基于實(shí)際工程對(duì)振沖碎石樁的研究

梁 雨

(內(nèi)蒙古路橋集團(tuán)有限責(zé)任公司 呼和浩特市 010050)

0 引言

在地基處理方法中有預(yù)壓真空法、換填法、強(qiáng)夯法、振沖法、水泥攪拌法等，振沖碎石樁[1-2]適用于處理砂土、粉質(zhì)粘土、粉土等，具有施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低等特點(diǎn)。許多研究學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了大量的研究，其中王兆利等[3-4]對(duì)振沖碎石樁在漁港工程中的施工工藝及地基處理效果進(jìn)行研究，研究表明水下振沖碎石復(fù)合地基與在道路、建筑等工程的應(yīng)用存在許多差異；黎桂香[5]用過(guò)研究提出振沖碎石樁復(fù)合地基的承載力計(jì)算新公式；陳自榮等[6]通過(guò)研究，表明振沖碎石樁在港口工程中應(yīng)用也具備經(jīng)濟(jì)性及安全性，可推廣使用。

在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，基于理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究方法，對(duì)實(shí)際水工工程振沖碎石樁進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況介紹

本工程位于某游輪碼頭，根據(jù)地勘資料顯示其鉆孔的標(biāo)高為-5.90～-7.85m之間，地勢(shì)較為平緩，研究區(qū)域內(nèi)的土層從上到下依次為淤泥，標(biāo)貫擊數(shù)≥1擊，厚度為2.4～5.8m；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，標(biāo)貫擊數(shù)≥1擊，厚度為5.0～7.2m；粉砂，該層分布最廣其厚度為1.2～4.2m；粉質(zhì)粘土分布較為均勻，厚度為0.9～4.0m，在粉質(zhì)黏土層下面的土層為強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖、中風(fēng)化輝綠巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖和中風(fēng)化板巖。

1.2 基礎(chǔ)處理

本工程考慮到成本等問(wèn)題，決定采用碎石樁作為地基處理方法，將其進(jìn)行處理，主要處理的地質(zhì)土層包括淤泥層、粉砂層及粉質(zhì)粘土層，各土層原地基承載力特征值為40kPa、100kPa及160kPa，碎石樁采用正三角布置，直徑為1.2m，樁與樁的中心間距為1.7m，碎石樁需達(dá)到粉質(zhì)黏土層并進(jìn)入≥1.2m，成樁后在樁頂面設(shè)置1.0m的碎石作為墊層，分層對(duì)其填充并壓實(shí)。

2 振沖碎石樁的監(jiān)測(cè)方法

2.1 土壓力監(jiān)測(cè)方法

在對(duì)振沖碎石樁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)樁間土壓力的檢測(cè)是一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)，為了解上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)位置的土壓力變化，本工程分別在兩個(gè)沉箱前后趾設(shè)置土壓力盒作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體的布置圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

2.2 土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

分別取相對(duì)應(yīng)的部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

從表1中可知，隨著時(shí)間的推移(組別按時(shí)間順序進(jìn)行記錄)，該土體的樁間土趨于穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)的壓力值均保持在50kPa左右，說(shuō)明該土樣的樁間土屬于正常狀態(tài)。

表1 土壓力測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表

2.3 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)方法

土體中的孔隙水水壓力變化不僅可以用于土體固結(jié)度的計(jì)算，還能作為土體強(qiáng)度增長(zhǎng)的判斷依據(jù)，也可用于施工堆載的控制依據(jù)。本工程中在布設(shè)孔隙水壓力檢測(cè)點(diǎn)時(shí)從上表面土層到承載力土層每隔2～3m布置一個(gè)孔隙水壓力測(cè)頭，并且為保證測(cè)點(diǎn)的有效性，當(dāng)儀器埋設(shè)完成后立馬對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)所測(cè)的孔壓力值穩(wěn)定后作為孔壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始值。本工程中的孔隙監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2所示。

