龍治國(guó)

(新疆吐魯番公路管理局托克遜分局)

袋裝砂井法處治軟弱地基技術(shù)介紹

龍治國(guó)

(新疆吐魯番公路管理局托克遜分局)

摘 要:介紹了一種目前在工程實(shí)施中較為新型的工藝——袋裝砂井處治技術(shù)，對(duì)該工藝的設(shè)計(jì)、施工做出詳實(shí)的闡述。

關(guān)鍵詞:軟弱地基;袋裝砂井法;固結(jié)度;孔隙水;砂井

0 引言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，改革開(kāi)放促使了我國(guó)的高速公路建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，截至2006年底，我國(guó)的高速公路通車(chē)?yán)锍桃堰_(dá)4.54萬(wàn)km。與此同時(shí)，在高速公路的建設(shè)過(guò)程中遇到需要進(jìn)行加固的不良地基也越來(lái)越多，尤其是軟土地基處治也是廣大公路建設(shè)從業(yè)者所面臨的共同問(wèn)題。軟土在我國(guó)沿海地區(qū)和內(nèi)陸平原或山間盆地都有比較廣泛的分布，它們的成因、結(jié)構(gòu)和形態(tài)雖然不同，但都具有含水量大、壓縮性高、強(qiáng)度低和透水性差的特點(diǎn)。

1 應(yīng)用袋裝砂井法的原則

袋裝砂井在處理公路軟弱地基時(shí)主要起以下作用。

(1)排水固結(jié)作用。在軟土地基中設(shè)置袋裝砂井這個(gè)排水“通道”，改變了原有地基的邊界條件，增加了孔隙水的排除途徑，在逐級(jí)填筑路堤荷載作用下，使得軟基中的水分能夠快速排出，從而縮短固結(jié)時(shí)間、加快軟土固結(jié)速率，使土體強(qiáng)度增長(zhǎng)，地基承載力提高。由于砂井的間距遠(yuǎn)小于被加固軟土層的厚度，因此土體中的孔隙水主要是從水平向集中到砂井中排出的，豎向排水只是少量的。

(2)承重作用。影響加固作用的主要原因是砂井的間距而不是直徑。在同一井徑的情況下，砂井間距減小1/2，固結(jié)時(shí)間約縮短3倍;在同一間距的條件下，井徑增大1倍，固結(jié)時(shí)間約只減少1/3，因此縮短間距比增加井徑對(duì)加速固結(jié)的效果更好，所以應(yīng)采用“細(xì)而密”的原則。

(3)加筋和抗滑作用。由于裝砂的砂袋通常由化纖紡織物制成，它具有較大的拉伸強(qiáng)度，工程在施工加荷時(shí)豎向砂袋正好處在與土體滑動(dòng)帶相交位置，所以起到了豎向加筋和抗滑作用，對(duì)土體的穩(wěn)定較為有利。

袋裝砂井法主要適用于軟土厚度大、路堤穩(wěn)定、填土高的軟土路基，如軟粘土、淤泥和淤泥質(zhì)土地基。如果天然土層的水平排水性比垂直方向的大，或軟土中有薄層粉細(xì)砂夾層時(shí)，效果會(huì)更好。不適用于次固結(jié)量占很大比例的土類(lèi)，如泥炭、有機(jī)質(zhì)粘土和高塑性粘土。

2 設(shè)計(jì)

袋裝砂井法的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)有井徑、井間距和井長(zhǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)勘察調(diào)查的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮到工期、容許工后沉降、路堤高度、施工條件等因素，并通過(guò)固結(jié)理論計(jì)算來(lái)確定袋裝砂井的直徑、間距和長(zhǎng)度。在預(yù)壓期內(nèi)要求完成的固結(jié)度大小，則根據(jù)路基剩余沉降以及不均勻沉降可能造成道路基面層結(jié)構(gòu)破壞這一因素來(lái)考慮，一般取固結(jié)度U=80%～95%。

2.1 直徑和間距

由于縮小砂井間距比增大砂井直徑使得加固效果更為明顯，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用“細(xì)而密”的方案比用“粗而疏”的方案好。袋裝砂井的布置形式一般有等邊三角形(即梅花形)和正方形兩種，設(shè)袋裝砂井的設(shè)置間距為L(zhǎng)，其影響圓的直徑。

當(dāng)為等邊三角形排列時(shí)

2.2 砂井長(zhǎng)度

砂井的長(zhǎng)度主要取決于軟土層排水固結(jié)效果。一般當(dāng)軟土層較薄或其底層為透水層時(shí)，砂井應(yīng)貫穿軟土層;當(dāng)軟土層較厚時(shí)，砂井深度由地基穩(wěn)定和容許工后沉降計(jì)算來(lái)確定。當(dāng)?shù)鼗钐幍母郊討?yīng)力很小時(shí)，砂井的作用很小，因此砂井具有最佳有效長(zhǎng)度。

