龍祖輝,閆紅波

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安　710016)

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振沖碎石樁在砂土地基中的應(yīng)用

龍祖輝,閆紅波

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安710016)

摘要：根據(jù)西咸新區(qū)灃東新城灃河水面工程地質(zhì)條件，結(jié)合砂土地基中采用振沖擠密和置換碎石的處理方法，詳細(xì)地闡述了振沖碎石樁的工程特性、施工工藝及檢測(cè)方法，并探討了振沖碎石樁在施工中常見的問題控制和預(yù)防措施。振沖碎石樁技術(shù)可靠，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作且節(jié)省投資。

關(guān)鍵詞：地基；振沖碎石樁；砂土

1工程概況

西咸新區(qū)灃東新城灃河綜合治理(G310-西咸交界段)水面工程，在樁號(hào)6+650.00 m位置處(起點(diǎn)0+000 m樁號(hào)位置為108國(guó)道灃河橋)布置橡膠壩、調(diào)節(jié)閘及船閘樞紐工程，建筑物等級(jí)為4級(jí)，橡膠壩壩高5 m，壩總長(zhǎng)188.8 m，回水長(zhǎng)度6.5 km。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，橡膠壩在正常運(yùn)行時(shí)，地基場(chǎng)地土15 m以上砂土為液化土，液化土底面標(biāo)高368.68 m，液化指數(shù)大于18，液化等級(jí)嚴(yán)重，經(jīng)論證后采用振沖碎石樁處理方案，既可以解決液化問題，又能提高地基承載力和減少不均勻沉降[1-6]。

2地形地質(zhì)條件

橡膠壩位于灃河主河槽，兩岸壩肩處灃河高漫灘及渭河一級(jí)階地，高程約392.00～398.00 m。灃河切割侵蝕作用強(qiáng)烈，河岸多為高約8～9 m直立岸坎；底層主要為第四季全新沖積、洪積成因的松散堆積層。巖性以壤土為主，厚度不均，其下為第四系洪積壤土、砂壤土及粉細(xì)砂土，厚度不均，主要以互層及鏡體形式存在，橡膠壩坐落在②4層細(xì)砂及③6層粗砂中。其中②4層細(xì)砂為淺灰色～灰黃色，稍密，飽和，砂質(zhì)較純凈，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，夾薄層粗砂，含少量圓礫，下部12.9～13.3 m為褐灰色粉細(xì)砂，其中夾有薄層黏土或粉土。層厚7.6 m，層底高程366.34 m；③6層粗砂為淺灰色～灰黃色，密實(shí)飽和，砂質(zhì)較純凈，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，夾薄層中砂及粉細(xì)砂，含少量圓礫及小粒徑卵石。層厚7.4～12.6 m，層底高程356.98～369.21 m。

3振沖碎石樁施工工藝

本工程軟基處理采用的是ZCQ-130型振沖器。振沖器產(chǎn)生高頻，同時(shí)開動(dòng)水泵，利用高速水流沖擊孔底。在邊振邊沖的聯(lián)合作用下，振沖器沉入預(yù)定深度并形成孔洞，經(jīng)清孔后向孔中逐段填入碎石，當(dāng)碎石被振沖擠密到要求的密實(shí)度后，提起振沖器投入下一段碎石料，重復(fù)振密和重復(fù)填料直至設(shè)計(jì)樁頂，形成密實(shí)的碎石樁。

采用振沖器施工制碎石樁一般分為準(zhǔn)備、造孔、清孔、加料振密等步驟[7-11]。

3.1施工工藝流程

施工工藝流程見圖1。

圖1　施工工藝流程圖

3.2施工技術(shù)和施工要點(diǎn)

(1) 施工準(zhǔn)備

1) 布設(shè)樁位：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，按編號(hào)標(biāo)示出現(xiàn)場(chǎng)樁位，施工時(shí)對(duì)號(hào)入座，避免漏打、重打。

2) 供水及排水處理：布置供水管用于振沖時(shí)高壓水的供應(yīng)，布置泥漿排放溝進(jìn)入凈化池，防止污染環(huán)境。

3) 試驗(yàn)樁：通過若干根試驗(yàn)樁驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)，確定樁體密實(shí)電流、留振電流和填料量等施工工藝參數(shù)。

