王文鵬,杜緒

(1.北京振沖工程股份有限公司,北京 100102;2.河北省地礦局探礦技術(shù)研究院,河北燕郊 065201)

1 概述

碎石樁、砂樁和砂石樁統(tǒng)稱為砂石樁,是指采用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后,在將砂或碎石擠壓入已成的孔中,形成由砂石構(gòu)成的密實(shí)樁體。砂石樁用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土以及雜填土的地基處理。飽和軟粘土地基上對于變形控制要求不嚴(yán)的工程也可采用砂石樁置換處理,砂石樁法對于液化地基的處理有較為明顯的效果。

砂石樁法用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土以及雜填土,主要是依靠樁的擠密和振動,使樁周土的密實(shí)度增加,從而降低土的壓縮性,提高地基承載力。對于軟土地基的處理,砂石樁較難發(fā)揮其擠密效應(yīng),主要通過置換作用和軟土形成復(fù)合地基,砂石樁為軟土的固結(jié)排水提供通道,加速軟土的固結(jié),從而提高軟土的地基承載力。

采用砂石樁進(jìn)行地基處理時,應(yīng)充分調(diào)查砂石料的儲量、材料性能、運(yùn)距,并應(yīng)了解施工所用的設(shè)備和施工方法。對于粘性土地基,應(yīng)有地基土的不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo),對于砂性土和粉土地基應(yīng)有地基土的天然孔隙比,相對密實(shí)度或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)等指標(biāo)。

2 工程概況

2.1 工程簡介

某工程北岸渠道區(qū)域?yàn)樘罘角?填方高度較大。渠基主要由alQ24砂層組成,表層有0.80～6.0m的砂壤土或壤土,渠基上部地層為粉砂、細(xì)砂,呈松散狀態(tài),地下水位較高,地基土存在砂土震動液化問題;北岸明渠段樁號9+336.47～10+208段為中等液化區(qū);樁號10+208～12+308段為中等～嚴(yán)重液化區(qū),大部分區(qū)域地層的相對密度在0.3～0.7之間,且淺表層砂壤土(壤土)、粉細(xì)砂承載能力較低,渠基需采取加固處理。所在區(qū)地震烈度為7度。地下水位埋深為3.7～5.3m。

2.2 設(shè)計要求

布樁形式:采用正方形布樁形式;樁間距2.5m;渠道基礎(chǔ)要求承載力較高,設(shè)計砂樁直徑800mm,渠間基礎(chǔ)設(shè)計砂樁直徑600mm。

樁長:砂石樁長根據(jù)建筑物對地基變形的要求、地層情況、液化土層的埋深因素綜合確定,有效施工樁長6.7m。

樁體材料:成樁材料分別為中粗砂混合料,砂料的細(xì)度模數(shù)2.8以上。

處理后要求:處理后場區(qū)不發(fā)生液化;處理后砂層相對密度不小于0.7。

2.3 砂石樁施工過程

振動沉管法砂樁的施工過程見下圖。

2.4 施工情況簡介

φ600、φ800兩個施工區(qū)樁間距均為2.5m,分別采用DZ60、DZ90型振動錘沉管砂樁樁機(jī)設(shè)備進(jìn)行施工。

圖1 成樁過程示意圖

φ600造孔時間在3～10分鐘,正常施工一根樁約20～30分鐘不等,以 7.8m樁長為例,填料量為2.4方,充盈系數(shù)為1.09,在1.05～1.1之間。底部1.0～1.5m一般反插3次,2.0～4.0m砂土造孔時較困難,因此擠密速度較快;地面以下0.0～2.0m,為①層耕土,②層粉土,原狀土物理力學(xué)性質(zhì)較差。整個施工過程中要求加密電流不小于80A,φ600試驗(yàn)樁施工過程中問題不大,施工較順利。

φ800的試驗(yàn)樁充盈系數(shù)在1.05左右,在開始兩排施工正常,施工完一個孔約在40分鐘左右,后排的樁孔位施工時造孔開始出現(xiàn)困難,說明擠密砂樁施工后對于地基土的擠密作用明顯。

3 施工中遇到的問題及原因分析

(1)施工處理后地面比施工前地面下沉10～30cm,在振動作用下土的孔隙比減小,砂土的相對密實(shí)度大幅提高。施工后地表沉降是這種擠密效果比較好的宏觀表現(xiàn)。φ600樁徑區(qū)域地面沉降較小,φ800樁徑區(qū)域地面沉降較大,分析主要原因是該地層可加密性很好。φ800施工用振動錘振動力大,砂樁地基處理的擠密效果比φ600砂樁較好。

(2)根據(jù)施工情況及檢測結(jié)果,本試驗(yàn)采用的施工工藝科學(xué)合理,但因施工過程中遇到了后期成孔樁體難以成孔,可見試驗(yàn)施工采用的排打法不適合大面積施工應(yīng)采取的施工順序,大面積施工應(yīng)采取跳打進(jìn)行。