2.3 袋裝砂井地基固結(jié)度的計(jì)算

軟土地基在預(yù)壓荷載作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t所產(chǎn)生的變形量St與土層的最終變形量S之比成為固結(jié)度Ut。軟土地基經(jīng)袋裝砂井處理后，其固結(jié)屬三維固結(jié)。設(shè)置砂井后按三維固結(jié)理論進(jìn)行，計(jì)算時(shí)可以分為豎向固結(jié)與水平(徑向)固結(jié)兩種情況分別確定在指定時(shí)間內(nèi)的固結(jié)度。

計(jì)算時(shí)的假設(shè):

(1)地基土是飽和的，固結(jié)過(guò)程即是土中孔隙水的排出過(guò)程;

(2)袋裝砂井地基表面受連續(xù)均勻分布荷載作用下，地基中附加應(yīng)力分布不隨深度而變化，故地基土僅產(chǎn)生豎向的壓密變形;

(3)荷載是一次性施加上去的，加荷開(kāi)始時(shí)，外荷載全部由孔隙水壓力負(fù)擔(dān);(4)在整個(gè)壓密過(guò)程中，地基土的滲透系數(shù)保持不變;在天然地基上進(jìn)行堆載預(yù)壓，其固結(jié)度一般采用一維固結(jié)理論計(jì)算。其豎向排水固結(jié)度的表達(dá)計(jì)算形式為

式中:Tv為豎向固結(jié)的時(shí)間因素(無(wú)量綱);H為單面排水土層的厚度或雙面排水時(shí)土層厚度的一半，cm;Cv為豎向固結(jié)系數(shù)(cm2/s)，其值為

式中:e1為土的初始孔隙比;α為土的壓縮系數(shù)(0.1cm2/N);γw為水的容重(0.01 N/cm3);t為固結(jié)時(shí)間。如荷載逐漸增加，則從加荷歷時(shí)的一半起算，s。

3 材料要求

3.1 砂袋

砂袋可采用聚丙烯、聚乙烯、聚酯等適用的編制料制成，其抗拉強(qiáng)度應(yīng)能保證承受砂袋自重，裝砂后砂袋的滲透系數(shù)應(yīng)不小于砂的滲透系數(shù)。目前，普遍采用的是聚丙烯編織袋，它具有足夠的抗拉強(qiáng)度，耐腐蝕，便于制作，對(duì)人體無(wú)害，價(jià)格低廉，但其抗老化能力差。

另外，由于砂袋有膨脹性，當(dāng)設(shè)計(jì)樁徑為10 cm時(shí)，制成袋的周長(zhǎng) L為31～29.8 cm，一般為設(shè)計(jì)尺寸的94% ～98%。其脫離導(dǎo)管進(jìn)入井孔之后，其直徑將有所增大。

3.2 砂

采用滲水率較高的中、粗砂。大于0.5 mm的砂的含量宜占總重量的50%以上，含泥量不能大于3%，滲透系數(shù)不應(yīng)小于5×10-3cm/s。除此之外，砂應(yīng)保持干燥，不宜潮濕，以免砂干燥后體積減少造成短井。

4 施工工藝

袋裝砂井施工的主要機(jī)具為導(dǎo)管式振動(dòng)打樁機(jī)，在行進(jìn)方式上普遍采用有軌道門(mén)架式、履帶臂架式、吊機(jī)導(dǎo)架式等。

成孔方法可根據(jù)機(jī)械設(shè)備條件進(jìn)行比較選擇。通常采用套管法、水沖成孔法、螺旋鉆成孔法等，結(jié)合實(shí)際工程，研究并總結(jié)了套管法的施工工藝。

4.1 施工流程

(1)平整場(chǎng)地。清除草皮及表土，用推土機(jī)將場(chǎng)地大致平整，鋪設(shè)30 cm厚下墊砂礫層。

(2)施工放樣。在平整好的場(chǎng)地上，按坐標(biāo)法用全站儀進(jìn)行中樁、邊樁的放樣。根據(jù)處理寬度、設(shè)計(jì)樁距繪出布樁圖，并用白石灰做出明顯標(biāo)記。

本研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)新異oddball范式的行為學(xué)操作中，化療組并未表現(xiàn)出較低的反應(yīng)速度和準(zhǔn)確率，與既往應(yīng)用同類(lèi)對(duì)象的行為學(xué)研究結(jié)果一致[7-8]，這可能是由于化療對(duì)患者的注意損害程度尚不足以被一般的行為學(xué)任務(wù)所檢測(cè)到。雖然也存在另外一種可能性——即化療并未對(duì)患者的注意功能造成損害，但這一可能性明顯與本研究在ERPs方面的發(fā)現(xiàn)相悖，而后者顯然比前者更為客觀、精確、敏感，且一般不受非實(shí)驗(yàn)因素的干擾。

