气动振杆密实法处理软黏土层和液化土层交互地基的方法

本发明涉及一种气动振杆密实法处理软黏土层和液化土层交互地基的方法，属于地基处理方法的技术领域。

背景技术：

我国江苏省的东部沿海地区，受地质营力影响，自晚更新世开始地面下沉，接受海侵，以后几度上升、下降，致沉积层海陆相交互，岩性上反映为粉砂与粉质黏土互层，并发育有淤泥质土存在，形成了液化土与软黏土交互的特殊地基。其中，饱和粉砂处于松散状态，标贯击数低，工程地质性质较差，易在动荷载（地震）作用下产生液化现象从而危及建筑物的正常使用与安全，而软黏土层天然孔隙比较大，力学指标强度低且触变性大、压缩性高，易在上覆荷载作用下产生持续沉降。软黏土和液化土在不同荷载和外力作用下会产生不同受力状态和变形，二者互相嵌入、交互形成的特殊地基在进行处理时就必须同时考虑两种土的病害处理问题。

专利号为zl200910185349.6，名称为“液化土层与软土互层的地基处理方法”的专利技术，主要采用双向搅拌变截面桩和挤密砂桩联合施工，这种处理技术需要先在软土层中施工双向搅拌变截面桩，再在液化土层中施工挤密砂桩，存在步骤复杂、综合造价高和施工工期长等缺点。

而目前使用较为广泛的振杆密实法，采用振动锤向土中沉入特制振杆，利用振动锤-振杆-土系统处于共振状态时的振动放大效应，实现振动能量向周围土体的有效传递，待超孔压消散后可提高土体密实度并改善其抗液化性能。由于振杆密实法在施工时无需额外填料，经济效益显著，施工便捷且加固效果好，在我国东部沿海液化地基处理中得到了广泛应用。但是，对于软黏土层和液化土层交互地基，软黏土的低渗透性会阻碍振密过程中孔隙水的排出从而影响振杆密实法的加固效果。这也成为了传统振杆密实法在液化地基处理领域应用的重要阻碍。

技术实现要素：

本发明提供一种气动振杆密实法处理软黏土层和液化土层交互地基的方法，利用共振密实效应以及高压喷气相结合的方法，实现了对交互地基的处理，显著提高了工程效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种气动振杆密实法处理软黏土层和液化土层交互地基的方法，包括以下步骤：

第一步，根据勘察资料，确定待处理场地液化土层和软黏土层所处深度；

第二步，将待处理场地整平，进行若干振点定位，根据振点分布情况打设塑料排水板，塑料排水板打设深度应超过软黏土层层底所在深度；

第三步，桩机定位，将桩机运送至待处理场地，竖起导向架并通过三角支撑杆固定，利用吊机吊起振杆与固定在导向架上的振动锤通过振杆顶端的法兰盘连接，实现振杆的固定，通过调节液压装置移动导向架，将振杆移至指定振点位置上方；

第四步，共振下沉，启动振动锤，调节其振动频率，使得振动锤-振杆-地基土系统处于共振状态，在该共振状态下产生的振动放大效应可实现振动能量向振点周围土层的有效传递，引起振杆周围土层局部液化的同时方便沉杆；

第五步，高压喷气，待振杆下沉至软黏土层层顶所处深度时，打开气阀，通过位于振杆底端的喷气口对待处理场地进行高压喷气；

第六步，振孔留振，振杆继续下沉，当振杆下沉至预设处理深度时，关闭气阀，进行留振；

第七步，振动提杆，启动桩机，将处于振动状态的振杆向上方提升，逐渐脱离硬土层、液化土层至黏土层层底时，重新打开气阀进行喷气，控制振杆继续提升，直至振杆至待处理场地地表，此时关闭振动锤和气阀，结束此振点位置的施工，重复上述步骤，进行下一个振点处理；

作为本发明的进一步优选，若干振点以正三角形进行排布，在三角形的三点几何中心布设塑料排水板；

作为本发明的进一步优选，若干振点以正方形进行排布，在正方形的四点几何中心布设塑料排水板；

作为本发明的进一步优选，若干塑料排水板通过排水沟形成连通，排水沟的两端与位于待处理场地周围的边沟相接；

作为本发明的进一步优选，第四步以及第六步中，振动锤的振动频率范围为12hz-20hz；

在第七步中，振动锤的振动频率范围为22hz-28hz；

作为本发明的进一步优选，第五步中，振杆底端喷气口的喷气压力范围为0.1mpa-0.8mpa；

作为本发明的进一步优选，第六步中，振杆的下沉速度范围为1.0m/min-1.5m/min。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明针对传统振杆密实法在处理软黏土层与液化土层交互地基时加固效果不佳的工程难点，通过调节振动锤频率使得振动锤-振杆-待处理场地土系统处于共振状态实现振动能量向振杆周围土体的有效传递，从而消除液化土层的液化性；

