砂石樁法在某大型水利工程中的應用

王文鵬,杜緒

(1.北京振沖工程股份有限公司,北京 100102;2.河北省地礦局探礦技術研究院,河北燕郊 065201)

1 概述

碎石樁、砂樁和砂石樁統稱為砂石樁,是指采用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后,在將砂或碎石擠壓入已成的孔中,形成由砂石構成的密實樁體。砂石樁用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土以及雜填土的地基處理。飽和軟粘土地基上對于變形控制要求不嚴的工程也可采用砂石樁置換處理,砂石樁法對于液化地基的處理有較為明顯的效果。

砂石樁法用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土以及雜填土,主要是依靠樁的擠密和振動,使樁周土的密實度增加,從而降低土的壓縮性,提高地基承載力。對于軟土地基的處理,砂石樁較難發揮其擠密效應,主要通過置換作用和軟土形成復合地基,砂石樁為軟土的固結排水提供通道,加速軟土的固結,從而提高軟土的地基承載力。

采用砂石樁進行地基處理時,應充分調查砂石料的儲量、材料性能、運距,并應了解施工所用的設備和施工方法。對于粘性土地基,應有地基土的不排水抗剪強度指標,對于砂性土和粉土地基應有地基土的天然孔隙比,相對密實度或標準貫入試驗錘擊數等指標。

2 工程概況

2.1 工程簡介

某工程北岸渠道區域為填方渠段,填方高度較大。渠基主要由alQ24砂層組成,表層有0.80～6.0m的砂壤土或壤土,渠基上部地層為粉砂、細砂,呈松散狀態,地下水位較高,地基土存在砂土震動液化問題;北岸明渠段樁號9+336.47～10+208段為中等液化區;樁號10+208～12+308段為中等～嚴重液化區,大部分區域地層的相對密度在0.3～0.7之間,且淺表層砂壤土(壤土)、粉細砂承載能力較低,渠基需采取加固處理。所在區地震烈度為7度。地下水位埋深為3.7～5.3m。

2.2 設計要求

布樁形式:采用正方形布樁形式;樁間距2.5m;渠道基礎要求承載力較高,設計砂樁直徑800mm,渠間基礎設計砂樁直徑600mm。

樁長:砂石樁長根據建筑物對地基變形的要求、地層情況、液化土層的埋深因素綜合確定,有效施工樁長6.7m。

樁體材料:成樁材料分別為中粗砂混合料,砂料的細度模數2.8以上。

處理后要求:處理后場區不發生液化;處理后砂層相對密度不小于0.7。

2.3 砂石樁施工過程

振動沉管法砂樁的施工過程見下圖。

2.4 施工情況簡介

φ600、φ800兩個施工區樁間距均為2.5m,分別采用DZ60、DZ90型振動錘沉管砂樁樁機設備進行施工。

圖1 成樁過程示意圖

φ600造孔時間在3～10分鐘,正常施工一根樁約20～30分鐘不等,以 7.8m樁長為例,填料量為2.4方,充盈系數為1.09,在1.05～1.1之間。底部1.0～1.5m一般反插3次,2.0～4.0m砂土造孔時較困難,因此擠密速度較快;地面以下0.0～2.0m,為①層耕土,②層粉土,原狀土物理力學性質較差。整個施工過程中要求加密電流不小于80A,φ600試驗樁施工過程中問題不大,施工較順利。

φ800的試驗樁充盈系數在1.05左右,在開始兩排施工正常,施工完一個孔約在40分鐘左右,后排的樁孔位施工時造孔開始出現困難,說明擠密砂樁施工后對于地基土的擠密作用明顯。

3 施工中遇到的問題及原因分析

(1)施工處理后地面比施工前地面下沉10～30cm,在振動作用下土的孔隙比減小,砂土的相對密實度大幅提高。施工后地表沉降是這種擠密效果比較好的宏觀表現。φ600樁徑區域地面沉降較小,φ800樁徑區域地面沉降較大,分析主要原因是該地層可加密性很好。φ800施工用振動錘振動力大,砂樁地基處理的擠密效果比φ600砂樁較好。

(2)根據施工情況及檢測結果,本試驗采用的施工工藝科學合理,但因施工過程中遇到了后期成孔樁體難以成孔,可見試驗施工采用的排打法不適合大面積施工應采取的施工順序,大面積施工應采取跳打進行。