(3)②層下粉細(xì)砂層加密效果較好,采用φ800樁徑施工,由于施工設(shè)備振動影響范圍大,加密后后期樁體造孔達(dá)到設(shè)計深度要求困難,難以施工,為保證工程能正常施工,建議將φ800樁徑區(qū)域改為φ600,樁距不變,在2.5m正方形中心加設(shè)φ600短樁,樁長不少于3m,穿過②層粉土盡可能深的進(jìn)入③層粉細(xì)砂。經(jīng)過加短樁處理范圍內(nèi)砂樁置換率將不小于φ800樁徑的置換率。

(4)表層砂壤土強(qiáng)度低,振密效果較差,該層在上覆壓力、側(cè)限壓力小的條件下,填料加密后處理效果不明顯。

(5)相對密度檢測和標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測均能夠進(jìn)行液化判定,但因砂層取原狀樣受到取樣設(shè)備,取樣工藝等的限制,相對密度的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測存在不符之處,一般相對密度的計算結(jié)果比實(shí)際小。故同類工程砂層的液化判定應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)貫入確定為主,相對密度指標(biāo)為輔。

4 施工效果檢測

4.1 樁間土加固效果檢測

樁間土處理前,處理后地基土承載力采用標(biāo)準(zhǔn)貫入和靜力觸探試驗(yàn)確定。檢測成果見表1、2。

表1 試驗(yàn)前地基土承載力特征值一覽表

表2 試驗(yàn)后地基土承載力特征值一覽表

樁間土經(jīng)砂樁處理后,各土層承載力特征值:粉土為120kPa,粉砂為160kPa,細(xì)砂為粉砂170kPa,中砂為180kPa,比天然地基土均有所提高。

4.2 砂土的相對密度

(1)計算公式

處理后的砂層相對密度不小于0.7。相對密度用 D r表示:

式中:e0——砂的天然孔隙比;

ρd——要求的干密度或天然干密度(g/cm3)。

具體計算取值及計算結(jié)果見表3。

(2)相對密度的分析評價

表3 處理后砂土相對密度計算表

圖2 處理前后相對密度散點(diǎn)圖

根據(jù)表3分析,本場地經(jīng)過擠密砂樁處理后,相對密度提高幅度很大,處理后兩個試驗(yàn)區(qū)域最小的相對密度為0.7722,均滿足處理后砂土地基相對密度不小于0.7的設(shè)計要求。為了更直觀的說明問題,將檢測試驗(yàn)中各試件的相對密度都進(jìn)行了計算并匯總形成表格,繪制成圖(圖2)。處理前后相對密度散點(diǎn)圖。從圖中可以看出,在砂樁處理前,取樣12件,相對密實(shí)度在0.7以上的只有2件,占16.7%;在砂樁處理后,取樣20件,相對密實(shí)度在0.7以上的達(dá)到17件,占85.0%。從單件試樣的統(tǒng)計結(jié)果也說明了砂樁處理后獲得了良好的效果,砂土地基的相對密度整體上得到了提高,而且提高幅度比較大。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測

(1)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在試驗(yàn)前后,在場地進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),總體統(tǒng)計結(jié)果見表4。表層粉土提高幅度不明顯,在砂土層中擊數(shù)有明顯提高,說明擠密砂樁在該場地中處理效果良好。

(2)砂土液化判定

當(dāng)飽和砂土的實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù) N(未經(jīng)桿長修正)小于其標(biāo)貫判別的臨界貫入擊數(shù) Ncr時,應(yīng)判為可液化土,否則為不液化土。Ncr可采用下式計算

式中:ds——飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m);

dw——地下水埋深(m),取 dw=0;

ρc——土的粘粒含量(%)。ρc＜3時,取ρc=3;

N0——液化判別標(biāo)貫擊數(shù)基準(zhǔn)值,取 N0=6。

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)評價地基土是否液化,對各鉆孔每個標(biāo)貫點(diǎn)分別進(jìn)行計算,根據(jù)相關(guān)抗震規(guī)范,對處理前和處理后各標(biāo)貫段進(jìn)行了液化判定,處理前后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)散點(diǎn)圖,見圖3。根據(jù)圖表分析,經(jīng)過砂樁施工處理后,地層抗液化能力得到了很大程度上的提高。

表4 處理后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)統(tǒng)計表

圖3 處理前后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)散點(diǎn)圖

5 結(jié)論與建議

從抗液化角度考慮,砂性土地基處理,宜采用振動沉管砂樁法。砂樁復(fù)合地基由于樁體對周圍土體的擠密作用及自身排水作用明顯,周圍土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大,孔隙水壓力迅速消散,經(jīng)砂樁處理后砂性土層的相對密度滿足設(shè)計不小于0.7的設(shè)計要求,處理深度范圍內(nèi)的砂層消除液化。砂樁復(fù)合地基處理大型工程的砂層具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,安全性,經(jīng)濟(jì)性。

[1] 常士驃,張?zhí)K民.《工程地質(zhì)手冊(第四版)》.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2] 葉觀寶,高彥彬.《振沖法和砂石樁法加固地基》.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.