振沖法對黏土下臥層加固效果研究

吉春明

1 振沖加固法的特點

振沖法又稱振動水沖法,是以起重機吊起振沖器,產生高頻振動的同時啟動水泵,通過噴嘴噴射高壓水流,在邊振邊沖的共同作用下,將振動器沉到土中的預定深度,經清孔后,從地面向孔內逐段填入碎石,使其在振動作用下被擠密實,在地基中形成一個大直徑的密實樁體與原地基構成復合地基,是一種快速、經濟有效的地基加固方法;由于其獨特的工藝特點,振沖法不僅可以提高地基承載力、增強穩(wěn)定性、減少沉降量,同時在密實度較差的砂性土層使用時,還可顯著地增強其抗震性能,消除液化。

但是振沖碎石樁還有一個作用容易忽略,就是土層置換的作用,尤其是在處理下臥層時,其上的硬殼層如換填,太浪費;若采用深層攪拌法,施工困難。此時采用振沖法能起到加強下臥層承載力及彈性模量的作用。

2 振沖法加固的效果研究

2.1 工程原始條件

某工程地基土主要由上更新統沖、湖積成因的粉質黏土、黏土等組成。勘測深度范圍內的地基土層及基礎埋深示意圖見圖1。

2.2 加固目的

根據廠址區(qū)地基土的埋藏條件、巖土特性和建(構)筑物結構的特點,對主廠房、煙囪等荷載較大,且對沉降要求嚴格的建(構)筑物須進行地基處理。其主要目的是對地基⑤號土層進行加固處理,以提高地基承載力及減少沉降。

本工程⑤號土層較深,不宜換填,上部④號土層性狀很好但Ip＜25,根據文獻[1]11.1.2水泥攪拌樁施工困難不宜采用,經分析比較,確定采用大功率振沖碎石樁淺層加固的復合地基處理方案,此方案既可加固層⑤,又不破壞層④的性狀,適合本工程實際情況。

2.3 施工方案

主廠房基礎埋深為-4.50 m(相對于主廠房±0.00 m),因此,碎石振沖樁的試驗層面標高為-4.50 m。試樁機具的振沖器的功率為75 kW。

基樁設計參數如下:振沖碎石樁的樁徑為1 000 mm,Ⅰ試樁區(qū)樁距為2 000 mm,Ⅱ試樁區(qū)樁距為1 800 mm,均按正方形布樁,樁端深入層⑥黏土與粉質黏土互層1.50 m,并在振沖碎石樁的試驗層面標高上預留約1.50 m高的振密效果不佳的樁頭,在做載荷試驗前挖除。

2.4 施工工藝和施工參數的控制

實際施工中,樁位定位偏差在30 mm～50 mm內,振沖器就位偏差在60 mm～80 mm內,造孔深度偏差在+200 mm內;樁體材料采用含泥量不大于5%的新鮮碎石,粒徑為40 mm～150 mm;采用連續(xù)投料法,每次投料孔內高度不超過 600 mm,加密段長400 mm～500 mm內,一般為 400 mm;按 1次/m記錄振沖器造孔的水壓、時間、電流和振密電流、加密水壓、留振時間、填料量。

振沖樁施工順序按直線逐點逐行進行。

施工參數的分析:1)填料量:單樁投料量為10.9 m3,平均每米填料量在1.03 m3～1.07 m3范圍內。2)振密電流:95 A;留振時間:15 s;密段長:400 mm～500 mm,振密水壓0.4 MPa。3)造孔水壓0.6 MPa,造成孔時間大于5 min/m。4)成樁時間:平均為90.2 min,其中造孔時間為60 min,清孔時間為3 min,加密時間為27 min。5)實測樁徑:樁徑在800 mm～910 mm范圍內。試樁結束后,對6根樁進行了人工局部開挖,實測1 m范圍內樁徑為810 mm～926 mm。對照試樁區(qū)地層剖面圖分析,這是樁體在層④中的樁徑,估計進入層⑤后的樁徑大于層④內的,能達到1.0 m。

