擠密砂樁在近水軟土地基加固中的應用

鞏遠見

(開原市水利事務服務中心，遼寧 開原 112300)

1 概 述

軟土地基是工程建設過程中經常遇到的一種地基類型，其強度較低，在建筑物荷載作用下，通常會出現大幅度的變形，造成地基破壞。因此，在遇到該種類型的地基時，需要對天然地基進行加固處理，提高地基承載力以滿足工程要求。常用的軟土地基加固方法包括預壓法[1-2]、置換法[3-4]、化學加固[5]、樁基處理法[6-9]等。目前，軟土地基加固效果的研究方法主要包括物理模擬、理論計算、數值分析等。朱楠等[10]結合離心機物理模擬試驗對湖泊相軟土固結進行研究，從而對地基加固效果進行研究，結果表明真空預壓法較水泥攪拌樁法具有更好的加固效果。黃朝煊[11]通過理論分析對預壓法在軟土地基加固中的應用進行研究。劉少增[12]使用數值模擬方法對CDM在軟土地基加固中的效果進行研究。

本文在前人研究基礎上，以遼寧省沿海地區某軟土地基加固為例，對擠密樁法在近水軟土地基加固中的應用進行研究。

2 軟土地基加固常用方法比選

軟土地基加固方法眾多，不同方法具有不同的適應性。通過對現場進行水文、地質調查，工程區內軟土可分為5層，結合室內力學試驗，獲取各層巖土體強度參數，結果見表1。

表1 巖土體強度參數

從表1可知，各層巖土體強度參數較低，天然地基難以滿足承載力要求。因此，可采用樁基礎對軟土地基進行加固處理，不同類型樁基礎比選見表2。綜合工程安全、投資預算、施工環境等條件，選擇擠密砂樁作為軟弱地基加固方案。

表2 樁基比選

3 擠密砂樁加固機理及施工工藝

3.1 加固機理

擠密砂樁法需在待處理地基中使用振動或者沖擊荷載成孔，將砂土擠入軟土地基中，提高天然地基的密實度同時形成砂土柱體，提高天然地基承載力。擠密砂樁加固機理如下：

1) 擠密作用。軟土自身密實度較低，在外加荷載作用下，極易產生變形，從而造成建筑物的破壞。使用擠密砂樁進行基礎處理時，在一定程度上降低了天然地基的孔隙比，地基土在擠密、壓實作用下強度將有所提高。

2) 排水作用。水是造成軟土地基變形的主要誘發因素，當軟土地基中含水量過高時，將會造成地基土有效應力降低，從而造成天然地基產生變形破壞。擠密砂樁可作為地基中的排水通道，可以迅速排出地基中的地下水，從而迅速降低地基中的超孔隙水壓力。

3) 置換作用。擠密砂樁可以替換部分軟土地基，形成復合地基，且砂樁將會承擔更大的荷載，從而提高地基的承載力，減少地基變形量。

4) 墊層作用。擠密砂樁是地基中相鄰兩層巖土體之間的墊層，將地基應力重分布，避免局部出現應力集中。

3.2 施工工藝

3.2.1 施工工序

擠密砂樁施工工序為：①鋪填并整平砂墊層；②安裝并調試機械；③試樁；④樁位定點放樣；⑤砂樁機械就位；⑥插管、灌砂、留振；⑦振動拔管并補砂；⑧砂樁施打；⑨進行下一樁位施工。施工流程見圖1。

3.2.2 施工方法

1) 砂墊層施工。選擇具備良好透水性且含泥量小于4%的中細砂作為墊層材料，材料的細度模數不應小于2.3，干密度大于1.5×103kg/m3，處理應超出設計地基處理邊線1.0 m。

2) 砂樁施工。結合工程經驗，選用振動沉管的方法進行擠密砂樁的施工。設計砂樁直徑為40.0 cm，樁長為10～15.3 m，樁間距為1.80 m，采用梅花型布置。

圖1 施工流程示意圖

4 擠密砂樁加固效果分析

采用數值模擬方法對加固效果進行分析。根據工程設計進行概化。建立FLAC3D數值模擬模型，見圖2。FLAC是目前最為常用的一種有限元數值模擬軟件，采用摩爾庫倫屈服準則。模型建立后，對主體施工過程中擠密砂樁加固效果進行分析。

圖2 FLAC計算模型

4.1 孔隙水壓力分析

在主體施工過程中，地基巖土體內部孔隙水壓力不是穩定的，其大小是動態變化的。數值模擬監測2.0，4.0，6.0，8.0和10.0 m深度孔隙水壓力的變化，見圖3。

圖3 不同深度孔隙水壓力值

從圖3可知，施工初期，孔隙水壓力迅速上升，隨后孔隙水壓力逐漸消散，越接近地表消散速度越快。完成工程建設后，孔隙水壓力消散也是地基固結壓縮的過程。

4.2 擠密砂樁與軟土應力比分析

樁土應力比是擠密砂樁所受荷載作用力與軟土所受荷載作用力的比值。主體工程施工初期，外加荷載相對較小，在軟土承載范圍內，樁土應力比較小；隨著荷載的增加，樁土應力比逐漸增大，最大值為1.83，此時樁土之間的應力差值達到最大，之后應力比又逐漸減小。見圖4。

圖4 樁土應力比

4.3 側向位移結果分析

通過數值模擬監測結果可獲取不同深度范圍內擠密砂樁旁軟土的側向位移結果。施工初期，側向位移迅速增大，從上至下逐漸產生側向位移。不同深度最終側向位移結果見圖5。在3.0 m處側向位移最大，此處為1，2層地基巖土體分界部位，但最大位移小于20.0 mm，變形量處于允許范圍內，擠密砂樁的側向變形控制效果較好。

圖5 不同埋深水平位移

4.4 沉降結果分析

對施工過程中，擠密砂樁與其周圍的軟土沉降量進行監測，結果見圖6。主體工程施工初期，擠密砂樁、軟土上的外加荷載較小，軟土變形量和砂樁變形量均較小，且兩者差值也較小；隨著工程進行，荷載增大，擠密砂樁和軟土沉降量逐漸增大，且軟土沉降量與砂樁沉降量差值越來越大，最大值為5～6 mm。荷載穩定后，地基中應力分布趨于穩定，擠密砂樁與軟土沉降量逐漸接近，擠密砂樁與軟土變形差值趨于協調。

圖6 沉降監測結果

5 結 論

1) 通過多種樁基比選，選擇擠密砂樁進行軟土地基加固；通過分析擠密砂樁加固作用主要有擠密、置換、排水、墊層4種，并對施工工藝、材料選取進行建議。

2) 使用數值模擬方法對擠密砂樁加固效果進行分析。樁土應力比與沉降差是協同變化的關系，在應力比達到最大至時沉降差也達到最大值。通過沉降分析和水平位移分析，擠密砂樁具有較好的沉降和側向變形控制效果。