩复合地基，利用振动器的振动在天然单一土质地基中成孔，并且在成孔的过程中不断加入碎石振捣密实，最后在天然土质地基中形成一个大直径的密实的碎石桩体，通过不断成桩，最终形成碎石桩复合地基。

桩间液化土层受到挤密、预震作用后动强度增大，碎石桩的排水减压则使得桩间土在地震作用下的超静孔压显著降低，同时由于桩体的刚度大于土体的刚度，桩体分担了一部分动剪应力从而使得桩间液化土分担的动剪应力减少。上述作用均使得地基的抗液化能力得到提高。

（2）相近的技术方案

日本地盘工学会建议的抗液化碎石桩桩间距确定方法的思路是首选确定抗液化所要求的临界标贯值，然后根据经验公式确定加固后的相对密度，最后根据布桩形式确定桩间距。具体步骤如下：

1）由如下经验公式，根据细粒含量（小于0.075mm的颗粒含量）F_c确定最大孔隙比e_max和最小孔隙比e_min：

$\left.\begin{array}{c}{e}_{\max }=0.02F_c+1.0\\ e_{\min }=0.008F_c+0.6\end{array}\right\}$

2）由下列经验公式计算考虑细粒含量F_c影响的折减系数β，并计算得到地基土抗液化要求达到的标贯击数N₁′：

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\β}=1.05-0.51{\log F}_c\\ {N_1}^{\′}=N_0+(N_1-N_0)/\mathrm{\β}\end{array}\right\}$

式中：N₀为天然地基土的标贯击数。

3）由如下经验公式确定加固后地基土的相对密度D_r，并由此计算得到加固地基土的孔隙比e：

$\left.\begin{array}{c}{D}_r=21\sqrt{{N_1}^{\′}/(0.7+{{\mathrm{\σ}}_v}^{\′})}\\ e=e_{\max }-\frac{D_r}{100}(e_{\max }-e_{\min })\end{array}\right\}$

式中：σ_v′为上覆有效应力，单位100kPa。

4）根据加固后地基土的孔隙比e求得置换率m，从而计算得到碎石桩的桩间距。

振冲碎石桩法已被广泛地应用于处理天然易液化地基。碎石桩抗地震液化的设计主要是桩径和桩间距的确定，由于桩径取决于施工机械设备，因此碎石桩的设计实际上就是如何合理地确定桩间距。目前对于碎石桩复合地基的抗液化效果评价，仍沿用天然地基的液化判别标准，即通过对加固后复合地基的原位测试来评价其抗液化效果，因此通常需要设计若干种不同的桩间距进行试桩，这种以经验为主的设计方法，一则影响工期，二则增加工程投资，造成很大浪费。

目前尚无对碎石桩抗液化功效的定量评价，目前对抗液化碎石桩桩间距的确定只能采用经验的方法。日本地盘工学会及我国建筑抗震设计规范(GB50011-2010)给出的标贯击数与置换率的关系仅考虑了振冲碎石桩的挤密效应和预震效应，未考虑在地震动作用下碎石桩的排水和减震作用，采用该法确定的桩间距偏于安全，造成工程总投资增加。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据原位试验判断地基土的液化程度；其中地基土的液化判别方法采用a、临界标准贯入击数法b、静力触探判别法c、剪切波速法中的一种或几种；

a）临界标准贯入击数法：

当地面下20m范围内饱和砂土和粉土标准贯入击数N_63.5小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值N_cr时，判别为液化土；N_cr按下式计算：

$N_{\mathrm{cr}}=N_0\mathrm{\β}[\ln (0.6d_s+1.5)-{0.1d}_w]\sqrt{3/{\mathrm{\ρ}}_c}$

式中：N₀为液化判别标准贯入锤击数基准值；d_s为饱和土标准贯入点深度；d_w为地下水位；ρ_c为黏粒含量百分率；β为调整系数；

b）静力触探判别法：

当实测计算比贯入阻力p_s或实测计算锥尖阻力q_c小于液化比贯入阻力临界值p_scr或液化锥尖阻力临界值q_ccr时，判别为液化土，并按下列公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{scr}}=p_{s0}{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\α}}_u{\mathrm{\α}}_p\\ q_{\mathrm{ccr}}=q_{c0}{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\α}}_u{\mathrm{\α}}_p\end{array}\right.$

式中： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_w=1-0.065(d_w-2)\\ {\mathrm{\α}}_u=1-0.05(d_u-2)\end{array}\right.,$ p_scr、q_ccr分别为饱和土静力触探液化比贯入阻力临界值和锥尖阻力临界值；p_s0、q_c0分别为地下水深度d_w=2m，上覆非液化土层d_u=2m时，饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值；

c）剪切波速法：

当地面下15m范围内饱和砂土和粉土的剪切波速V小于或等于液化剪切波速临界值V_scr时，判别为液化土；V_scr按下式计算：

$V_{\mathrm{scr}}=V_{\mathrm{so}}\sqrt{d_s-{{0.0133d}_s}^2}\×(1-0.185\frac{d_w}{d_s})\×\sqrt{\frac{3}{{\mathrm{\ρ}}_c}}$

