孔口填料干法振沖碎石樁在地基處理中的應(yīng)用

臧成新，張廣彪，張曉紅

（1.中電建振沖建設(shè)工程股份有限公司，北京 100102；2.北京振沖工程機(jī)械有限公司，北京 101118）

引言

振沖法是一種地基處理的方法，其是利用一個產(chǎn)生水平振動的管狀設(shè)備（振沖器）結(jié)合高壓水或高壓空氣的共同作用，使松散地基土層振擠密實(shí)；或在地基土層中形成碎石樁，碎石樁和周圍地基土形成復(fù)合地基的地基處理方法。

振沖法廣泛應(yīng)用于水利水電、火力發(fā)電、港口碼頭、石油化工、交通及民建等諸多領(lǐng)域[1]，振沖法適用于處理砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、素填土和雜填土等地基，以及用于處理可液化地基[2]。

振動水沖法碎石樁在松軟地基中施工由于水沖置換作用，產(chǎn)生較大孔徑，成樁直徑往往過大，同時施工過程中會產(chǎn)生大量泥漿，并且泥漿的處理難度較大、費(fèi)用較高[3-4]，隨著工程建設(shè)環(huán)保要求日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)振沖碎石樁的應(yīng)用有時受到限制，亦有人對振沖法的干法施工進(jìn)行研究，郭雙田等介紹了采用液壓振沖器進(jìn)行干法振沖碎石樁施工的應(yīng)用情況[5]；張廣彪等介紹了采用底部出料技術(shù)進(jìn)行干法振沖碎石樁施工的應(yīng)用情況[6]。但傳統(tǒng)的孔口填料干法振沖施工的應(yīng)用還較少，本文依托具體工程實(shí)例介紹孔口填料干法振沖碎石樁的應(yīng)用情況，為后續(xù)類似項(xiàng)目的實(shí)施提供參考。

1 工程概況

某海工塢鋼結(jié)構(gòu)倉庫及裝焊平臺地基處理項(xiàng)目，擬建場地臨近長江，場地淺部沖填土較厚，根據(jù)巖土工程勘察報告淺層各土層參數(shù)，第一層沖填土層以砂土、粉質(zhì)粘土為主，夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和少量砂土，松散不均勻，力學(xué)強(qiáng)度差，厚度較厚，天然地基不可直接利用，需進(jìn)行地基處理。

處理后復(fù)合地基承載力特征值要求為倉庫基礎(chǔ)區(qū)域110 kPa，非基礎(chǔ)區(qū)域70 kPa。

2 工程地質(zhì)條件

勘察揭示，場地表層1 為沖填土，其余土層為第四紀(jì)全新世（Q4）沉積土。根據(jù)巖土層沉積年代、成因類型、巖土的工程特性和狀態(tài)進(jìn)行分層，勘察深度內(nèi)的巖土層可分為7 層。主要地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 主要地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

勘探深度25.0 m 范圍內(nèi)主要含水層有：

上部2～7 層土中地下水，屬孔隙潛水，并隨大氣降水、河水水位及季節(jié)有升降變化，年變化幅度在1.0 m 左右，勘察期間，測得場地孔隙潛水穩(wěn)定水位埋深為2.0 m 左右，施工期，地下水水位在施工面以下1 m 左右。

3 地基處理方案比選

松軟地基加固處理，合理選擇處理方案是滿足設(shè)計(jì)要求和降低工程造價的重要途徑之一。本場地對地基承載力要求不高，對于松軟的沖填土地基處理，一般可采用的地基處理方法有換填墊層法、強(qiáng)夯法、振沖法等，對以上地基處理方法進(jìn)行對比，比選結(jié)果見表2。

表2 地基處理方案比選

通過表2 分析，換填墊層法換填厚度大，需要降水，造價高；因周邊存在吊車道樁基和已完成的管溝，且地下水位埋藏淺，不宜采用重夯處理；經(jīng)過綜合比選，設(shè)計(jì)選用振沖碎石樁法，設(shè)計(jì)碎石樁樁徑800 mm，振沖樁身進(jìn)入下部2 層穩(wěn)定中密砂質(zhì)粉土層不小于0.5 m 且1.5 m 范圍內(nèi)無軟弱下層，樁長5～6 m。

水沖法振沖碎石樁施工因水沖置換作用，往往成樁直徑過大，為了控制樁徑、節(jié)約石料，同時增加地基處理效果，不至于將大量細(xì)顆粒隨泥漿返出孔口；另外，為了減少水沖法振沖碎石樁施工產(chǎn)生的大量泥漿，本工程通過改進(jìn)振沖設(shè)備、優(yōu)化施工工藝等措施實(shí)現(xiàn)孔口填料振沖碎石樁干法施工。

4 振沖設(shè)備改進(jìn)

傳統(tǒng)孔口填料振沖碎石樁施工時振沖器高壓水從潛水電機(jī)頂部進(jìn)入，通過內(nèi)置水道從振沖器端部水嘴噴出，輔助造孔及填料制樁的同時，起到潛水電機(jī)及振沖器內(nèi)部結(jié)構(gòu)降溫作用。

通過對振沖器進(jìn)行改進(jìn)實(shí)現(xiàn)循環(huán)水冷卻，進(jìn)而達(dá)到避免設(shè)備過熱、保護(hù)設(shè)備的目的。設(shè)備原冷卻方式及改進(jìn)后冷卻方式示意圖見圖1。

圖1 振沖設(shè)備改進(jìn)示意圖

原水沖法振沖碎石樁設(shè)備施工時，電機(jī)使用溫度約70 °。改進(jìn)后的干法振沖碎石樁設(shè)備，使用水箱及循環(huán)水泵進(jìn)行循環(huán)水冷卻，潛水電機(jī)在使用過程中溫度約80 °，使用溫度與原水沖法振沖碎石樁設(shè)備相比略有提高，對設(shè)備使用影響不大，具有大幅減少施工用水量、不產(chǎn)生大量泥漿、不會產(chǎn)生環(huán)境污染等優(yōu)勢（見圖2）。

