氣動組合式?jīng)_擊排水固結(jié)地基處理施工技術(shù)分析

傅宏林 （安徽建工集團(tuán)股份有限公司總承包分公司，安徽 合肥 230031）

1 引言

軟土地基作為一種特殊欠固結(jié)土，在我國濱海地區(qū)和內(nèi)陸湖泊區(qū)域廣泛分布。因其具有高含水率、高壓縮性、低滲透性等物理特征[1]，且表現(xiàn)出易變形、易剪縮、易流變等工程力學(xué)特性[2-3]，使得軟土地基承載力與穩(wěn)定性往往無法滿足工程建設(shè)要求。若不采取地基處理措施，在長期附加荷載及流變特性作用下易發(fā)生時效變形與工程破壞[4-5]，進(jìn)而影響建筑物正常使用。因此，軟土地基如何加固處理成為工程界亟待解決的重點(diǎn)問題。目前，軟土地基加固常使用復(fù)合地基法、置換法、擠密法、排水固結(jié)法等方法[6-7]。然而，復(fù)合地基法施工質(zhì)量要求嚴(yán)格且造價高；置換法不適用于處理深厚軟弱土層；擠密法（如強(qiáng)夯法、振沖法）需以軟土微觀結(jié)構(gòu)不被破壞為基礎(chǔ)，否則排水通道會因軟土過分?jǐn)_動發(fā)生破壞導(dǎo)致大量自由水無法排除，最終形成“橡皮土”[8]。排水固結(jié)法主要分為靜力、動力排水固結(jié)，可有效處理軟土地基沉降與穩(wěn)固難題。然而，靜力排水固結(jié)法（如堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓法）需以犧牲大量預(yù)壓時間為代價，且地層強(qiáng)度增長緩慢、固結(jié)效果不佳[9]。動力排水固結(jié)法是在強(qiáng)夯法基礎(chǔ)上通過增設(shè)豎向排水、改進(jìn)強(qiáng)夯工藝形成的，且已廣泛應(yīng)用于軟土地基加固工程中[10-11]。

通過結(jié)合軟土地基各加固處理工藝特點(diǎn)，本文提出一種適用于處理軟土地基的動力聯(lián)合排水固結(jié)法——?dú)鈩咏M合沖擊排水固結(jié)地基處理法。為了驗(yàn)證工藝處理效果，以某公用碼頭EPC 總承包工程為例，從工藝原理、工藝流程、操作要點(diǎn)、質(zhì)量控制等方面介紹該工藝，以期為后續(xù)類似工程提供技術(shù)支持。

2 施工工藝原理

氣動組合沖擊排水固結(jié)地基處理施工技術(shù)是被動與主動排水及變能量強(qiáng)夯工藝的結(jié)合，整個地基處理過程需進(jìn)行三周期排水和三遍強(qiáng)夯，第一和第二周期排水后各進(jìn)行一遍變能量點(diǎn)夯，第三周期排水后進(jìn)行一遍滿夯。將組合管的內(nèi)管抽成真空狀態(tài)，組合管周邊土層內(nèi)會形成高負(fù)壓環(huán)境，進(jìn)而促使土層孔隙水快速向組合管匯聚。而后進(jìn)行間歇性跳排，通過氣管向組合管內(nèi)壓入高壓氣體，組合管內(nèi)蓄存的水受壓后通過內(nèi)管排出。同時，壓入組合管內(nèi)的高壓氣體還能擴(kuò)散到周圍土體中，起到打通滲水通道、擠壓土體孔隙水并促使其向鄰排組合管內(nèi)積聚的作用。高負(fù)壓環(huán)境下土體被動排水，高壓氣體下土體主動排水，被動與主動相結(jié)合，孔隙水壓力消散迅速，排水效率大大提高，為變能量強(qiáng)夯、避免發(fā)生“橡皮土”現(xiàn)象創(chuàng)造了條件。強(qiáng)夯施工能置換夯實(shí)地基并形成致密硬殼層，同時，地基表面及其內(nèi)部在沖擊能量作用下會形成較多的貫通裂隙，可進(jìn)一步促進(jìn)土體孔隙水的主動排出[12]。因此，排水與強(qiáng)夯互相結(jié)合促進(jìn)，可達(dá)到高效處理地基的目的。