式中：V_scr为饱和砂土或粉土的液化剪切波速临界值;

V_so为与烈度、土类有关的经验系数；

d_s为剪切波速测点深度；

d_w为地下水深度；

ρ_c为粘粒含量的百分率；

（2）确定消除液化需要桩间地基土达到的干密度：

计算N_cr/N_63.5、p_scr/q_c或q_ccr/q_c、V_scr/V的比值，取比值或者其中较大比值为消除液化需要提升的幅值α，设未加固地基土的干密度为γ₀、抗液化能力增幅与桩间土干密度增幅的比值为β，则消除液化要求桩间地基土提高的干密度至少为αρ_d/β，简化表达为ξ，则加固后桩间土的干密度为（1+ξ）γ₀，简化表达为γ；

（3）确定碎石桩桩间距。

所述步骤（3）确定碎石桩桩间距：如果以正三角形布置的碎石桩桩间距，假设打设碎石桩前三角形面积里的土体重量等于打设碎石桩后三角形内阴影部分的重量，即：

$\frac{\sqrt{3}}{4}{L}^2{\mathrm{\γ}}_0=(\frac{\sqrt{3}}{4}{L}^2-\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{8})\mathrm{\γ}$

式中：L为桩间距；d为桩的直径；γ₀为打设碎石桩前地基土的干密度；γ为打设碎石桩后地基土的干密度；

则桩间距L为： $L=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2\sqrt{3}}}{d}_e.$

所述步骤（3）确定碎石桩桩间距：如果以正方形布置的碎石桩桩间距，为：

$m={\left(\frac{d}{d_e}\right)}^2=\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0}{\mathrm{\γ}}$

式中：m为桩土面积置换率；d_e为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；d为桩的直径；

上式变换为：

$d_e=d\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0}}$

当考虑与否振动下沉密实作用时，上式还可变换为：

$d_e=\mathrm{\ηd}\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0}}$

式中：η为修正系数，当考虑振动下沉密实作用时，可取1.1～1.2；不考虑振动下沉密实作用时，取1.0；

则桩间距L为： $L=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}{d}_e.$

有益效果：本发明提供的确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法，根据打设碎石桩前后地基土的现场原位测试、室内试验及有限元数值分析成果的对比分析，给出了碎石桩抗液化功效的提升幅度，全面考虑碎石桩的挤密效应、预震效应、排水减压作用和减震作用等四方面的功效，在此基础上科学合理的提出了抗液化碎石桩桩间距的设计方法，可有效缩短工期、降低工程投资；根据打设碎石桩前后的地基土剪切波速试验结果、CPT试验结果、SPT试验结果、动强度试验结果及有限元数值分析结果的对比分析，提出了地基土抗液化能力的提高幅值与干密度提高幅值的相关关系，从而基于挤密效应科学合理的提出了碎石桩桩间距的设计方法，本发明虽基于挤密效应提出，但间接反映了振冲碎石桩其它方面的功效。1、全面考虑了碎石桩的挤密效应、预震效应、排水减压作用和减震作用等四方面的抗液化功效，并据此提出了地基土抗液化能力的提高幅值与干密度提高幅值的相关关系，具有理论上的合理性。2、通过采用剪切波速、CPT、SPT这三种比较成熟的现场测试手段来确定地基土的抗液化势，并根据上述相关关系确定加固后桩间土的干密度，具有较强的工程应用价值。3、基于挤密效应提出了碎石桩的桩间距确定方法，概念清晰，易于理解，可为碎石桩方案的优化设计提供技术依据。

附图说明

图1为正三角形布置碎石桩桩间距的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明以某220千伏变电站地基场地的试桩区为依托工程，振冲碎石桩的有效桩径0.9m、桩距2m、桩长10.5m，等边三角形布置。

碎石桩桩间距的确定方法分为三步：根据原位试验判断地基土的液化程度、确定消除液化需要桩间地基土达到的干密度、确定碎石桩的桩间距。具体介绍如下：

（1）根据原位试验判断地基土的液化程度：其中地基土的液化判别方法可采用如下三种方法或其中的某一种；

1）临界标准贯入击数法：

当地面下20m范围内饱和砂土和粉土标准贯入击数N_63.5（未经杆长修正）小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值N_cr时，判为液化土；N_cr按下式计算：

