劉新民, 曾 濤, 曾鐵鋼

(中國水利水電第五工程局有限公司 第五分局,四川成都 610225)

1 概 述

擠密砂樁在 19世紀(jì) 30年代源于歐洲,當(dāng)時發(fā)展很慢,直到 20世紀(jì) 50年代擠密砂樁在國內(nèi)外才得以迅速發(fā)展,施工工藝才逐步走向完善和成熟。20世紀(jì) 50年代后期,日本成功地研制了振動式和沖擊式擠密砂樁施工機(jī)械,從而大大提高了工作效率和施工質(zhì)量,處理深度很快由原來的 6 m增加到 30多 m。擠密砂樁在我國的應(yīng)用也始于 50年代。起初,擠密砂樁法用于處理松散砂土地基,其加固原理是依靠成樁過程中對周圍砂土的擠密和振密作用提高松散土體地基的承載力,防止飽和砂土或粉土產(chǎn)生地震液化。后來,國內(nèi)外也逐漸將擠密砂樁用來處理軟弱粘性土、粉土和砂土,其加固原理是利用擠密砂樁的擠密、預(yù)震、置換和排水減壓作用提高液化地基的穩(wěn)定性和承載力。

自擠密砂樁引入我國后,在工業(yè)及民用建筑、交通、水利等工程建設(shè)中均得到廣泛應(yīng)用。近 20年來,國內(nèi)在利用擠密砂樁處理松散砂土、防止砂土液化方面取得了許多成功的經(jīng)驗,解決了一些工程實際問題。擠密砂樁加固軟弱土地基的機(jī)理主要是:提高樁體和樁間土的密實度,從而提高地基的承載力,減小變形、增強(qiáng)抗液化能力并改善地基力學(xué)性能等。

南水北調(diào)中線焦作段位于太行山山前沖洪積平原上,地形較平坦,沿渠線范圍內(nèi)地勢總體呈西南高,東北低,由間歇性洪水堆積形成的洪積扇彼此相連或疊加而成帶狀坡洪積裙。場區(qū)附近分布著第四紀(jì)構(gòu)造斷裂:盤古寺斷裂、五龍口斷裂、濟(jì)源-博愛斷裂、溫縣-孟縣黃河斷裂和武陟斷裂。渠道以半挖半填為主,渠底板主要位于重粉質(zhì)壤土中,渠坡主要由重粉質(zhì)壤土和輕粉質(zhì)壤土夾卵石組成,其中Ⅳ29+900～Ⅳ31+900(府城 ～白馬門河)段分布的輕粉質(zhì)壤土為可液化土層,需進(jìn)行地基處理。該段地下水主要賦存在第四系中細(xì)砂、礫卵石及少粘性土中,地下水位一般埋深 0.8 m,采用擠密砂樁地基處理法可避免地下水位對地基處理效果的影響。

2 擠密砂樁優(yōu)化施工

地基液化是飽和砂土、粉土和輕粉質(zhì)粘土在振動作用下土體孔隙水壓力增加,有效應(yīng)力減小,土體失去抗剪強(qiáng)度而呈懸浮狀態(tài),使地基喪失穩(wěn)定性。擠密砂樁是通過沉管振動法加固砂土、粉土和輕粉質(zhì)粘土地基,防止其液化。機(jī)理:擠密作用、預(yù)震效應(yīng)、置換作用和排水減壓作用。

2.1 施工準(zhǔn)備。

(1)現(xiàn)場作業(yè)準(zhǔn)備。

①在擠密砂樁成樁擠密試驗施工前,依據(jù)所提供的施工技術(shù)要求、地質(zhì)資料、有關(guān)規(guī)程規(guī)范,做好安全技術(shù)交底;排查場地范圍內(nèi)地下管線的布設(shè)情況,對地面及地下的不良填充物、障礙物應(yīng)提前處理。

②場地平整施工:擠密砂樁施工前,先由測量隊根據(jù)圖紙放出擠密砂樁地基處理邊界線,再用推土機(jī)、振動碾進(jìn)行場地平整,場地平整標(biāo)高為根據(jù)地形圖擬定的標(biāo)高,施工時根據(jù)“寧填勿挖”的原則進(jìn)行整平;挖除地表堅硬物體,使振沖器能順利下鉆。

