振動沉管擠密砂石樁在涵閘地基加固中的應用

王云飛

(丹東市愛河大洋河河道整治工程建設管理辦公室，遼寧 丹東 118000)

水利工程一般規(guī)模較大，結構以自重較大的鋼筋混凝土為主，對地基承載力要求很高。而河流區(qū)域地層大部分以沖積地層為主，抗?jié)B性、承載力均較差，必須進行必要的加固處理后才能布置建設水利工程。振動沉管擠密砂石樁是目前廣泛應用的松軟地基加固技術，且隨著施工工藝的發(fā)展，該技術內涵也在逐步擴大，樁體材料也更加廣泛等，對環(huán)境影響也在逐步減小。

1 工程概況

2017年，遼寧省啟動“大洋河干流重點段河道整治工程”，共計治理河道總長53.8km，該河段主要由：岫巖防洪區(qū)、沙里寨防洪區(qū)、龍王廟防洪區(qū)、小甸子防洪區(qū)、大孤山防洪區(qū)等組成，主要工程任務有：堤防加固43.0km、修建涵閘12座。龍王廟防洪區(qū)需修建涵閘3座，其中后河閘因流量及洞徑均較大，對地基承載力要求大，但該涵閘所在地段地層均為松散粉細砂層，必須進行加固處理。

2 工程地質條件分析

經地質勘查，龍王廟防洪區(qū)地貌單元為河床、漫灘及一級階地的陸相沉積地層。從上至下地層依次為：粉土(0.3～1.0m)、粉質黏土(0.9～.7m)、粉細砂(1.9～3.3m)、淤泥質粉質黏土(1.0～1.3m)、中粗砂(0.8～1.6m)、細砂(0.5～6.7m)、卵石(0.5～1.5m)。各地層主要物理力學指標見表1。

表1 龍王廟防洪區(qū)各地層主要物理力學指標

據調查可知：原有龍王廟防洪區(qū)堤基地質為多層結構，后河閘基位置設計坐落于粉細砂層，其承載力特征值為120kPa，滲透系數為10-3數量級，屬中等透水，因此需要考慮防滲處理。各結構層發(fā)育平緩穩(wěn)定，抗滑穩(wěn)定性較好，雖然地層存在軟弱淤泥質粉質黏土，但其層位較深，不會有振陷可能[1]。

3 振動沉管擠密砂石樁設計分析

3.1 閘基加固方案比選分析

后河涵閘設計排水量72.40m3/s，為4級建筑物。經計算：場地內粉細砂和細砂在工程建成后7度地震下均為液化土，液化等級嚴重。依據相關規(guī)范，地基中的液化土層處理方法包括：置換、強力夯實、振動水沖、板樁(連續(xù)墻)圍封或沉井基礎等[2]。

其中板樁(連續(xù)墻)圍封在丹東地區(qū)處理閘基液化現象應用比較廣泛，具有成熟的施工經驗；振沖法(振動沉管樁)適用于砂性土，從粉細砂到含礫粗砂，只要小于0.005的黏粒含量不超過10%，都可以達到顯著的擠密[3]。因此對上述兩種方案進行對比(見表2)。

表2 閘基加固方案對比

從經濟上看，振沖法(振動沉管樁)方案要優(yōu)越很多；從效果看，雖然板樁(連續(xù)墻)圍封技術施工成熟，但振沖法也基本都被丹東地區(qū)的建筑工地應用過，且處理地基液化效果顯著。因此綜合考量，本項目設計采用振沖法處理后河閘閘基液化問題。

3.2 現場試驗設計

3.2.1 樁體布置設計

低強度混凝土樁是目前振沖法常用樁體類型，其填充物一般為水泥、石子和摻合物(砂、粉煤灰、石灰等)，強度等級可人為控制，范圍在C5～C25[4]。為保證施工效果，首先在現場進行試驗。在試驗場地設計布置6根低強度混凝土管樁，行距設計7.0m，間距為4.5m(如圖1所示)。

圖1 試驗場分布示意圖

3.2.2 測壓孔布置設計

由于沉管施工時會產生超孔隙水壓力，過大時可能造成周圍土體隆起或側向移動等問題，因此需要時刻監(jiān)測周圍土體的水壓力值，這是保證施工質量的核心[5]。為了監(jiān)測超孔隙水壓力，在樁體周邊布置4個觀測孔(1～4#深度分別為4、6、8、10m)，編號和位置如圖1所示。

每個觀測孔內由下至上依次放置4個壓力計，壓力計之間用膨潤土球填充，其豎向布置如圖2所示。在沉管試驗前先埋設壓力計，觀測它們讀數變化，待讀數穩(wěn)定并記錄后再開始沉管試驗。

圖2 超孔隙水壓力計布置示意圖

3.3 樁體施工及靜載設計

3.3.1 振動沉管樁施工

本項目采用彈簧振動錘施工，振動頻率1050r/min，激振力約為230kN。為避免相互之間影響，振動沉管樁施工順序為：1#→3#→4#→6#→2#→5#。

沉管至設計深度后向管內填料，之后留振10s左右以1.2～1.5m/min的速度拔管，現場驗收成樁合格后便可利用混凝土封樁頂。同時要全程記錄壓力計示數變化。

3.3.2 靜載試驗方法設計

為檢測加固效果，在樁體完工30d后對樁體和地基進行靜載試驗，其中對地基檢測時，需提前鋪設一層20cm厚的碎石墊層[6]。靜載試驗采用“慢速維持載荷法”進行分級加載和卸載，沉降量由位移傳感器監(jiān)測(精度為0.01mm，布置3個以上)，利用專業(yè)儀器采集數據。

3.4 試驗結果分析

3.4.1 超孔隙水壓力分析

圖3記錄了觀測孔超孔隙水壓力累積數值變化，由圖可知：①不同位置均存在超孔隙水壓力，且最大值均在深度5～6m之間；②隨著距離沉管位置越遠，其超孔隙水壓力累積值會越小；③將各觀測孔不同深度超孔隙水壓力與上覆土有效應力作比，其最大值出現在1#觀測孔4m深度位置，約為0.33，其值遠小于1.0，說明本項目地基在沉管下沉時累積超孔隙水壓力較小，因此對土體擾動較小，不存在出現隆起或側移問題。

圖3 觀測孔超孔隙水壓力累積數值變化曲線

3.4.2 單樁靜載試驗分析

以2#和3#管樁為分析對象，由圖4可知：當分別對其加載至240、280kN后，其沉降量超過了45mm(最大量程為50mm)，且卸載后回彈率很低，說明樁體端部地層已經達到承載極限，分別記為240、280kN，但比理論計算數值低50%左右。

圖4 單樁靜載試驗曲線

3.4.3 復合地基靜載試驗分析

圖5表示的是試驗區(qū)復合地基靜載試驗曲線圖，在沉降量最大允許值范圍內(15mm)，4#、5#、6#樁復合地基承載力分別達到了180、230、215kPa，平均為208kPa，相對于天然地基的100～115kPa提高了100%左右，加固效果顯著，完全滿足實際使用要求(80～100kPa)。

圖5 復合地基靜載試驗曲線圖

4 結語

振動沉管擠密砂石樁技術是松軟、液化等細砂地基中最常用的處理方法之一，其加固效果顯著，滿足大多數建筑使用要求，但不可按照單個樁體理論承載數值去設計樁位，應進行現場試驗確定。在使用該技術時，一定要結合工程實際，根據不同的承載力要求設計樁體承載力，這樣才能達到經濟實用的目的。