一种既有建构筑物地基高性能碎石桩抗液化处理方法

摘要

本发明公开了一种既有建构筑物地基高性能碎石桩抗液化处理方法。具体的是通过小型设备在既有建构筑物周围地基开挖沟槽；然后利用螺旋钻孔在沟槽内按照经设计优化的钻孔布局施工一系列钻孔；接着将经渗透性和反滤级配设计的碎石填入钻孔内，然后重新复打填入另一种级配优化的砾石，二者构成反滤层；最后在沟槽周围铺设土工布并利用级配碎石将沟槽填满。与现有的既有建构筑物地基抗液化处理方式相比，本发明具有适用于密集城市建筑群的地基抗液化处理、对地基和上部建筑施工扰动小、施工工艺简单、施工效率高、施工材料易得，费用低，长期服役性能好等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地基抗液化处理方法，属于建筑抗震领域，具体涉及了一种对既有建构筑物下易液化地基加固处理的方法。

背景技术

我国地处世界两大地震带(环太平洋地震带和欧亚地震带)的交汇处，是世界上地震灾害最严重的国家之一。据统计，7度以上的高烈度区覆盖了1/2的国土，其中包括23个省会城市和2/3的百万以上人口大城市。全球破坏性地震的震害调查表明，大量灾害现象与岩土工程问题密切相关，其中最突出的是砂土的液化现象。

饱和砂土地震液化的机理是：当疏松砂层受到地震作用时，砂体有变密的趋势，饱和砂的孔隙内充满孔隙水，砂土要变密实必须从孔隙水中排挤出一定的水分，地震时瞬时震动变形需要从孔隙中排除的水来不及排出砂体之外，那么砂土中孔隙水压就会上升；孔隙水压上升会导致颗粒之间的有效力下降，当砂粒间有效正应力降为零时，砂土颗粒就会完全悬浮在水中，表现出流体的性质，此时砂土即完全丧失了强度和承载力，这个过程即砂土液化。当地震载荷消失后，孔隙水压力会在渗流的作用下逐步消散，砂土又逐渐恢复原有强度。地震作用下可液化土体孔隙水压升高无法避免，增加可液化地基的排水性能从而使产生的孔隙水压力迅速消散，使土体迅速恢复原有刚度与强度，是有效减少砂土液化破坏的方法。碎石桩法便是其中之一。

碎石桩是在用振动、冲击或水冲等方式在软弱或可液化地基中成孔后，将碎石挤压入已成的孔中，形成密实的碎石桩体；桩体与周围土共同工作，形成复合地基。有碎石桩材料相比地基土体渗透性很大，故可以使地基中产生的超孔压迅速消散。但是目前规范设计方法，如我国《建筑地基处理方法规范》(JGJ79-2012)，对碎石桩设计方法的规定只是针对碎石桩挤密桩周土体从而达到抗液化的目的。并没有考虑碎石桩能够加快土体地震时超孔压消散的作用；基于此，现场碎石桩施工时采用垂直形式的碎石桩，并未提出倾斜碎石桩的设计概念。进一步的，包括中国、美国和日本规范中对碎石桩的设计方法只是针对没有建构筑物的自由场地条件，并没有给出既有建构筑物场地条件下碎石桩设计方法的描述。提出既有建构筑物场地，特别是密集城市建筑群场地的碎石桩地基处理方法措施，是国家战略“建设韧性城乡”中城市抗震设计的重要方面。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种既有建构筑物地基高性能碎石桩抗液化处理方法，主要考虑碎石桩抗液化技术的加速排水效应，可以解决既有建构筑物场地的场地抗液化技术难题。

本发明采用的技术方案如下：

首先在既有建构筑物的基础周围布设沟槽，接着在沟槽内布置钻孔，钻孔底端达到可液化地基土之下，并且将经过优化设计的砾石材料按照一定施工方式填入钻孔和沟槽中形成透水性良好的碎石桩复合地基，从而实现对既有建构筑物的抗液化保护。

所述的钻孔可以为多个，多个钻孔沿沟槽间隔均布布置。

这样在所述的沟槽底部和所述的钻孔顶部通过碎石填料形成透水性良好的竖向排水通道，使得可液化地基土中的水能渗透到达沟槽和钻孔中，形成对既有建构筑物及其基础的承载和保护。