③布置場內(nèi)運輸?shù)缆?、道路兩邊的排水盲溝、縱向排水溝、料場、沉淀池及清水池,準(zhǔn)備好照明設(shè)施以便夜間施工。

(2)測量放線。

擠密砂樁樁點位置放線依據(jù)《設(shè)計圖紙》中樁點的設(shè)計位置進(jìn)行測量放線定位。放線儀器設(shè)備:全站儀、水準(zhǔn)儀、塔尺、鋼卷尺等。

由測量人員使用全站儀、水準(zhǔn)儀等,根據(jù)圖紙、坐標(biāo)控制點,在擠密砂樁施工區(qū)域做好測量控制點,控制點用木樁打入土層,并在木樁上釘釘子定位。控制點應(yīng)選在施工機(jī)械停放和施工時不會阻擋與碰撞的位置。繪制測量放線圖,測量隊根據(jù)圖紙進(jìn)行測量放樣,每個樁位均以木樁作標(biāo)志,編制樁號。

(3)擠密砂樁施工參數(shù)。

擠密砂樁施工采用振動沉管成樁法,成樁設(shè)備為 D Z 70K S振動沉管樁機(jī),采用逐步拔管、重復(fù)利用振動和擠壓使孔內(nèi)填料密實法成樁。D Z 70 K S振動沉管樁機(jī)的主要參數(shù):功率 2×37 k W,振動頻率 18.3 H z,靜偏心力矩 300 N?m,激振力420 k N。擠密砂樁地基處理法的設(shè)計參數(shù):樁徑采用 0.5 m,正三角形布置,樁間距 1.5 m;樁體填料可用礫砂、粗砂、中砂或石屑等硬質(zhì)材料,級配良好,最大粒徑不宜大于 50 m m,含泥量不大于5%。擠密后的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):①擠密砂樁長度超出液化土層深度不小于 0.5 m;②處理深度范圍內(nèi)土層處理后的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)實測值不低于地震液化的臨界標(biāo)貫擊數(shù),或相對密度不低于 0.75,達(dá)到不液化要求。根據(jù)成樁擠密試驗,嚴(yán)格控制沉管的提升高度和速度,控制灌入碎石的量、擠壓次數(shù)和時間以及電機(jī)的工作電流。

(4)材料準(zhǔn)備。

擠密砂樁灌入材料采用級配良好的中石進(jìn)行材料試驗,材料含泥量不大于 5%,最大粒徑不超過50 m m。

2.2 擠密砂樁施工工藝流程圖

飽和砂土地震液化地基擠密砂樁成樁施工工藝流程見圖 1。

2.3 擠密砂樁優(yōu)化施工

根據(jù)成樁擠密試驗記錄樁的貫入深度和時間、壓入的礫砂量及電流變化確定的參數(shù)、密實電流、留振時間、填料量等指導(dǎo)施工。成樁后按設(shè)計和規(guī)范要求對成樁效果進(jìn)行檢驗,復(fù)核地基承載力。

(1)清基驗收合格后,復(fù)測標(biāo)高,測量放線并經(jīng)報監(jiān)理驗收合格后進(jìn)行擠密砂樁成樁擠密試驗施工。

(2)樁架就位保持平整、穩(wěn)固,將套管尖插在測設(shè)好的標(biāo)樁上并與地面保持垂直對準(zhǔn)樁位(活瓣樁靴閉合),垂直度偏差不大于 1%。

(3)啟動振動錘將樁管振入土中,利用振動器自重和激振力將套管沉入軟土層中達(dá)到設(shè)計深度,使樁管周圍的土擠密或擠壓;沉管過程中,記錄員應(yīng)認(rèn)真做好記錄,每沉 1 m記錄電流表上的電流一次,對土層變化處予以說明。當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時,向吊車司機(jī)報警響鈴,上提振沖器。在施工過程中,若電器儀表指示異常,立即斷開電路并向技術(shù)負(fù)責(zé)人報告。

(4)沉管至設(shè)計標(biāo)高后,采用人工配合小型裝載機(jī)將級配良好的礫砂料分批灌入套管中(分四次灌入)。每次加料量為管內(nèi) 1.4 m堆高的填料。從樁管上端的投料漏斗加入料,填料量計算:

式中 Q為每根樁的填料量;L為樁長,m,取 5.7 m;D為樁徑(m),取 0.5 m;K為充盈系數(shù),一般為 1.2～1.4,現(xiàn)取 1.3。得 Q=1.42 m3。灌砂率計算:1根砂樁所分擔(dān)的地基面積 A=3.46 m2,擠密砂樁每 m的灌入量 S A=Q/L=0.3 m3/m,單位長度平均灌砂率 V p=S A/A=0.087。

地基處理后要求達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)貫入值 N1、地基處理后達(dá)到的平均標(biāo)貫值為 n,則有:

式中 N1′為地基處理后樁間土標(biāo)貫值;NP為砂樁中心標(biāo)貫值。

(5)碎石填灌完成后,開動振動器,在原地留振 10 s后,邊振動邊拔管,拔管速度 控 制 在 1～1.5 m/m i n。隨著振動拔管套管尖活瓣打開,碎石進(jìn)入樁孔并被初步振實。

(6)在放完套管內(nèi)的碎石后,利用振動器自重和激振力將套管擠壓入已填入樁孔的碎石內(nèi)并將碎石擠入周圍土體,擠振密實。

(7)重復(fù)以上步驟,直至樁孔內(nèi)填滿碎石,拔出套管,樁架移位,進(jìn)行下一根樁的施工。

圖 1 擠密砂樁成樁工藝流程圖

(8)擠密砂樁成樁施工完成后,間隔足夠時間后采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、靜力觸探、動力觸探或其他原位測試方法(檢測位置位于等邊三角形的中心)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(檢驗點數(shù)量不少于樁孔總數(shù)的2%)。

2.4 擠密砂樁優(yōu)化施工時的注意事項

(1)注意原材料的級配,一定要符合要求。

(2)嚴(yán)格按照成樁擠密試驗結(jié)果控制電流和振沖器的留振時間。

(3)注意振實擠密效果,防止發(fā)生“斷樁”或“縮頸樁”。

(4)嚴(yán)格控制樁的豎直度,保證起重設(shè)備平穩(wěn),導(dǎo)向架與地面垂直,垂直偏差不應(yīng)大于 1%,成孔中心與設(shè)計樁位偏差不應(yīng)大于 50 m m,將樁徑偏差控制在 ±20 m m以內(nèi),樁長偏差不大于100 m m。

(5)成孔時地基土應(yīng)接近最佳(或塑限)含水量。當(dāng)場地內(nèi)土質(zhì)變化較大或土的含水量超過22%時,施工前進(jìn)行成孔試驗,以便查明成孔質(zhì)量和擠密效果。

(6)施工時,要嚴(yán)格按照設(shè)計要求的樁長、樁徑、樁間距、碎石灌入量以及成樁擠密試驗確定的提升高度和速度、擠壓次數(shù)和留振時間、電機(jī)的工作電流等參數(shù)進(jìn)行施工,以確保擠壓均勻和樁身的連續(xù)性。

(7)碎石灌入量不少于設(shè)計值的 95%,如不能順利下料時,可適量往管內(nèi)加水。

3 技術(shù)要求

擠密砂樁成樁擠密試驗技術(shù)參數(shù)按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》J G J 79-2002中的要求確定。

(1)施工前進(jìn)行成樁工藝和成樁擠密試驗,當(dāng)成樁質(zhì)量不能滿足設(shè)計要求時,調(diào)整施工或設(shè)計參數(shù)后再進(jìn)行試驗。

(2)擠密砂樁施工間隔(跳打)進(jìn)行,并由外側(cè)向中間施工;在已有建筑物鄰近施工時,要背離建筑物方向進(jìn)行。

(3)施工圖各控制點的地面高程是依據(jù)實測地形資料并除去清基 30 c m后確定的,施工中可根據(jù)實際地形情況及施工條件進(jìn)行適當(dāng)平整,平整后的地面高程不得高于控制點高程。

(4)砂石樁施工后,將控制點高程以下的松散層夯壓密實,隨后按渠道填筑要求進(jìn)行填筑。

(5)擠密砂樁處理段與強(qiáng)夯處理渠段銜接,先進(jìn)行該段的強(qiáng)夯處理后,再進(jìn)行擠密砂樁施工。與跨渠建筑物交叉時,則先進(jìn)行擠密砂樁的施工后,再進(jìn)行建筑物的施工。