$N_{\mathrm{cr}}=N_0\mathrm{\β}[\ln (0.6d_s+1.5)-{0.1d}_w]\sqrt{3/{\mathrm{\ρ}}_c}$

式中：N₀为液化判别标准贯入锤击数基准值，见表1所示；

d_s为饱和土标准贯入点深度（m）；

d_w为地下水位（m）；

ρ_c为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；

β为调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05；

表1液化判别标准贯入锤击数基准值N₀

设计地震加速度(g)	0.10	0.15	0.20	0.30	0.40
						N0	7	10	12	16	19

2）静力触探判别法

当实测计算比贯入阻力p_s或实测计算锥尖阻力q_c小于液化比贯入阻力临界值p_scr或液化锥尖阻力临界值q_ccr时，判别为液化土，并按下列公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{scr}}=p_{s0}{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\α}}_u{\mathrm{\α}}_p\\ q_{\mathrm{ccr}}=q_{c0}{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\α}}_u{\mathrm{\α}}_p\end{array}\right.$

式中： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_w=1-0.065(d_w-2)\\ {\mathrm{\α}}_u=1-0.05(d_u-2)\end{array}\right.,$

p_scr、q_ccr分别为饱和土静力触探液化比贯入阻力临界值和锥尖阻力临界值（MPa）；

p_s0、q_c0分别为地下水深度d_w=2m，上覆非液化土层d_u=2m时，饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值（MPa），按表2取值；

α_w为地下水位埋深修正系数，地面常年有水且与地下水有水力联系时，取1.13；

α_u为上覆非液化土层厚度修正系数，对深基础，取1.0；

α_p为与静力触探摩阻比有关的土性修正系数，按表3取值；

d_w地下水位深度（m）；

d_u为上覆非液化土层厚度修正系数，计算时应将淤泥和淤泥质土层厚度扣除；

表2比贯入阻力和锥尖阻力基准值p_s0、q_c0

抗震设防烈度	7度	8度	9度
				ps0	5.0～6.0	11.5～13.0	18.0～20.0
qc0	4.6～5.5	10.5～11.8	16.4～18.2

表3土性修正系数α_p值

3）剪切波速法：

当地面下15m范围内饱和砂土和粉土的剪切波速V小于或等于液化剪切波速临界值V_scr时，判为液化土。V_scr可按下式计算：

$V_{\mathrm{scr}}=V_{\mathrm{so}}\sqrt{d_s-{{0.0133d}_s}^2}\×(1-0.185\frac{d_w}{d_s})\×\sqrt{\frac{3}{{\mathrm{\ρ}}_c}}$

式中：V_scr为饱和砂土或粉土的液化剪切波速临界值（m/s）;

V_so为与烈度、土类有关的经验系数，可按表4取值；

d_s为剪切波速测点深度（m）；

d_w为地下水深度（m）；

ρ_c为粘粒含量的百分率。

表4与烈度、土类有关的经验系数

（2）确定消除液化需要桩间地基土达到的干密度：

N_cr/N_63.5、p_scr/q_c（q_ccr/q_c）、V_scr/V的比值（取三者中的大值）即为消除液化需要提升的幅值α，设未加固地基土的干密度为γ₀、抗液化能力增幅与桩间土干密度增幅的比值为β，则消除液化要求桩间地基土提高的干密度至少为αρ_d/β，简化表达为ξ，则加固后桩间土的干密度为（1+ξ）γ₀，简化表达为γ；

（3）确定碎石桩桩间距

以正三角形布置为例，如图1所示；

假设打设碎石桩前三角形面积里的土体重量等于打设碎石桩后三角形内阴影部分的重量，即：

$\frac{\sqrt{3}}{4}{L}^2{\mathrm{\γ}}_0=(\frac{\sqrt{3}}{4}{L}^2-\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{8})\mathrm{\γ}$

式中：L为桩间距；d为桩的直径；γ₀为打设碎石桩前地基土的干密度；γ为打设碎石桩后地基土的干密度；

同理可求得正方形布置的桩间距，统一写为：

$m={\left(\frac{d}{d_e}\right)}^2=\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0}{\mathrm{\γ}}$