所述的砾石材料为碎石。

所述的沟槽的开挖深度需要超过既有建构筑物的地基的深度。

所述的沟槽为长条形沟渠，沟槽布置在所保护的既有建构筑物的基础周围，但不布置在与所保护的既有建构筑物相邻的其他既有建构筑物的基础周围。沟槽在既有建构筑物周围的分布形式具体根据所保护的既有建构筑物周围的其他建构筑物情况和地下管线分布进行设计。

所述的钻孔在沟槽内施工：钻孔的直径选择为50-80cm；钻孔间距不大于4.5倍钻孔打桩的桩径；钻孔穿过可液化地基土但钻孔深度不大于15m。

所述的钻孔设计为与地面垂直的垂直钻孔或者与地面不垂直且钻孔沿深度向所保护的既有建构筑物倾斜的倾斜钻孔，或者为垂直钻孔和倾斜钻孔相结合的形式。

所述的倾斜钻孔的轴向与水平地面夹角大于60度。

所述钻孔和沟槽的施工和填料具体为：先使用钻孔机用较粗的钻杆在沟槽内按照设计的钻孔直径和深度进行第一次钻入打孔形成第一钻孔，再将经过粒径设计优化的第一层填料分层填入第一钻孔，并分层振捣压实直至填料填满钻孔；接着使用钻孔机更换用较细的钻杆在相同的钻孔中对填满的第一层填料进行第二次钻入打孔形成第二钻孔，再将经过粒径设计优化的第二层填料填入第二钻孔；然后再使用钻孔机更换用更细的钻杆在相同的钻孔中对填满的第二层填料进行第三次钻入打孔形成第三钻孔，再将经过粒径设计优化的第三层填料填入第三钻孔；第一层填料、第二层填料和第三层填料均采用碎石，第一层填料、第二层填料、第三层填料的碎石粒径依次增大，最终形成内中外三层碎石桩；并且在沟槽中填充填满上述第三层填料。

第一层填料、第二层填料、第三层填料的碎石的粒径根据下式确定：

1)进行第一层填料计时公式如下：

上式中：C_u1为外层第一层碎石的不均匀系数，k₀和k₁分别为地基土和外层第一层碎石材料的渗透系数，d₁₀、d₁₅、d₆₀和d₈₅是指地基土的粒径取小于该地基土粒径的地基土重量占地基土总重的10％、15％、60％和85％的地基土粒径；D₁₀、D₁₅是指外层第一层填料的取小于该碎石粒径的地基土重量占地基土总重的10％和15％的碎石粒径；

2)进行第二层填料设计时公式如下：

上式中：C_u2为碎石材料的不均匀系数，k₂为第二层碎石材料的渗透系数，Z₁₀、Z₁₅是指外层第一层填料的取小于该碎石粒径的地基土重量占地基土总重的10％和15％的碎石粒径；

3)进行第三层填料设计时公式如下：

上式中：C_u3为碎石材料的不均匀系数，k₃为第三层碎石材料的渗透系数，Y₁₀、Y₁₅是指外层第一层填料的取小于该碎石粒径的地基土重量占地基土总重的10％和15％的碎石粒径。

为了有效发挥反滤层防止地基土渗入的目的，第一层填料以地基土可液化层为保护土体确定级配，第二层填料以第一层填料为保护土体确定级配，第三层填料以第二层填料为保护土体确定级配，依次类推。本发明实际工程中2-3层反滤层填料设计即可保证排水通道不被淤堵。

在所述沟槽的底部和侧面均铺设土工织物，然后再铺设碎石的第一、第二、第三层填料。

具体的是通过小型设备在既有建构筑物周围地基开挖沟槽；然后利用螺旋钻孔在沟槽内按照经设计优化的钻孔布局施工一系列钻孔；接着将经渗透性和反滤级配设计的碎石填入钻孔内，然后重新复打填入另一种级配优化的砾石，二者构成反滤层；最后将基础扩大，在沟槽周围铺设土工布并利用级配碎石将沟槽填满。