2、本发明在振杆下沉至软黏土层时辅以高压喷气可增大土层裂隙，从而促进振动荷载引起的土中超静孔压消散，配合塑料排水板可以加速液化土层和软黏土层的排水固结过程，提高软黏土层的承载力并减小工后沉降；

3、本发明在对软黏土层与液化土层交互地基进行处理时，无需额外添加碎石、灌砂料等填料，经济效益显著，且施工方法简单、工程效率高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的气动振杆密实法处理软黏土层与液化土层交互地基的操作方法流程图；

图2是本发明提供的塑料排水板布置示意图。

图中：1为液化土层，2为软黏土层，3为硬土层，4为桩机，5为振动锤，6为振杆，7为喷气口，8为塑料排水板。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如背景技术陈述的，本申请基于的技术支持是振杆密实法，然后基于振杆密实法处理液化地基的基本原理，叠加高压喷气，从而能够达到本申请的目的，在获得处理场地土层密实的同时，进一步加深密实效果；

也就是说，本申请的处理方法大概分成两个部分，一个是振杆密实法处理液化地基，此方法将杆件以振动的方式沉入土中，在沉杆过程中，振动能量主要以垂直偏振波的形式沿杆身向周围土层传递，引起饱和松散砂土强烈振动导致杆周围土中孔压突然升高，土体处于循环流动状态而发生液化，然后在自重应力作用下固结沉降达到密实状态，在沉杆过程中，通过调整振动锤5使得振动锤-振杆-地基土系统达到共振状态，此时产生的振动放大效应能让振动能量以最佳的方式传递到周围土体，从而实现土体的有效密实；但是仅仅依靠振杆密实法只能在初步实现待处理场地液化地基的密实，因此本申请为了进一步加强密实效果，继续采用第二个高压喷气的方式，与振杆密实法相结合，保证处理效果。

具体的，本申请提供图1所示的一种气动振杆密实法处理软黏土层和液化土层交互地基的方法，包括以下步骤：

第一步，根据勘察资料，确定待处理场地液化土层1和软黏土层2所处深度，图1可知，本申请针对的实施例中，土层的分布从上至下为液化土层、软黏土层、液化土层以及硬土层3。

第二步，将待处理场地整平，进行若干振点定位，根据振点分布情况打设塑料排水板8，塑料排水板打设深度应超过软黏土层所在深度

塑料排水板的布设遵循一定的规律，这里提供两个实施例，⑴图2所示的，若干振点以正三角形状进行排布，在三角形的三点几何中心布设塑料排水板，即正三角形的三个角处为振点，塑料排水板布设在三角形的三点几何中心，在优选实施例中，图2中各个振点间距为d，间距d需要根据待处理场地特性和处理要求进行确定，至于塑料排水板的打设深度，需要穿过最顶部的液化土层、位于顶部液化土层下方的软黏土层以及软黏土层下方的液化土层直至硬土层；⑵若干振点以正方形状进行排布，在正方形的四点几何中心布设塑料排水板，即正方形的四个角处为振点，塑料排水板布设在正方形的四点几何中心；

在这里需要说明的是，传统的振杆密实法在实施时，待处理场地会有明显的液化喷砂和排水现象，因此需要在场地内提前布设塑料排水板，至于塑料排水板布设的位置为何会选用振点的几何中心，这是因为振点的几何中心加固效果最好，塑料排水板通过图2所示的提前挖好的排水沟形成连通，方便排水，这里的排水沟有环绕待处理场地周围的边沟，这里深度控制在50cm-80cm，还有贯穿待处理场地内的、位于振点之间的排水沟，这里深度控制在10cm-20cm，每条排水沟的两端均与边沟相接。

第三步，桩机4定位，图1所示，是本申请提供的机械排布示意图，将桩机运送至待处理场地，竖起导向架并通过三角支撑杆固定，利用吊机吊起振杆6与固定在导向架上的振动锤通过振杆顶端的法兰盘连接，实现振杆的固定，通过调节液压装置移动导向架，将振杆移至指定振点位置上方。