(3)機(jī)具定位，沉入套管。將帶有可開(kāi)閉底蓋的套管或帶有預(yù)制樁尖的套管(內(nèi)徑略大于砂袋直徑)按井孔定位沉入到要求的深度。

(4)沉入砂袋。原則上應(yīng)用樁架將砂袋垂直吊起沉入。當(dāng)受樁架高度限制(袋裝砂井長(zhǎng)度超過(guò)樁架高度)時(shí)，可采用兩節(jié)套管。砂袋輸入時(shí)用人工輸入。

(5)拔出套管。同時(shí)做好施工記錄，具體項(xiàng)目包括井距、井長(zhǎng)、井徑、豎直度、灌砂率等。

(6)重復(fù)進(jìn)行(3)～(5)工序至全部砂井施工完畢。

(7)施工完畢后，整平場(chǎng)地，測(cè)量標(biāo)高，整理施工記錄。試驗(yàn)檢測(cè)后編寫(xiě)袋裝砂井施工總結(jié)并鋪筑砂礫墊層和土工格柵。

4.2 施工要點(diǎn)

(1)定位要準(zhǔn)確，沉入砂袋時(shí)應(yīng)用經(jīng)緯儀或重錘控制垂直度，這樣就可確保排水距離和理論計(jì)算一致。

(2)砂料含泥量要小，這對(duì)于小斷面的砂井尤為重要，因?yàn)橹睆叫?，長(zhǎng)細(xì)比大的砂井井阻效應(yīng)較為顯著，—般含泥量要求小于3%。

(4)聚丙烯紡織袋在施工時(shí)應(yīng)避免太陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間直接照射，以免老化。

(5)砂袋入口處的導(dǎo)管口應(yīng)裝設(shè)滾輪，避免刮破砂袋而漏砂。

(6)施工中要經(jīng)常檢查樁尖與導(dǎo)管口的密封情況，避免導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)泥太多，影響加固深度。

5 質(zhì)量控制與檢驗(yàn)

5.1 質(zhì)量控制

袋裝砂井在施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制各材料、工序等的施工質(zhì)量，因?yàn)橐坏┕ね瓿?，?duì)成品的質(zhì)量檢查將非常困難。

砂袋灌砂率r按式(6)計(jì)算

式中:msd為實(shí)際灌入砂的質(zhì)量;d、L為依序?yàn)榫睆?、深度，m;ρd為中粗砂的干密度，kg/m3。

灌砂率應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 袋裝砂井施工允許偏差

5.2 質(zhì)量檢驗(yàn)

袋裝砂并施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到軟基處理的效果，因此，除施工部門(mén)要嚴(yán)格遵照施工工藝和施工質(zhì)量控制的要求操作外，質(zhì)檢、監(jiān)督部門(mén)也要進(jìn)行抽查。一般砂子、編織袋、灌砂量和井距，可以通過(guò)常規(guī)的方法在試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定和在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際量測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均應(yīng)符合表1的要求。但是井徑和井長(zhǎng)施工完成后檢測(cè)相對(duì)比較困難，下面介紹幾種常用的方法。

(1)挖驗(yàn)法。挖驗(yàn)法就是對(duì)施工完成的袋裝砂井進(jìn)行大開(kāi)挖檢驗(yàn)。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠直觀地看出砂井的質(zhì)量，檢測(cè)精度高。缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)破壞較大，且挖驗(yàn)深度受限，對(duì)于井長(zhǎng)(深)大的不適用。

(2)拔樁法。拔樁法就是用機(jī)械將袋裝砂井整體拔出，進(jìn)行檢驗(yàn)。此種方法也比較直觀，但是受拔樁機(jī)械的限制較大.并且很容易出現(xiàn)斷井現(xiàn)象。

(3)工程鉆探法。工程鉆探法的原理是利用鉆機(jī)對(duì)砂井進(jìn)行鉆進(jìn)，套管取芯樣。這種方法相對(duì)以上兩種方法來(lái)說(shuō)比較容易，費(fèi)用較低，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的破壞較小;缺點(diǎn)是需要使用專(zhuān)門(mén)鉆機(jī)，且受鉆桿垂直度和砂并垂直度影響較大，垂直度差時(shí)，鉆桿易偏離砂井，無(wú)法進(jìn)行難確的測(cè)定。

6 結(jié)束語(yǔ)

袋裝砂井法主要適用于軟土厚度大、路堤穩(wěn)定、填土高的軟土路基，如軟粘土、淤泥和淤泥質(zhì)土地基;設(shè)計(jì)時(shí)以砂井地基的固結(jié)度為主，并根據(jù)給定的預(yù)壓荷載、預(yù)壓時(shí)間以及容許沉降量，計(jì)算出井徑和井距;研究并總結(jié)了套管法的施工工藝和施工要點(diǎn);質(zhì)量控制與檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)以砂井的井距、井徑、井長(zhǎng)、豎直度和灌砂率為主。

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中圖分類(lèi)號(hào):U416.1

C

1008-3383(2011)06-0105-02

收稿日期:2011-04-11