3 施工工藝流程與操作要點(diǎn)

3.1 工藝流程

氣動組合沖擊排水固結(jié)地基處理施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 施工準(zhǔn)備

基于地質(zhì)勘察報(bào)告開展強(qiáng)夯影響范圍地下管線等設(shè)施探查保護(hù)。同時，核對并修改施工圖紙與施工現(xiàn)場存在的幾何尺寸、位置、標(biāo)高等誤差，編制地基處理專項(xiàng)施工方案，確定合理的施工程序、順序與工藝流程，確保施工順利和現(xiàn)場布置合理。

3.2.2 清淤回填與井點(diǎn)測量定位

施工區(qū)域先排水再清除植物根莖、腐殖土、淤泥等，而后分層回填粘性土至地基處理設(shè)計(jì)標(biāo)高（施工操作面），分層厚不宜大于30cm。整平碾壓后在地基頂面整體鋪設(shè)不小于50cm 厚、級配良好且最大粒徑不超過10cm 的毛石墊層，再進(jìn)行氣動組合沖擊排水固結(jié)地基處理。為確保氣動組合管下管定位準(zhǔn)確，利用GPS 裝置根據(jù)氣動組合管平面布置圖進(jìn)行井點(diǎn)測量定位。

3.2.3 鉆孔下管與回填管周慮砂

氣動組合管主要包括外管、內(nèi)管、氣管及水平管，如圖2 所示。外管由長8m、管徑11cm 的PE 管制作而成，矩形分布，間距4m×5m。沿管底4m 范圍內(nèi)采用梅花型方式、間距10cm×10cm 設(shè)置管壁透水孔，孔徑為1cm。管壁采用無紡布或100 目尼龍濾網(wǎng)包裹，以避免排水過程中細(xì)小土顆粒堆積導(dǎo)致外管淤堵、排水性能降低等。內(nèi)管由長7.5m、管徑3.2cm 的PVC 管制作而成，置于組合管外管內(nèi)，頂部用橡膠塞固定，氣管由長7m、管徑1.2cm 的PU 管制作而成，內(nèi)管與氣管均進(jìn)行管底開口處理。水平管由管徑5cm 的PVC 管制作而成，根據(jù)組合管排距線性通長布置。

圖2 氣動組合管結(jié)構(gòu)大樣圖

氣動組合管下管采用打拔機(jī)配套219 型鉆桿成孔，鉆桿中空，長9m、外徑21.9cm、壁厚2cm。鉆孔前將組合管置于鉆桿內(nèi)部并關(guān)閉鉆桿端部蓋板，然后利用打拔機(jī)將內(nèi)含組合管的鉆桿垂直打入土體內(nèi)，控制垂直誤差在1%以內(nèi)。達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，提升鉆桿并將組合管留在孔內(nèi)，成孔后立即在井管與孔壁間填充砂石作為濾料，鉆孔頂部靠近地面部分用粘土回填并搗實(shí)，防止漏氣。

3.2.4 安裝氣動組合管網(wǎng)系統(tǒng)

氣動組合管下管完成后安裝抽水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由復(fù)式真空排水機(jī)組泵體、密封連接件、管道和控制系統(tǒng)組成。具體安裝步驟為水平管一端通過三通接頭、鋼絲軟管連接各管，另一端則分區(qū)匯至集水總管，集水總管一端再匯入往復(fù)式真空排水機(jī)組，往復(fù)式真空排水機(jī)組再連接一條排水軟管將抽出的水排入鄰近排水渠，最后再用纏繞膜逐一包裹各個接頭，形成密封的管網(wǎng)系統(tǒng)。管網(wǎng)連接完成后，檢查抽水控制系統(tǒng)并進(jìn)行試抽水，待達(dá)到正常出水量且水質(zhì)由渾濁變清澈后方可進(jìn)入第一排水周期。

