振沖碎石樁法處理軟土地基的設計及施工要點

楊松榮 孫友態(tài)

軟土地基系指軟土、充填土及其他高壓縮性土構成的地基,這類地基在我國沿海地區(qū)有著廣泛的分布,這些地區(qū)土層具有水量大、壓縮性高、強度低、透水性差、地基承載力低等特性。

根據(jù)沿海城市多高樓大廈及密集群房等現(xiàn)狀和寧波地區(qū)工程地質(zhì)狀況,建筑房屋首先要解決的問題就是將地基承載力提高到設計要求,使地基能夠安全地承受建筑物的荷載,這就需要作地基處理。地基處理的目的,不僅為了滿足長期作用的荷載對地基承載力、穩(wěn)定性和變形的要求,而且為了提高地基土的密實度和改良土質(zhì),增大土的剪切波速和剪切模量,改善土的抗震性能,防止震陷(液化或附加震陷)等災害。

1 振沖碎石樁法地基處理原理及施工工藝

振沖碎石樁是通過振沖在地基中設置碎石樁加固地基的一種地基處理方法。振沖碎石樁是在砂土及黏性土地基中利用振動和水沖就地振制的碎石樁,是一種快速加固地基土的有效方法。振沖法加固后的地基土能滿足承載力和變形的要求及抗液化的要求,制成的碎石樁是一個良好的排水通道,可降低該地區(qū)發(fā)生地震時的超孔隙水壓力。因此,振沖碎石樁復合地基處理方法自引入我國以來,在工業(yè)、民用建筑和水利交通工程地基加固方面得以迅速推廣,取得了良好的效果。

振沖法適用于處理砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、素填土和雜填土等地基。對于處理不排水抗剪強度不小于20 kPa的飽和黏性土和飽和黃土地基,應在施工前通過現(xiàn)場試驗確定其適用性。不加填料振沖加密適用于處理粘粒含量不大于10%的中砂、粗砂地基。采用振沖碎石置換法處理地基,由于制樁過程中的振動、擠壓會對樁間土產(chǎn)生擾動,因此在制樁期間,樁間土的強度會有所下降,根據(jù)實測資料,一般在成樁28 d后,樁周土強度重新恢復到正常水平。

振沖碎石法施工流程見圖1。

2 振沖碎石樁地基處理設計要點

1)樁直徑及樁位布置。樁孔位宜采用等邊三角形或正方形布置。樁直徑可采用300 mm～800 mm,可根據(jù)地基土質(zhì)情況和成樁設備等因數(shù)確定,對飽和黏性土地基宜選用較大直徑。

2)樁間距。樁的間距應通過現(xiàn)場試驗確定,在初步設計時,可根據(jù)擠密后要求達到的孔隙比按下列公式估算其間距:

等邊三角形布置:

正方形布置:

其中,d為樁直徑;ζ為修正系數(shù),當考慮振動下沉密實作用時,可取1.1～1.2,否則,取1.0;e0為地基處理前砂土的孔隙比;emax,emin分別為砂土的最大、最小孔隙比;Dr1為地基擠密后要求砂土達到的相對密實度,可取0.75～0.85。

3)樁長。當松軟土厚度不大時,樁宜穿過松軟土層;當松軟土厚度較大時,對按穩(wěn)定性控制的工程,樁長不小于最危險滑動面以下2 m的深度;對按變形控制的工程,樁長應滿足處理后地基變形量不超過建筑物的地基變形允許值并滿足軟弱下臥層承載力的要求。另外,試驗表明,樁體在受荷過程中,在樁頂4倍樁徑范圍內(nèi)將發(fā)生側向膨脹,因此設計深度應大于受荷深度,即不小于4.0 m。

4)復合地基承載力。

其中,fspk為復合地基承載力特征值,kPa;fpk為樁體承載力特征值,kPa,宜通過單樁載荷試驗確定;fsk為處理后樁間土承載力特征值,kPa,按當時經(jīng)驗取值,無經(jīng)驗時,可取天然地基承載力特征值;m為面積置換率。

對小型工程的黏性土地基如無現(xiàn)場荷載試驗資料,碎石樁復合地基承載力特征值也可按下式計算:

其中,n為樁土應力比,在無實測資料時,可取2～4,原土強度低時取大值,否則取小值。

5)地基變形驗算。地基變形可采用分層總和法計算,其中加固區(qū)的復合土層壓縮模量取為:

其中,Es為樁間土壓縮模量,宜按當?shù)亟?jīng)驗取值,如無經(jīng)驗時,可取天然地基壓縮模量。

3 振沖碎石樁地基處理施工要點

1)振沖施工可根據(jù)設計荷載的大小、原土強度的高低、設計樁長等條件選用不同功率的振沖器。施工前應在現(xiàn)場進行試驗,以確定水壓、振密電流和留振時間等各種施工參數(shù)。2)升降振沖器的機械可用起重機、自行井架式施工平車或其他合適的設備。施工設備應配有電流、電壓和留振時間自動信號儀表。3)振沖施工可按下列步驟進行:a.清理平整施工場地,布置樁位;b.施工機具就位,使振沖器對準樁位;c.啟動供水泵和振沖器,水壓可用200 kPa～600 kPa,水量可用200 L/min～400 L/min,將振沖器徐徐沉入土中,造孔速度宜為0.5 m/min～2.0 m/min,直至達到設計深度。記錄振沖器經(jīng)各深度的水壓、電流和留振時間。4)造孔后邊提升振沖器邊沖水直至孔口,再放至孔底,重復兩三次擴大孔徑并使孔內(nèi)泥漿變稀,開始填料制樁。5)大功率振沖器投料可提出孔口,小功率振沖器下料困難時,可將振沖器提出孔口填料,每次填料厚度不宜大于50 cm。將振沖器沉入填料中進行振密制樁,當電流達到規(guī)定的密實電流值和規(guī)定的留振時間后,將振沖器提升30 cm～50 cm。6)重復以上步驟,自下而上逐段制作樁體直至孔口,記錄各段深度的填料量、最終電流值和留振時間,并均應符合設計規(guī)定。7)關閉振沖器和水泵。

4 地基處理技術展望

近20年來,我國地基處理技術發(fā)展很快,主要表現(xiàn)在各種地基方法得到應用和普及,涌現(xiàn)了許多從事地基處理施工的專業(yè)化隊伍。展望地基處理技術的發(fā)展,隨著綜合國力提高,地基處理施工機械將會有較大的發(fā)展,各種工法的施工能力有較大的提高,將促進地基處理水平的提高。

當前地基處理的發(fā)展新水平,反映在處理機械、材料、設計計算理論、施工工藝和現(xiàn)場監(jiān)測技術的整體水平與多種地基處理方法的綜合應用能力。眾所周知,迄今為止還沒有一種萬能的地基處理方法,每一種地基處理方法都有其適用范圍和局限性。只有根據(jù)所加固工程的特征、地質(zhì)條件、環(huán)境情況和施工條件等因素,因地制宜地選擇一種或綜合運用幾種地基處理方法,才有可能取得最佳的技術經(jīng)濟效益。

[1] 葉文麟,葉觀寶.地基處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997:45-47.

[2] 王廣月,王盛桂.地基基礎工程[M].北京:中國水利水電出版社,2001:77-78.

[3] 陳希哲.土力學地基基礎[M].第3版.北京:清華大學出版社,1998:53-58.

[4] 何廣訥.振沖碎石樁復合地基[M].北京:人民交通出版社,2001:67-74.

[5] 馬小鋒.淺談軟土地基處理方法[J].山西建筑,2008,34(1):121-122.