碎石樁在砂礫石閘基處理中的應用與研究

田紅偉,楊偉杰

(湖南省交通規劃勘察設計院,湖南長沙 410008)

湘江長沙綜合樞紐工程是湘江九級綜合開發中的最下游一個梯級,位于湘江下游蔡家洲分汊河段,距離城陵磯(湘江流入長江的交匯口)146 km,地處長沙市北端望城縣境內。樞紐工程主要建設內容包括船閘、水閘、電站、公路橋、魚道。工程等別為Ⅰ等,工程規模為大(Ⅰ)型,主要建筑物級別為1級。根據壩址河段分汊情況相應布置左汊水閘和右汊水閘,其中右汊為副汊,布置20孔高堰水閘,單孔凈寬14m,閘室長度21m,閘墻高度19.7m(含底板厚度),采用閘墩中間分縫的整體式結構,閘墩寬2×1.5m,弧形工作閘門擋水高度4.7m。右汊水閘標準橫斷面圖見圖1。

圖1 右汊水閘標準橫斷面

右汊水閘閘室砂礫石地基采用碎石樁處理方案,根據現場碎石樁質量檢測及復合地基試驗結果,處理后的復合地基承載力和壓縮模量得到明顯提高,滿足設計要求。

1 工程地質條件及處理方案選擇

1.1 地質條件

右汊覆蓋層較厚,且巖面起伏較大,設計奠基面以下覆蓋層達8～23m,其中靠江心洲側主要為砂礫石,雜色,以稍～中密為主,為沖洪積成因,砂礫石粒徑大多為1～2 cm,含少量卵石,壓縮模量20 MPa,地基承載力350～400 kPa,重型動力觸探為10～15擊。

按《水閘設計規范》[1]第8.3.6條“天然土質上水閘地基最大沉降量不宜超過15 cm,相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm”的要求,考慮到本項目水閘為大型工程的擋泄水建筑物,且庫區淹沒影響涉及長株潭城市群,經綜合分析,確定本工程右汊水閘地基沉降標準為:中間閘孔地基最大沉降量不超過10 cm,邊孔最大沉降量不超過15 cm,相鄰部位沉降差小于5 cm。同時地基承載力應滿足要求。

根據水閘空間有限元分析結果,中間閘孔閘室地基累計最大沉降為15 cm,邊孔閘室地基累計最大沉降為27 cm,翼墻部位基地最大應力為420 kPa。為減小地基沉降并適當提高地基承載力,需對稍～中密砂礫石地基覆蓋層進行處理。

1.2 振動沉管碎石樁處理方案

砂礫石地基處理可采用固結灌漿、碎石樁等方案。考慮到固結灌漿壓力及灌漿量與地基參數密切相關,地基處理效果難以控制,本工程經方案比選后,確定采用碎石樁方案。但碎石樁一般用于軟弱或松散地基處理,對提高地基承載力效果明顯,可提高至1.3～2.0倍或更高[2～4]。本處地基為稍～中密砂礫石,地基承載力基本滿足要求,地基處理的目的主要是提高覆蓋層壓縮模量,降低沉降量,此種情況下碎石樁的成樁難度、樁長、樁距設計及處理效果等可參考的工程經驗并不多,需慎重對待并配合設計進行現場試驗性施工及質量檢測。

碎石樁有振沖法和振動沉管法兩種施工方法。振動沉管作為一種干作業法成樁工藝,相對于振沖法,具有少破壞被加固土、省水、易于成孔、施工場地條件易滿足的優點,另外振動沉管是在沉管中完成碎石的投入,擠密效果好,能較為有效地防止塌孔及斷樁,樁徑、垂直度、施工質量便于控制,對地基的加固效果一般要好些。振動沉管法的缺點是施工質量與設備功率、套管樁尖形狀及尺寸關系較大,設備較為笨重。本工程地處長沙市北端,現場施工環境要求高,故設計采用振動沉管法施工。

2 碎石樁設計

2.1 上部工程結構要求

為滿足水閘地基沉降量的要求,經過空間有限元反演計算,經碎石樁處理后的水閘閘室范圍內復合地基物理力學參數要求如下:

復合地基壓縮模量:翼墻≥25MPa,中間孔底板≥23MPa;復合地基承載力:翼墻≥420 kPa。

2.2 碎石樁樁徑及間距設計

碎石樁樁徑與成樁設備和地質情況有關,本次選定為振動沉管法成樁工藝,加固土層為稍～中密砂礫石層,樁徑初步選擇為D35 cm、D50 cm兩種。

復合地基承載力和變形特性應通過現場復合地基載荷試驗確定,設計時可先依據《建筑地基處理技術規范》[5]第7.2.8、7.2.9條的推薦公式計算置換率m,并初步確定樁距布置,然后結合現場試驗結果進行驗證或調整。

由單樁和樁間土初步計算的復合地基承載力特征值fspk和壓縮模量Esp見下式:

式中:fspk為復合地基承載力特征值;Esp為復合土層壓縮模量;m為樁土面積置換率;fsk為處理后樁間土承載力特征值,根據當地經驗并結合地質報告成果,取fsk=380 kPa;Es為樁間土壓縮模量,本處取天然地基壓縮模量20 MPa;n為樁土應力比,可取2～4,本處原土強度較高,依據經驗取n=3;d為樁身平均直徑,本處d=0.35 m或0.5m;de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑,閘室范圍內考慮采用大面積正方形布樁,de=1.13 s,其中s為樁距。

為滿足上部工程結構對復合地基承載力和壓縮模量的需要,計算中間孔樁土面積置換率m約需7%,翼墻部位m約需12%。

對應2種樁徑方案,計算得到的樁距如下:

D35 cm方案:正方形布樁,間距中間孔1.15 m、翼墻0.9m;

D50cm方案:正方形布樁,間距中間孔1.65 m、翼墻1.25m。

參考有關經驗,考慮到若采用D35 cm樁徑,樁距過密,成樁工程量大,工期難以保證,且D35 cm與D50 cm每延米造價相差不大,故本工程采用D50 cm樁徑方案。

2.3 碎石樁樁長確定

當下臥巖面埋深不大時,碎石樁可穿透覆蓋層而支撐在巖體上;當下臥巖面埋深較大時,按地基變形允許值確定。本工程水閘兩側基底覆蓋層較厚,基于實際地質情況及有限元計算結果,設計確定碎石樁樁長中間孔為800 cm或至巖石層、翼墻為1 200 cm。

3 成樁試驗、密實度檢測與復合地基載荷試驗

3.1 成樁試驗

通過現場生產性試驗成果,為達到碎石樁成樁質量及基本進度要求,對本工程的稍～中密砂礫石地基,要求振動沉管樁機電機功率應在75 kW及以上,碎石樁間距不宜小于1.6 m,基于此本處選定DZ75振動錘,對碎石樁設計間距調整如下:

D50 cm碎石樁:正方形布樁,間距中間孔1.8 m、翼墻1.65m,樁長維持原設計。

碎石樁調整間距、降低置換率后,處理效果能否滿足結構要求,需通過復合地基試驗進行驗證。

碎石樁布置平面、立視圖見圖2。

圖2 碎石樁布置(單位:cm)

3.2 密實度檢測

碎石樁工程應對樁體密實度、樁間土處理效果進行檢測。本處根據《港口工程碎石樁復合地基設計與施工規程》[6]的要求,在場地內布置監測點,記錄每貫入10 cm的錘擊數N63.5指標用于評定碎石樁和樁間土的密實狀態,不同試驗深度平均擊數N63.5檢測數據統計見表1。

綜合上述數據,碎石樁體及樁間土密實度情況及影響效果如下:

1)碎石樁樁體0～1.0 m局部為中密-密實狀態,1.0m以下為密實狀態;樁間土0～1.0 m為中密-密實狀態,1.2m-基巖面為密實狀態。

2)碎石樁樁體、樁間土的重型動力觸探錘擊數N63.5隨深度的加深而增大,說明碎石樁樁體、樁間土的工程性能隨地層深度加深而明顯提高,地表0～1.0m局部碎石樁加固地基土效果不明顯。

3.3 復合地基載荷試驗

復合地基載荷試驗采用單樁試驗,中間孔及翼墻下共選擇了9個試驗點,承壓板面積3.24 m2,采用油壓千斤頂堆載裝置,試驗荷載為設計承載力特征值的2倍,按《港口工程碎石樁復合地基設計與施工規程》要求,采用10級加載,分5級卸載。通過對觀測數據的整理,并繪制出Q-S、S-lgt、S-lgQ曲線圖,對試驗樁的復合地基承載力判定見表2。

通過對檢測過程和檢測數據的分析:中間孔復合地基承載力特征值至少取值300 kPa(因該區域工程只需300 kPa,未往上加載,顯然實際將大于300 kPa),壓縮模量Es取值27.9MPa;翼墻復合地基承載力特征值不小于420 kPa,壓縮模量Es取值28.5 MPa,均能滿足上部結構對地基要求。而且從重型動力觸探擊數由天然地基的10～15擊提高到復合地基的27～44擊來判斷,實際相對提高的壓縮模量和地基承載力特征值應該更大。

表1 樁體、樁間土不同試驗深度重型動力觸探平均擊數N 63.5統計表

4 結論與建議

目前長沙樞紐右汊水閘上部主體結構已施工完畢,本工程通過碎石樁在本處水閘地基處理中的成功運用,為稍～中密砂礫石地基處理提供了一定的設計、施工經驗。

1)碎石樁用于提高稍～中密砂礫石地基壓縮模量和承載力是顯著的、可行的,但要求在保證基本置換率下樁體盡量采用較大直徑,孔距稀密適當(對D50 cm樁,可參考正方形布孔1.65～1.8m孔距),振動錘電機功率不宜小于75 kW。

2)《建筑地基處理技術規范》對復合地基承載力和壓縮模量的推薦計算公式7.2.8-3、7.2.9作為初始階段的設計計算時,對砂礫石地基樁土應力比n取值可達7～8。

表2 單樁復合地基載荷試驗成果統計表

3)根據施工期的質量檢測和復合地基載荷試驗,碎石樁及樁間土加固處理效果良好,部分閘孔結構自重加載時段長達5～6個月,并未觀測到明顯沉降,但運行期還需加強沉降量的觀測,一旦發現異常,應及時研究處理。

4)綜合來看,在稍～中密砂礫石地基中施工碎石樁,司機在機上受振動力大,很辛苦,設備磨損較大,綜合生產率約為一般軟土的50%～70%。建議現行概預算對碎石樁定額按地基土類分級,并適當提高定額標準。

[1]SL265-2001,水閘設計規范[S].

[2]李在卿,王程遠,鄒 敏.振動沉管擠密碎石樁加固地基[J].巖土工程師,1992(3):48-52.

[3]吳建華.振動沉管碎石樁在工程中的應用[J].江蘇建筑,2008(6):54-58.

[4]吳承霞,姬同庚,許 紅.振動沉管碎石樁處理軟基的應用與質量檢驗[J].路基工程,2005(5):32-34.

[5]JGJ 79-2002,建筑地基處理技術規范[S].

[6]JTJ 246-2004,港口工程碎石樁復合地基設計與施工規程[S].