第四步，共振下沉，启动振动锤，调节其振动频率，使得振动锤-振杆-地基土系统处于共振状态，在该共振状态下产生的振动放大效应可实现振动能量向振点周围土层的有效传递，引起振杆周围土层局部液化的同时方便沉杆；

在进行共振下沉的过程中，涉及到三个方面，分别为动力液化、波和能量传递以及应力条件变化；

动力液化即依靠振杆的反复强力振动，使振杆周围的饱和砂土层发生短暂液化或结构破坏，土颗粒在液化后重新排列，向低势能位置转移，使其孔隙减小，密实度增加；另一方面是依靠振杆产生的横向挤压力将砂性土振动挤压密实，从而提高土层的承载力和抗液化能力，达到加固的目的；再者振杆形成的振孔为良好的排水通道，可以加速挤压和振动作用产生的超孔隙水压力消散，降低孔隙水压力上升的幅度；

波和能量传递即振杆在振动锤竖向激振力作用下，将能量传递给周围土体引起振动，产生体波（纵波和横波）和面波（瑞利波和勒夫波），纵波是由杆端垂直往复冲击运动产生的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向一致，同时伴随产生体积变化，一般表现为周期短，振幅小，纵波在共振致密阶段主要由振杆底端产生；横波是由振杆垂直往复剪切运动产生的剪切波，在整个振杆主体上以柱状形式向周围土体传播，一般表现为周期长，振幅较大，且质点振动方向与波的前进方向垂直，不产生体积的变化；从作用形式看，纵波对土体主要产生挤密作用，使得土体孔隙比降低，密实度升高；横波主要使土体发生剪切变形，在不改变体积的前提下改变土体的细观结构；

应力条件变化即土与振杆的摩擦作用会产生水平压缩波从而导致水平应力增加，已有的研究表明，振杆密实法施工过程中土层各深度的水平振动速度大于垂直振动速度，且密实会导致土体的水平应力增长从而引发土层预固结效应，该预固结效应对于密实后颗粒土的实际沉降预测有重要意义，如果不考虑将导致沉降估计过大和液化判断不符合实际。

第五步，高压喷气，将振杆下沉至软黏土层层顶位置，打开气阀，通过位于振杆底端的喷气口7对待处理场地进行高压喷气，喷气口的喷气压力范围为0.1mpa-0.8mpa；

采用高压喷气的原因这里做重点阐述，即在振动密实过程中，黏土夹层的存在会导致土层孔隙水压难以消散进而影响到地基加固的效果与密实程度，为了解决该问题，本申请在原有振杆密实法处理液化地基技术的基础上辅以高压喷气技术，当振杆下沉至软黏土层时，利用高压喷气可促进振动荷载引起的土中超静孔压消散，配合塑料排水板可以加速液化土层和软黏土层的排水固结过程，三者结合共同实现软黏土层与液化土层交互地基的处理；本申请的优选实施例在实施时，当喷气口的喷气压力设定在0.5mpa时，整个过程的固结效果最佳。

第六步，振孔留振，振杆继续下沉，振杆的下沉速度范围为1.0m/min-1.5m/min，当振杆下沉至预设处理深度时，关闭气阀，进行留振，在留振期间，振动锤的振动频率保持共振频率不变；

第七步，振动提杆，启动桩机，将处于振动状态的振杆向上方提升，逐渐脱离硬土层、液化土层至黏土层层底时，重新打开气阀，振杆继续提升，直至振杆至待处理场地地表，此时关闭振动锤和气阀，结束此振点位置的施工，重复上述步骤，进行下一个振点处理。

这里需要重点阐述的是，本申请提供的振杆密实法，其利用了振动锤-振杆-地基土系统在共振时所产生的振动放大效应，在这种状态下，地面振动会大大增强，土壤振动的致密化效率会提高，将振动锤频率调整为振动锤-振杆-土系统的共振频率插入地面，还可以减小沿杆身和振杆尖端的土壤阻力，当振杆到达预设深度时，亦能放大地面振动，实现有效密实。具体的，在共振下沉和振孔留振阶段需要的振动频率约等于地基土自振频率，即第四步以及第六步中，振动锤的振动频率范围为12hz-20hz；在振动提杆阶段的振动频率应略大于地基土自振频率，即在第七步中，振动锤的振动频率范围为22hz-28hz，可以方便提杆。

综上阐述，可以更加确认，本申请提供的气动振杆密实法处理软黏土层和液化土层交互地基的方法，不仅解决了背景技术中指出的问题，而且经济效益显著，施工方法简单，工程效率高。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。