本发明的有益效果是：

1)本设计方法首次提出基于既有建构筑物场地的碎石桩抗液化地基处理方法，为既有建筑的密集城市建筑群地基处理提供了新的思路和解决方案；

2)本设计方法首次提出倾斜钻孔形式，倾斜钻孔可以倾斜如既有建构筑物正下方，加速地震期间建构筑物正下方超孔隙水压力的消散；

3)本设计方法首次提出多次钻孔填料的碎石桩施工方法，这样得到的碎石桩既具有加速排水的功能，又具有反滤层防止淤堵的功能，服役期比较长；

4)本设计方法基于土力学原理得到碎石桩填料级配的确定方法；且填料为简单易得的级配碎石，材料成本低；

5)本设计方法在现场施工时利用小型机械或人工施工，所需施工空间小，施工噪音少，对上部建筑及其基础扰动，适用于建构筑物密集的市区内进行。

与现有的既有建构筑物地基抗液化处理方式相比，本发明具有对地基和上部建筑施工扰动小、施工工艺简单、适用范围广、施工效率高、施工材料易得，费用低，长期服役性能好等优点。

附图说明

图1是垂直钻孔和倾斜钻孔组合方案剖面图；

图2是垂直钻孔典型方案剖面图；

图3是设计方案俯视图；

图4是考虑不同建构筑物场地沟槽布置示意图；

图5是三次钻孔填料施工法过程图；

图6时三次钻孔填料施工法钻孔俯视图；

图中：1，保护的既有建构筑物；2，既有建构筑物的周围地基；3，沟槽；4，倾斜钻孔；5，垂直钻孔；6，可液化地基土；7，第一层填料；8，第二层填料；9，第三层填料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应该理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

具体实施中，如图1和图2所示，根据既有建构筑物勘察资料首先在既有建构筑物1的基础2周围布设沟槽3，沟槽3紧密环绕基础2，如图3所示，接着在沟槽3内布置钻孔4/5，钻孔4/5底端达到可液化地基土6之下，并且将经过优化设计的碎石填料按照一定施工方式填入钻孔4/5和沟槽3中形成透水性良好的碎石桩复合地基，从而实现对既有建构筑物1的抗液化保护。

沟槽3开挖宽度设计参数需要和现场施工空间和施工设备相适应。由于既有建构筑物旁施工空间小只能选择较小的施工机械设备如小型挖掘机，优选的，沟槽宽度设计为50-100cm。具体实施中，沟槽3的开挖深度超过既有建构筑物1的地基2的深度，优选的，超深选择30-50cm。

沟槽3为长条形沟渠，沟槽3布置在所保护的既有建构筑物1的基础2周围，但不布置在与所保护的既有建构筑物1相邻的其他既有建构筑物1的基础2周围。

如图4所示，沟槽3在既有建构筑物周围的布置形式根据周围建构筑物邻近情况确定，主要原则是加快地震时超孔隙水压力的消散，可以设计成如图4所示的四周环绕型、三边型、两边型或者单边型的四种形式。

钻孔4/5在沟槽3内施工：钻孔4/5的直径根据碎石桩施工规范一般取30-80cm和考虑本设计方法特殊钻孔碎石填料方式选择为50-80cm；钻孔4/5间距根据地基2排水量计算，且不大于4.5倍钻孔打桩的桩径；钻孔4/5穿过可液化地基土6但钻孔4/5深度不大于15m。

如图1和图2所示，钻孔4/5设计为与地面垂直的垂直钻孔5或者与地面不垂直且钻孔沿深度向所保护的既有建构筑物1倾斜的倾斜钻孔4，或者为垂直钻孔5和倾斜钻孔4相结合的形式。

倾斜钻孔4的轴向与水平地面夹角大于60度，优选的选择75度。

如图5所示，钻孔4/5和沟槽3的施工和填料进行多次钻孔填料法，采用三次具体为：

1)先使用钻孔机用较粗的钻杆在沟槽3内按照设计的钻孔直径和深度进行第一次钻入打孔形成第一钻孔，再将第一层填料分层填入第一钻孔，并分层振捣压实直至填料填满钻孔；

2)接着使用钻孔机更换用较细的钻杆在相同的钻孔中对填满的第一层填料进行第二次钻入打孔形成第二钻孔，再将第二层填料填入第二钻孔；

3)然后再使用钻孔机更换用更细的钻杆在相同的钻孔中对填满的第二层填料进行第三次钻入打孔形成第三钻孔，再将第三层填料填入第三钻孔。

上述过程中，第一层填料、第二层填料和第三层填料均采用碎石，如图6所示，第一层填料、第二层填料、第三层填料的碎石粒径依次增大，即使得从内到外的碎石的粒径依次减小，最终形成内中外三层碎石桩，施工成型的碎石桩为同心圆柱和圆环柱形状；并且在沟槽3中填充填满上述第三层填料。