式中：m为桩土面积置换率；d_e为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；d为桩的直径。

上式可改写为：

$d_e=d\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0}}$

当考虑与否振动下沉密实作用时，上式可改写为：

$d_e=\mathrm{\ηd}\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0}}$

式中：η为修正系数，当考虑振动下沉密实作用时，可取1.1～1.2；不考虑振动下沉密实作用时，取1.0。

则桩间距L为：

正方形布置： $L=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}{d}_e$

三角形布置： $L=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2\sqrt{3}}}{d}_e$

本发明虽基于挤密效应提出，但间接反映了振冲碎石桩其它方面的功效。1、全面考虑了碎石桩的挤密效应、预震效应、排水减压作用和减震作用等四方面的抗液化功效，并据此提出了地基土抗液化能力的提高幅值与干密度提高幅值的相关关系，具有理论上的合理性。2、通过采用剪切波速、CPT、SPT这三种比较成熟的现场测试手段来确定地基土的抗液化势，并根据上述相关关系确定加固后桩间土的干密度，具有较强的工程应用价值。3、基于挤密效应提出了碎石桩的桩间距确定方法，概念清晰，易于理解，可为碎石桩方案的优化设计提供技术依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据原位试验判断地基土的液化程度；其中地基土的液化判别方法采用a、临界标准贯入击数法b、静力触探判别法c、剪切波速法中的一种或几种；

a）临界标准贯入击数法：

当地面下20m范围内饱和砂土和粉土标准贯入击数N_63.5小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值N_cr时，判别为液化土；N_cr按下式计算：

$N_{\mathrm{cr}}=N_0\mathrm{\β}[\ln (0.6d_s+1.5)-{0.1d}_w]\sqrt{3/{\mathrm{\ρ}}_c}$

式中：N₀为液化判别标准贯入锤击数基准值；d_s为饱和土标准贯入点深度；d_w为地下水位；ρ_c为黏粒含量百分率；β为调整系数；

b）静力触探判别法：

当实测计算比贯入阻力p_s或实测计算锥尖阻力q_c小于液化比贯入阻力临界值p_scr或液化锥尖阻力临界值q_ccr时，判别为液化土，并按下列公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{scr}}=p_{s0}{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\α}}_u{\mathrm{\α}}_p\\ q_{\mathrm{ccr}}=q_{c0}{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\α}}_u{\mathrm{\α}}_p\end{array}\right.$

式中： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_w=1-0.065(d_w-2)\\ {\mathrm{\α}}_u=1-0.05(d_u-2)\end{array}\right.,$ p_scr、q_ccr分别为饱和土静力触探液化比贯入阻力临界值和锥尖阻力临界值；p_s0、q_c0分别为地下水深度d_w=2m，上覆非液化土层d_u=2m时，饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值；

c）剪切波速法：

当地面下15m范围内饱和砂土和粉土的剪切波速V小于或等于液化剪切波速临界值V_scr时，判别为液化土；V_scr按下式计算：

$V_{\mathrm{scr}}=V_{\mathrm{so}}\sqrt{d_s-{{0.0133d}_s}^2}\×(1-0.185\frac{d_w}{d_s})\×\sqrt{\frac{3}{{\mathrm{\ρ}}_c}}$

式中：V_scr为饱和砂土或粉土的液化剪切波速临界值;

V_so为与烈度、土类有关的经验系数；

d_s为剪切波速测点深度；

d_w为地下水深度；

ρ_c为粘粒含量的百分率；

（2）确定消除液化需要桩间地基土达到的干密度：

计算N_cr/N_63.5、p_scr/q_c或q_ccr/q_c、V_scr/V的比值，取比值或者其中较大比值为消除液化需要提升的幅值α，设未加固地基土的干密度为γ₀、抗液化能力增幅与桩间土干密度增幅的比值为β，则消除液化要求桩间地基土提高的干密度至少为αρ_d/β，简化表达为ξ，则加固后桩间土的干密度为（1+ξ）γ₀，简化表达为γ；

（3）确定碎石桩桩间距。

2.根据权利要求1所述的确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法，其特征在于：所述步骤（3）确定碎石桩桩间距：如果以正三角形布置的碎石桩桩间距，假设打设碎石桩前三角形面积里的土体重量等于打设碎石桩后三角形内阴影部分的重量，即：

$\frac{\sqrt{3}}{4}{L}^2{\mathrm{\γ}}_0=(\frac{\sqrt{3}}{4}{L}^2-\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{8})\mathrm{\γ}$

式中：L为桩间距；d为桩的直径；γ₀为打设碎石桩前地基土的干密度；γ为打设碎石桩后地基土的干密度；

则桩间距L为： $L=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2\sqrt{3}}}{d}_e.$

3.根据权利要求1所述的确定抗液化振冲碎石桩桩间距的方法，其特征在于：所述步骤（3）确定碎石桩桩间距：如果以正方形布置的碎石桩桩间距，为：

$m={\left(\frac{d}{d_e}\right)}^2=\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0}{\mathrm{\γ}}$

式中：m为桩土面积置换率；d_e为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；d为桩的直径；

上式变换为：

$d_e=d\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0}}$

当考虑与否振动下沉密实作用时，上式还可变换为：

$d_e=\mathrm{\ηd}\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0}}$

式中：η为修正系数；

则桩间距L为： $L=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}{d}_e.$