圖2 孔隙水壓力測(cè)點(diǎn)布置圖

2.4 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

分別取相對(duì)應(yīng)的部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示。

表2 孔隙水壓力測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表

從表2中可知，隨著時(shí)間的推移，孔隙水壓力的超孔隙壓力消散并逐步趨于穩(wěn)定，說(shuō)明當(dāng)上部結(jié)構(gòu)完成后，上部荷載與空隙水壓力的關(guān)系不大，主要是由碎石樁與樁間土承擔(dān)上部荷載。

3 振沖碎石樁承載力計(jì)算

3.1 碎石樁置換率及等效直徑計(jì)算

復(fù)合地基單樁等效圓直徑及面積置換率的計(jì)算可根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

de1=1.05S1

(1)

de2=1.13S2

(2)

(3)

式中：de1、de2分別為等邊三角形和正方形布置時(shí)單樁等效圓的直徑(m)；S1、S2分別為等邊三角形和正方形布置時(shí)相鄰樁的中心距(m)；m為面積置換率；d為單樁設(shè)計(jì)的直徑(m)；de為單樁等效圓直徑(m)。

本工程根據(jù)1.2小節(jié)中碎石樁的布置方法，相應(yīng)的單樁等效直徑及置換率計(jì)算結(jié)果如下所示：

de1=1.05S1=1.05×1.7=1.785m

(4)

(5)

3.2 基底應(yīng)力計(jì)算

(1)結(jié)構(gòu)及土層自重

自重計(jì)算表見(jiàn)表3。

表3 自重計(jì)算表

表3中：第一層土自重=第一層土浮重度×體積，第一層上部自重累計(jì)和=第一層土自重+上部結(jié)構(gòu)自重；第二層土自重=第一層土自重+第二層土浮重度×體積，以此類推。

(2)基底應(yīng)力

應(yīng)力計(jì)算表見(jiàn)表4。

表4 應(yīng)力計(jì)算表

表4中：最大應(yīng)力與最小應(yīng)力=(上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂?shù)呢Q向力+基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)自重)/基礎(chǔ)底面積±作用于基礎(chǔ)底面力矩/基礎(chǔ)底面的抵抗矩。

3.3 碎石樁應(yīng)力計(jì)算

上部荷載由樁間土及碎石樁承擔(dān)。因此樁間土與樁加權(quán)平均為地基平均應(yīng)力：

(1-0.452)σ土+0.452σ樁=σ

樁間土σ土為51.63kPa，基底應(yīng)力為118.55kPa，因此可以求得σ樁=199.68kPa。

3.4 振沖碎石樁施工工藝及施工注意事項(xiàng)

振沖碎石樁在施工時(shí)主要涉及到的機(jī)械設(shè)備包括振沖器、水泵及操作振沖器吊機(jī)，其原理是通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)偏心塊運(yùn)動(dòng)，偏心塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生水平向的頻率和振幅，使土地得到擠壓，空心豎軸將壓力水通過(guò)振沖器下端高速噴出，成孔。振沖碎石樁施工的過(guò)程主要包括施工前準(zhǔn)備階段、儀器安裝就位對(duì)中、成孔及清空、加密振密階段、關(guān)閉振沖器并撤出施工區(qū)等幾個(gè)過(guò)程。振沖碎石樁在施工前應(yīng)先進(jìn)行試成樁；在施工的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)不同分區(qū)內(nèi)機(jī)械設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以保證不同設(shè)備達(dá)到相同的施工要求；需對(duì)施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行定期檢測(cè)，保證施工設(shè)備性能良好。對(duì)于水下工程除了滿足基本的要求外，還應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整，如當(dāng)水下存在厚度不一的淤泥等土層，并且在水下不易成孔時(shí)，可以在成孔時(shí)加大水量進(jìn)行沖孔，并且在加密過(guò)程中為防止碎石顆粒間的粘土，可以加大加密水壓將其沖出，還可以通過(guò)提高加密速度，以保證碎石樁的樁體成樁質(zhì)量。

4 結(jié)論

基于理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究方法，對(duì)實(shí)際水工工程振沖碎石樁進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)孔隙水壓力及土壓力的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，研究結(jié)果表明：振沖碎石樁在水工工程中的應(yīng)用及計(jì)算與工民建工程中振沖碎石樁的應(yīng)用及計(jì)算公式相似，處理后的復(fù)合地基承載力有所提高。