(3)②層下粉細砂層加密效果較好,采用φ800樁徑施工,由于施工設備振動影響范圍大,加密后后期樁體造孔達到設計深度要求困難,難以施工,為保證工程能正常施工,建議將φ800樁徑區域改為φ600,樁距不變,在2.5m正方形中心加設φ600短樁,樁長不少于3m,穿過②層粉土盡可能深的進入③層粉細砂。經過加短樁處理范圍內砂樁置換率將不小于φ800樁徑的置換率。

(4)表層砂壤土強度低,振密效果較差,該層在上覆壓力、側限壓力小的條件下,填料加密后處理效果不明顯。

(5)相對密度檢測和標準貫入檢測均能夠進行液化判定,但因砂層取原狀樣受到取樣設備,取樣工藝等的限制,相對密度的結果與標準貫入檢測存在不符之處,一般相對密度的計算結果比實際小。故同類工程砂層的液化判定應以標準貫入確定為主,相對密度指標為輔。

4 施工效果檢測

4.1 樁間土加固效果檢測

樁間土處理前,處理后地基土承載力采用標準貫入和靜力觸探試驗確定。檢測成果見表1、2。

表1 試驗前地基土承載力特征值一覽表

表2 試驗后地基土承載力特征值一覽表

樁間土經砂樁處理后,各土層承載力特征值:粉土為120kPa,粉砂為160kPa,細砂為粉砂170kPa,中砂為180kPa,比天然地基土均有所提高。

4.2 砂土的相對密度

(1)計算公式

處理后的砂層相對密度不小于0.7。相對密度用 D r表示:

式中:e0——砂的天然孔隙比;

ρd——要求的干密度或天然干密度(g/cm3)。

具體計算取值及計算結果見表3。

(2)相對密度的分析評價

表3 處理后砂土相對密度計算表

圖2 處理前后相對密度散點圖

根據表3分析,本場地經過擠密砂樁處理后,相對密度提高幅度很大,處理后兩個試驗區域最小的相對密度為0.7722,均滿足處理后砂土地基相對密度不小于0.7的設計要求。為了更直觀的說明問題,將檢測試驗中各試件的相對密度都進行了計算并匯總形成表格,繪制成圖(圖2)。處理前后相對密度散點圖。從圖中可以看出,在砂樁處理前,取樣12件,相對密實度在0.7以上的只有2件,占16.7%;在砂樁處理后,取樣20件,相對密實度在0.7以上的達到17件,占85.0%。從單件試樣的統計結果也說明了砂樁處理后獲得了良好的效果,砂土地基的相對密度整體上得到了提高,而且提高幅度比較大。

4.3 標準貫入試驗檢測

(1)標準貫入試驗檢測數據統計

在試驗前后,在場地進行了標準貫入試驗,總體統計結果見表4。表層粉土提高幅度不明顯,在砂土層中擊數有明顯提高,說明擠密砂樁在該場地中處理效果良好。

(2)砂土液化判定

當飽和砂土的實測標貫擊數 N(未經桿長修正)小于其標貫判別的臨界貫入擊數 Ncr時,應判為可液化土,否則為不液化土。Ncr可采用下式計算

式中:ds——飽和土標準貫入點深度(m);

dw——地下水埋深(m),取 dw=0;

ρc——土的粘粒含量(%)。ρc＜3時,取ρc=3;

N0——液化判別標貫擊數基準值,取 N0=6。

采用標準貫入試驗評價地基土是否液化,對各鉆孔每個標貫點分別進行計算,根據相關抗震規范,對處理前和處理后各標貫段進行了液化判定,處理前后標準貫入擊數散點圖,見圖3。根據圖表分析,經過砂樁施工處理后,地層抗液化能力得到了很大程度上的提高。

表4 處理后標準貫入擊數統計表

圖3 處理前后標準貫入擊數散點圖

5 結論與建議

從抗液化角度考慮,砂性土地基處理,宜采用振動沉管砂樁法。砂樁復合地基由于樁體對周圍土體的擠密作用及自身排水作用明顯,周圍土體結構強度較大,孔隙水壓力迅速消散,經砂樁處理后砂性土層的相對密度滿足設計不小于0.7的設計要求,處理深度范圍內的砂層消除液化。砂樁復合地基處理大型工程的砂層具有很強的適應性,安全性,經濟性。

[1] 常士驃,張蘇民.《工程地質手冊(第四版)》.北京:中國建筑工業出版社,2006.

[2] 葉觀寶,高彥彬.《振沖法和砂石樁法加固地基》.北京:機械工業出版社,2004.