2.5 荷載試驗

本次試驗含單樁復合地基、單樁和樁間土靜載荷試驗各6組(樁間距2.0 m×2.0 m的試驗Ⅰ區(qū)及樁間距1.8 m×1.8 m的試驗Ⅱ區(qū)各3組),18組試驗均嚴格按照文獻[1]附錄A“復合地基載荷試驗要點”的要求進行。

2.5.1 荷載試驗前期準備

試驗加載方式采用慢速維持荷載法,壓重平臺反力裝置(復合地基荷載試驗總堆載量為4 000 kN,單樁載荷試驗總堆載量為1 500 kN,樁間土載荷試驗總堆載量為800 kN)。安裝過程中采用水平尺校驗主、次梁的水平狀況,保證了荷載沿壓板中心軸向傳遞。單樁復合地基加載級差300 kN,最大加載量控制在3 300 kN內;單樁加載級差80 kN～100 kN,最大加載量控制在800 kN內;樁間土加載級差40 kN,最大加載量控制在360 kN內。首級加載加倍。

2.5.2 荷載試驗結果匯總

1)復合地基承載力特征值及變形模量見表1。

表1 復合地基承載力特征值及變形模量計算匯總表

表1中的變形模量是按靜載荷試驗的成果計算得到的,是壓板影響深度范圍內的復合地基的變形模量,由于本次試驗的壓板尺寸為2 m×2 m和1.8 m×1.8 m,經計算它們的壓縮層厚度分別為 3.6 m和 3.3 m,其最大影響深度僅3.6 m,因此,表 1中的變形模量是層④和厚度約2.5 m的層⑤的綜合值,不在影響深度范圍的層⑤,它雖經振沖法加固,承載力和變形模量有所提高,但變形模量達不到表中的值。

2)碎石樁和樁間土承載力特征值及變形模量見表2。

表2 碎石樁和樁間土承載力特征值及變形模量計算匯總表

從表2中可見,盡管樁間距不同,但單樁的變形模量及樁間土的變形模量基本一致。

3)樁土應力比較結果見圖2,圖3。

Ⅰ區(qū)樁土應力比在1.16～2.41之間;Ⅱ區(qū)樁土應力比在1.56～2.42之間。分析上述圖表可見,隨荷載的增加,樁土應力比逐步增大,樁承擔了更多的壓力,樁逐步發(fā)揮作用。在Ⅰ區(qū),對應極限荷載時的樁土應力比約2.38;在Ⅱ區(qū),對應極限荷載時的樁土應力比約2.19,表明樁間土的性質較好,同時也說明樁的承載力仍有發(fā)揮的余力。

3 結語

1)擬建場地采用振沖碎石樁施工是可行的。2)試驗Ⅰ區(qū)(樁間距2.0 m×2.0 m):單樁復合地基承載力特征值采用315 kPa,對應的變形模量為27.5 MPa,單樁承載力特征值為640 kPa,樁間土承載力特征值為320 kPa。3)試驗Ⅱ區(qū)(樁間距1.8 m×1.8 m):單樁復合地基承載力特征值建議采用為330 kPa,對應的變形模量為30.2 MPa,單樁承載力特征值為646 kPa,樁間土承載力特征值為320 kPa。4)樁土應力比試驗表明荷載較大時,樁體可承擔更大的荷載,有利于減小沉降。5)施工后地基土的承載力特征值及彈性模量均有顯著提高,根據后期檢測結果主廠房及煙囪地區(qū)的沉降均滿足要求,達到了預想的加固效果。

[1] JGJ 79-2002,建筑地基處理技術規(guī)范[S].

[2] 李鵬遠,趙永久.振沖碎石樁在軟土擋墻地基處理中的應用[J].山西建筑,2009,35(14):107-108.