(6)施工時,擠密砂樁樁位的水平偏差不大于 0.3倍(150 m m)套管外徑;套管垂直度偏差不大于 1%。

4 地基處理效果的檢驗

施工后,間隔一定時間進(jìn)行質(zhì)量檢驗,對于飽和粘性土地基應(yīng)待孔隙水壓力消失后進(jìn)行,間隔時間不少于 28 d;對于粉土、少粘性土和雜填土地基不少于 7 d。

(1)地基承載力的檢驗。

砂樁地基荷載試驗結(jié)果如圖 2所示,樁間土荷載試驗結(jié)果如圖 3所示。

由圖 2可以看出,砂樁地基荷載與沉降關(guān)系曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點。荷載在 230 k P a以前曲線呈線性關(guān)系,為彈性變形,荷載 P0=230 k P a;采用相對沉降法取 S/b=0.02,在荷載與沉降關(guān)系曲線上對應(yīng)的 P0.02=430 k P a,為天然地基承載力P=130 k P a的三倍以上。由圖 3可以看出,樁間土荷載與沉降關(guān)系曲線也沒有明顯的轉(zhuǎn)折點。采用相對沉降法取 S/b=0.02,在荷載與沉降關(guān)系曲線上對應(yīng)的 P0.02=234 k P a,為天然地基承載力的 1.8倍。

(2)地基液化性的檢驗。

檢驗標(biāo)準(zhǔn):在處理深度范圍內(nèi),土層處理后的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)實測值不低于地震液化的臨界標(biāo)貫擊數(shù)或相對密度不低于 0.75,即地基液化土層達(dá)到處理要求,不會發(fā)生地震液化。

①檢測儀器。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備由標(biāo)準(zhǔn)貫入器、觸探桿及穿心錘組成,其規(guī)格見表 1。

圖 2 砂樁地基 P—S曲線圖

圖 3 樁間土 P—S曲線圖

表 1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備規(guī)格表

②檢測過程。

a.標(biāo)貫試驗前,使用回轉(zhuǎn)鉆頭鉆孔至試驗標(biāo)高以上 15 c m處,避免對目標(biāo)土層發(fā)生擾動作用,并測量深度尺寸。

b.采用自動脫鉤的自由落錘法進(jìn)行錘擊,并減少導(dǎo)向桿與錘間的摩阻力,避免錘擊偏心和側(cè)向晃動,保持貫入器、探桿、導(dǎo)向桿連接后的垂直度。標(biāo)準(zhǔn)貫入器見圖 4。

圖 4 標(biāo)準(zhǔn)貫入器示意圖

c.以 15～30擊/m i n的速度將貫入器打入試驗土層中,先打入 15 c m,不計擊數(shù),繼續(xù)貫入土中 30 c m,記錄錘擊數(shù) N。若地層比較密實,貫入擊數(shù)較大時,也可記錄貫入深度小于 30 c m的擊數(shù),此時,需按下式換算成貫入深度為 30 c m的錘擊數(shù) N。

式中 n為所選取的任意貫入數(shù)的錘擊數(shù);△s為對應(yīng)錘擊數(shù) n的灌入量。

d.拔出貫入器,取出貫入器中的土樣進(jìn)行鑒別描述,對土的顏色、粗細(xì)程度、保水性等進(jìn)行初步判斷。

e.標(biāo)貫深度應(yīng)穿透液化土層,完成 1次標(biāo)貫試驗后鉆探到下一個標(biāo)高處,重復(fù)上述步驟,每 1 m進(jìn)行 1次標(biāo)貫試驗。

③地基的液化可行性判別和液化等級劃分。

地基土的液化是由于震動過程中土體有收縮的趨勢,在不排水條件下,表現(xiàn)為孔隙水壓力升高、累積,當(dāng)孔隙水壓力等于上覆壓力時,土的抗剪強(qiáng)度喪失,土體發(fā)生流動的現(xiàn)象。沙土、粉土、輕粉質(zhì)粘土易發(fā)生。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》G B J 11-89采用的判定方法分兩步:第一是初步判別:a.地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世(Q 3)或以前時,應(yīng)判為非液化土;b.粉土中粘粒含量(粒徑小于 0.005 m m)不少于表 2所列百分率時,應(yīng)判為非液化土。

凡是經(jīng)初判認(rèn)為屬于可能液化的土層時,應(yīng)進(jìn)行第二步詳判:當(dāng)飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時,應(yīng)判為液化土。在地面 15 m深度范圍內(nèi),液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值按下式計算:

式中 Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值,按表 2采用;ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點深度(m);dw為地下水位深度(m);ρc為粘粒含量百分率,當(dāng)小于 3或為砂土?xí)r,采用 3。

液化等級的劃分:當(dāng)?shù)鼗心承┩翆訉儆诳梢夯習(xí)r,需要進(jìn)一步估計整個地基產(chǎn)生液化后果的嚴(yán)重性,即危害程度。液化指數(shù)用 ILE表示。

表 2 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值表

式中 Ni,Ncri分別表示液化土層中第 i個標(biāo)準(zhǔn)貫入點的實測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)和臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù);n為 15 m深度范圍內(nèi)各個鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點的總數(shù);di為第 i個標(biāo)準(zhǔn)貫入點所代表的液化土層厚度,m;ω0i反映第 i個液化土層層位影響的權(quán)函數(shù),按圖 4取值,取層厚 d中點處的權(quán)函數(shù)值。

5 質(zhì)量檢驗

(1)在施工期間及施工結(jié)束后,檢查砂石樁的施工記錄,檢查套管往復(fù)擠壓振動次數(shù)與時間、套管升降幅度和速度、每次填砂石料量等施工記錄。

(2)施工后,間隔一定時間進(jìn)行質(zhì)量檢驗,對于飽和粘性土地基,應(yīng)待孔隙水壓力消失后進(jìn)行,間隔時間不少于 28 d;對粉土、少粘性土和雜填土地基不少于 7 d。

(3)質(zhì)量檢驗的方法:樁間土采用標(biāo)準(zhǔn)貫入和原位測試試驗測定,檢驗位置在等邊三角形的中心。

(4)質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn):施工后擠密砂樁長度超出液化土層的深度不小于 0.5 m,處理深度范圍內(nèi)土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)實測值不低于地震液化的臨界標(biāo)貫擊數(shù),或相對密度不低于 0.75,具體見表 3。檢驗數(shù)量不少于樁孔總數(shù)的 2%,檢驗深度不小于設(shè)計處理深度。

6 質(zhì)量保證措施

為加強(qiáng)對擠密砂樁成樁擠密試驗的管理,主要負(fù)責(zé)人應(yīng)主管施工工藝,確保工程質(zhì)量。所有計量器具必須經(jīng)檢定合格后方可使用。特殊工種作業(yè)人員必須持有合格證和上崗證。

7 安全技術(shù)措施

按照 G B/T 28001-2001標(biāo)準(zhǔn)的要求配備施工人員,合理組織施工。

(1)加強(qiáng)現(xiàn)場施工人員的安全知識教育。按期進(jìn)行設(shè)備檢查保養(yǎng),禁止在運行中檢修。

表 3 擠密砂樁質(zhì)量檢驗表

(2)設(shè)立專職安全員,并經(jīng)常在現(xiàn)場巡回檢查,及時采取有效措施,排除一切不安全因素,將一切不安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

(3)凡進(jìn)入工地的施工人員必須戴安全帽,統(tǒng)一指揮,協(xié)調(diào)作業(yè),嚴(yán)禁在施工現(xiàn)場嬉笑打鬧。

(4)施工現(xiàn)場的一切電源均設(shè)漏電保護(hù)裝置,電路的安裝和拆除由專人管理和操作,電器必須接地,發(fā)現(xiàn)有損壞的電線時應(yīng)立即更換,杜絕漏電事故的發(fā)生。

(5)保持施工現(xiàn)場的清潔衛(wèi)生,嚴(yán)禁隨地亂丟、亂放,爭創(chuàng)文明工地。

8 結(jié) 語

用擠密砂樁法處理液化地基,可以提高樁體和樁間土的密實度,增大相對密度,加快地基的排水固結(jié),從而提高地基的承載力,減小變形,增強(qiáng)其抗液化能力并改善地基的力學(xué)性能,值得推廣。

[1] 李永樂,李日運.巖土工程勘察[M].鄭州:黃河水利出版社.2000.

[2] 孫文懷.基礎(chǔ)工程設(shè)計與地基處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.1999.

[3] 吳湘興.建筑地基基礎(chǔ)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社.2003.

[4] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范,G B 500007-2002[S].

[5] 建筑抗震設(shè)計規(guī)范,G B 50007-2001[S].