第一层～第三层填料形成分层填料，具体采用为级配碎石，经过优化设计不仅具有高渗透性，同时还能起到反滤层的作用即防止地基土体随超孔隙水进入碎石桩体而淤堵排水通道。

并且，第一层填料、第二层填料、第三层填料的碎石的粒径根据下式确定：

1)进行第一层填料计时公式如下：

上式中：C_u1为外层第一层碎石的不均匀系数，k₀和k₁分别为地基土和外层第一层碎石材料的渗透系数，d₁₀、d₁₅、d₆₀和d₈₅是指地基土的粒径取小于该地基土粒径的地基土重量占地基土总重的10％、15％、60％和85％的地基土粒径，即例如d₁₀表示指小于地基土粒径d₁₀的地基土重量应占地基土总重的10％；D₁₀、D₁₅是指外层第一层填料的取小于该碎石粒径的地基土重量占地基土总重的10％和15％的碎石粒径，即例如D₁₀表示指小于碎石粒径D₁₀的碎石重量应占碎石总重的10％；

2)进行第二层填料设计时公式如下：

上式中：C_u2为碎石材料的不均匀系数，k₂为第二层碎石材料的渗透系数，Z₁₀、Z₁₅是指外层第一层填料的取小于该碎石粒径的地基土重量占地基土总重的10％和15％的碎石粒径，即例如Z₁₀表示指小于碎石粒径D₁₀的碎石重量应占碎石总重的10％；

3)进行第三层填料设计时公式如下：

上式中：C_u3为碎石材料的不均匀系数，k₃为第三层碎石材料的渗透系数，Y₁₀、Y₁₅是指外层第一层填料的取小于该碎石粒径的地基土重量占地基土总重的10％和15％的碎石粒径，即例如Y₁₀表示指小于碎石粒径D₁₀的碎石重量应占碎石总重的10％。

这样，钻孔内部形成内圈粒径较大的碎石桩和外圈粒径较小的碎石桩，使得钻孔内部的最外层和最里层的碎石桩结构形成反滤层，对外部较细的土体进行过滤阻挡，使得外侧的地基土不进入钻孔内，仅让超孔隙水渗透进入。

在沟槽3的底部和侧面均铺设土工织物，然后再铺设级配碎石的第一、第二、第三层填料，能防止地基土颗粒堵塞沟槽的砾石层排水通道。

进一步的，在沟槽内填充级配砾石时要分层填充，优选的，每层厚度控制在20cm以内，每层装填完要压实，直至填充到与建构筑物基础同一水平的位置。

并且，具体实施中，碎石桩和排水实施步骤如下：

1)根据标准贯入基数N和场地可能遭受的地震剪应力水平确定最大残余体应变(ε_vr)_max，采用以下公式将最大残余体应变乘以竖向沉降修正系数Cs得到残余沉降量ε_vr：

ε_vr＝C_s×(ε_vr)_max

具体实施中竖向沉降修正系数C_s取值0.84。

2)采用以下公式获得地震荷载作用下可液化地基土6(可液化层)的体积变化量V1为：

V1＝L1×L2×T×ε_vr

其中，L1和L2表示所保护的既有建构筑物的长和宽，T表示所保护的既有建构筑物正下方的可液化地基土6的厚度；

3)采用以下公式获得单位时间的碎石桩排水量为q2：

V2＝n1×V1

q2＝V2/t

其中，t表示地震产生的超孔压需要消散完的时间；n1表示根据沟槽布置形式确定的参数，具体实施取为4-9；V2表示碎石桩总排水量；

根据沟槽布置形式确定的参数n1根据沟槽在既有建构筑物周围的布置形式确定，四周环绕型、三边型、两边型或者单边型形式，通过碎石桩排水总量V2分别为V1的9倍、6倍、6倍和4倍，对应的n1分别取9、6、6和4。