3.2.5 降水與強(qiáng)夯

整個地基處理過程需進(jìn)行三周期降水和三遍點(diǎn)夯，前兩周期后分別進(jìn)行一次變能量點(diǎn)夯，第三周期降水后進(jìn)行一次滿夯。三個周期降水采用真空降水逐步增壓的方式，根據(jù)地層差異靈活調(diào)整布管間距、深度及夯擊能量等施工參數(shù)，進(jìn)而有效控制組合管降水范圍與工后差異沉降。第一周期降水5～7d，地下水位降至地面以下2.5m 后進(jìn)行第一遍變能量點(diǎn)夯，能量為1800～2000kN·m。第二周期降水6～8d，地下水位降至地面以下4.5m 且第一遍點(diǎn)夯后超孔隙水壓力消散80%以上方可開始第二遍變能量點(diǎn)夯，能量為2000～2300kN·m。第一遍強(qiáng)夯夯點(diǎn)與第二遍采用長5m、寬5m的正方形分布，如圖3（a）所示，每夯點(diǎn)4～6 擊，當(dāng)最后兩擊平均沉降量小于10cm 時可停錘。第三周期要求第二遍點(diǎn)夯后超孔隙水壓力消散70%以上方可進(jìn)行第三遍滿夯。

圖3 夯擊平面布置圖

三個周期降水過程中，若地下水位降幅偏低需提前采取間接性氣動增壓的措施，增壓不低于0.4MPa。第三周期降水結(jié)束后，根據(jù)強(qiáng)夯施工進(jìn)度分區(qū)域漸進(jìn)式降壓，即將強(qiáng)夯施工的數(shù)排區(qū)域一次性降壓到常壓，跳排拔除氣動組合管后進(jìn)行滿夯施工，強(qiáng)夯施工暫未影響到的區(qū)域要持續(xù)保持間接性施壓。場地經(jīng)過點(diǎn)夯初平后，進(jìn)行滿夯1/4 錘搭接，如圖3（b）所示，每夯點(diǎn)1～2 擊，能量800～1200kN·m。強(qiáng)夯過程中，當(dāng)夯坑周圍土體隆起值過大或深度超過1.5m 時應(yīng)暫時收錘并加強(qiáng)排水與點(diǎn)夯遍數(shù)，以避免形成“橡皮土”等破壞現(xiàn)象。

4 質(zhì)量控制

氣動組合式?jīng)_擊排水固結(jié)地基處理施工應(yīng)符合《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）、《建筑地基基礎(chǔ)工程施工規(guī)范》（GB 51004-2015）等規(guī)范要求[13-15]，允許偏差及檢驗(yàn)方法如表1 所示。施工前嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)點(diǎn)位進(jìn)行測量放線，并以夯點(diǎn)為中心，利用10cm 長木樁與白灰畫圈定位，保證夯錘就位、夯擊位置準(zhǔn)確。實(shí)時監(jiān)測并記錄復(fù)核施工過程每點(diǎn)的夯錘落距、夯擊能量、夯擊擊數(shù)及周圍環(huán)境沉降量等參數(shù)，確保符合設(shè)計(jì)要求。施工過程中吊車應(yīng)保持平穩(wěn)垂直，一旦出現(xiàn)夯擊位置不清或偏錘等問題，應(yīng)重新對點(diǎn)、分析偏錘原因并及時調(diào)正，坑底填平后方可繼續(xù)施工。

表1 氣動組合式?jīng)_擊排水固結(jié)地基處理施工允許偏差及檢驗(yàn)方法[13-15]

5 結(jié)論

本工程基于氣動式組合沖擊排水固結(jié)地基施工工藝，采用“真空降水、逐步增壓，主動、被動排水與變能量強(qiáng)夯相結(jié)合”的軟土地基處理關(guān)鍵技術(shù)，形成致密硬殼層的同時可進(jìn)一步促進(jìn)土體孔隙水排出，極大地提升了排水效率，有效避免了“橡皮土”及地基土體隆起等破壞現(xiàn)象。能夠有效提高軟土地基強(qiáng)度，控制施工后差異沉降，對處理大面積軟土地基加固效果明顯，經(jīng)濟(jì)與社會效益顯著，可為類似軟土地基處理工程提供參考與技術(shù)支持。