圖2 干法振沖與水沖法振沖施工現(xiàn)場圖

5 振沖碎石樁設(shè)計(jì)及施工參數(shù)

1）樁長：5～6 m；樁間距：2.5 m；樁徑：800 mm；單樁填料量：2.5～3.0 m3；布樁形式：正三角形；設(shè)備型號：電動振沖器130 kW、循環(huán)水冷卻供水泵7.5 kW、冷卻水箱3 m3；造孔電流：70～150 A；加密電流：100 A；加密段長度：0.3～0.5 m；留振時間：4 s。

2）樁體材料：質(zhì)地堅(jiān)硬、級配良好的碎石，粒徑20～40 mm。

3）施工效率：造孔時間3～4 min；填料加密時間5～6 min；成樁時間9～10 min。

6 干法振沖碎石樁施工工藝及技術(shù)要求

干法振沖施工工藝如下：

1）清理平整場地，布置樁位；2）施工機(jī)具就位，使振沖器對準(zhǔn)樁位；3）開啟振沖器、循環(huán)水冷卻泵，待振沖器運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，使振沖器徐徐沉入土中，直至設(shè)計(jì)處理深度；4）將振沖器提出孔口；5）向孔內(nèi)倒入0.3～0.5 m3石料，下沉振沖器進(jìn)行振密，達(dá)到規(guī)定的加密電流值，若達(dá)不到規(guī)定值，應(yīng)將振沖器提出孔口繼續(xù)填料振密；6）將振沖器提出孔口，繼續(xù)制作上部樁段，每次加密段長度為0.3～0.5 m；7）重復(fù)步驟4），5），6），自下而上制樁，至設(shè)計(jì)要求標(biāo)高；8）關(guān)閉振沖器。

7 孔口填料干法振沖與水沖法振沖對比分析

1）加固效果方面

水沖法振沖對土體主要是置換作用，通過水將樁孔的土變成泥漿排出，屬于“排土樁”，其對松軟的樁周黏性土幾乎沒有擠密作用，而干法振沖成孔及振密成樁過程均不需要水，主要靠水平振動力將土壤顆粒擠向周圍土體形成樁孔，從而使樁間土密度增大、承載力提高。

2）施工工藝方面

干法孔口填料振沖碎石樁施工工藝與水沖法振沖碎石樁施工工藝基本相同，均分為造孔、填料、振密成樁等過程，區(qū)別在于后者造孔和振密過程均需要大量用水，在軟粘土地基中施工，針對孔內(nèi)泥漿較稠情況，有時還需增加清孔過程。干法振沖不需要水，施工較為方便，無泥漿污染問題。此外，填料方式亦不同，傳統(tǒng)振沖碎石樁施工填料方式可采用強(qiáng)迫填料法、連續(xù)填料法、間斷填料法中的一種或多種[7]，而干法孔口填料振沖碎石樁的填料方式多為間斷填料方式，即每次填料均需將振沖器提離孔口。

3）施工質(zhì)量控制方面

水沖法振沖施工質(zhì)量控制指標(biāo)主要有造孔水壓、加密水壓、加密電流、留振時間、加密段長度等，而干法振沖施工質(zhì)量控制主要為加密電流、填料量、振密段長度等，為了提高成樁均勻性及控制制樁時間，干法振沖施工填料宜采用單次少填，多次填料方式，每次填料控制在0.5 m3以下。

4）其他方面

干法振沖較水沖法振沖配套設(shè)備方面減少了排污泵、排污管線等，進(jìn)而減少了施工人員的配置，單臺套干法振沖施工機(jī)組較水沖法減少1～2 人。

干法振沖單樁石料用量較水沖法減少20 %左右，主要因?yàn)槭┕すに嚥煌?，干法振沖將土顆粒擠入周圍土體，使樁周土承載力增大，達(dá)到設(shè)計(jì)要求密實(shí)電流所需填入的石料相對減少。

8 效果檢測

按照設(shè)計(jì)要求，干法振沖碎石樁施工結(jié)束后對倉庫基礎(chǔ)區(qū)域復(fù)合地基進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，共進(jìn)行3根單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[8]對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，單樁復(fù)合地基承載力統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 單樁復(fù)合地基承載力統(tǒng)計(jì)表

本工程單樁復(fù)合地基承載力特征值 110 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

9 結(jié)語

1）工程結(jié)合設(shè)計(jì)要求及地質(zhì)條件，采用經(jīng)改進(jìn)后的130 kW 大功率振沖器干法施工，既避免了將大量土壤細(xì)顆粒置換出孔口，增加土層密實(shí)效果，又達(dá)到了無泥漿污染、環(huán)保施工要求，在松軟沖填土中造成了具較高密實(shí)度的碎石樁，并對樁間土起到了擠密作用，形成了復(fù)合地基。經(jīng)檢測，加固后的復(fù)合地基承載力完全滿足要求。

2）在施工配套設(shè)備及施工人員配置數(shù)量方面、原材料使用量方面及泥漿處理費(fèi)用方面，干法振沖較水沖法都將減少，從而達(dá)到節(jié)約成本、降低工程造價目的。

3）本工程采用孔口填料干法振沖碎石樁對淺層松軟地基土進(jìn)行處理取得了預(yù)期效果，但對于處理深度較大的項(xiàng)目，應(yīng)用該方法處理的適用性、效果、工效、造價等方面還需大量工程的實(shí)施進(jìn)行驗(yàn)證。