4)地震过程中可液化砂层发生液化，采用以下公式计算获得碎石桩竖向水利梯度i为：

其中，H表示可液化地基土6的埋深，γ表示上覆土层的平均有效重度，γ_w表示水的重度，一般取10kN/m3；

5)地震过程中产生的超孔隙水全部由碎石桩与可液化地基土6界面排出，该界面面积S为圆柱的侧面积，碎石桩的渗透系数k根据以下公式计算得到：

S＝2πrT

k>＝q2/S/n2/i

其中，r表示碎石桩半径，n2表示碎石桩的根数，S表示碎石桩与可液化地基土6之间的界面面积；

6)钻孔直径设定为50-80cm，根据上述公式带入钻孔直径参数计算并取最大整数获得钻孔个数，如计算结果为14.2，则钻孔数取整数为15；

由此确定碎石材料的渗透系数、钻孔直径以及钻孔个数进行施工。

钻孔布设时，最重要的参数是钻孔直径、钻孔间距以及钻孔深度。目前现场碎石桩施工规范中桩径一般取30-80cm，考虑到本设计方法需要采用多次钻孔填料的施工工艺，在目前碎石桩桩径基础上增加20cm，优选为50-80cm；钻孔间距根据后面可液化地基排水量计算得到，且不大于4.5倍桩径；钻孔深度要穿过可液化层深度，这样可液化层在地震作用下累积的超孔压可以通过桩体迅速排出，钻孔深度不大于15m。

本发明的具体实施例及其实施过程如下：

假设某既有建构筑物所在地区的抗震设防水平等级为0.25g，既有建构筑物下的可液化土层的标准贯入基数为N＝10，通过附图1可以得到最大残余体应变(ε_vr)_max＝4％；

从而可以计算得到残余沉降量ε_vr，Cs取值0.84；

ε_vr＝C_s×(ε_vr)_max＝0.84*4％＝0.336

假设可液化地基厚度为1m，既有建构筑物的长和宽分别如附图3所示，假设均为4m，则可求得地震荷载作用下可液化层的体积变化量V1为：

V1＝L1×L2×T×ε_vr＝4×4×1×0.336＝5.376m³

假设沟槽在既有建构筑物周围的布置形式为四周环绕型，得到n1＝9，则可以确定碎石桩总排水量V2；假设地震产生的超孔压需要在30min时间内消散完，则单位时间碎石桩排水量为q2计算得到：

V2＝n1×V1＝48.384m³

q2＝V2/t＝48.384/30/60＝0.02688m³/s

假设可液化砂层在地震过程中发生液化，上覆土层的平均有效重度为γ＝20kN/m³，水的重度为取10kN/m3，则根据达西定律可以求得碎石桩竖向水利梯度i为：

地震过程中产生的超孔隙水全部由碎石桩与可液化砂层界面排出，该界面为圆柱的侧面积，假设碎石桩半径为r，则该面积S计算得到；

S＝2πrT＝2*3.14*r*1＝6.28r

假设碎石桩共有n2根，则碎石桩的渗透系数k根据(10)式计算得到为：

k*r*n2>＝4.28e-3

一般来说，地基土可液化层的渗透系数在1e-5m/s～1e-6m/s之间，这里取5e-6m/s，则碎石填料的渗透系数假设为地基土的200倍，则k＝0.001m/s，得到；

r*n2>＝4.28

具体实施取碎石桩半径为0.6m，则得到：

n2>＝4.28/0.6＝7.13(根)

这里取8根。

即对于此实施例中所述的场地条件，四周环绕型构造布置形式，每边沟槽中设置2根碎石桩，桩间距取2m。

对于碎石材料，孔隙比e一般在0.4-0.6之间，这里取0.5，根据下式

计算得到第一层填料的D10＝0.447，第一层填料的其他参数如D₆₀、Cu等按照上述相应公式计算得到。计算第二层填料的参数时，将第一层填料当做保护土体进行设计；同样的，计算第三层填料的参数时，将第二层填料当做保护土体进行设计。