4) 施工順序：軟土處理成樁的順序一般為“由內(nèi)向外”或“由一邊向另一邊”進(jìn)行，便于淤泥的擠壓和振沖。

(2) 造孔

啟動(dòng)水泵和振沖器，水壓0.4～0.6 MPa，水量200～400 L/min，使振沖器徐徐沉入土中，直至達(dá)到設(shè)計(jì)處埋深度以上0.3～0.5 m，記錄振沖器經(jīng)各深度的電流值和時(shí)間，提升振沖器至孔口。

(3) 清孔

重復(fù)上一步驟1～2次，使孔內(nèi)泥漿變稀，樁孔暢通，然后將振沖器提至孔口。

(4) 填料加密

向孔內(nèi)倒入一批填料，應(yīng)將水壓和水量降低至孔口有一定回水，但無(wú)大量細(xì)顆粒帶出為止。分段制樁，每段填料高度不大于0.5 m。將振沖器沉入填料中進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)，此時(shí)電流隨填料的密度而逐漸增大，電流必須超過規(guī)定的密實(shí)電流，密實(shí)電流需大于空振電流的1.5～2.0倍。若達(dá)不到規(guī)定值，應(yīng)向孔內(nèi)繼續(xù)加填料，振密，記錄這一深度的最終密實(shí)電流、填料量和留振時(shí)間。

(5) 重復(fù)上一步驟工作，自下而上，直至加密到設(shè)計(jì)要求樁頂標(biāo)高。

(6) 關(guān)閉振沖器和水泵，制樁結(jié)束。

4施工中應(yīng)注意的問題

4.1各樁段應(yīng)符合密實(shí)電流、填料量和留振時(shí)間

密實(shí)電流、填料量和留振時(shí)間的規(guī)定應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)性施工確定或根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定。只有這3項(xiàng)都符合規(guī)定后，樁身質(zhì)量才能得到保證。必須注意，絕不能將振沖器接觸填料的瞬間電流當(dāng)做密實(shí)電流，只有振沖器在固定深度上振動(dòng)一定時(shí)間(稱為留振時(shí)間)，而電流穩(wěn)定在某一數(shù)值，這一穩(wěn)定電流才是密實(shí)電流。

4.2做好排泥溝池

為保護(hù)環(huán)境，做到文明施工，不能讓振沖法成樁時(shí)產(chǎn)生的泥漿溢流場(chǎng)地，為此，在施工場(chǎng)地上應(yīng)事先開設(shè)排泥水溝池，將成樁過程中產(chǎn)生的泥漿集中引入沉淀池，定期清理。

4.3控制好水量、水壓

振沖施工中水是很重要的。關(guān)于水，需要控制的一個(gè)是水量、一個(gè)是水壓。水量要充足，應(yīng)使孔內(nèi)充滿著水，這樣可以防止塌孔，使制樁工作得以順利進(jìn)行。反之，水量亦不易過多，過多時(shí)易把填料帶出流走。關(guān)于水壓，視土質(zhì)及強(qiáng)度而定。一般情況，對(duì)于強(qiáng)度較低的軟土，水壓要小些；對(duì)強(qiáng)度較高的土，水壓宜大。成孔過程中，水壓和水量要盡可能大；當(dāng)接近設(shè)計(jì)加固深度時(shí)，要降低水壓，以免破壞樁底以下的土。加料振密過程中，水壓和水量均宜小。

4.4對(duì)樁頂?shù)奶幚?/p>

樁頂部1 m范圍內(nèi)，由于地基土的上覆壓力小，樁周約束力相應(yīng)也小，因此樁頂?shù)拿軐?shí)度很難達(dá)到要求，為此應(yīng)將樁頂部的松散樁體挖除。

4.5對(duì)填料的要求

本工程樁體材料按照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》[7]選用含泥量不大于5%的碎石，要求石料質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配連續(xù)、粒徑在20～150 mm之間。

4.6對(duì)造孔的要求

振沖施工可在原地面造孔，也可以在基坑開挖后造孔。前者較方便，后者可節(jié)省填料。地表有硬層時(shí)宜先挖孔再振沖，以減少振沖器的碰撞與磨損。

造孔時(shí)，通過壓力噴水以加速?zèng)_孔處土的飽和與振動(dòng)液化，并有利于回水和洗孔帶走泥漿，一般噴水壓力為0.3～0.8 MPa，一般稍密或黏性大的地基，灌入速度應(yīng)較慢，反之可加快。貫入快時(shí)尖端阻力大，成孔直徑較小，不利于填料落入和順利施工。一般以2 m/min為宜。并每貫入0.5～1.0 m宜在該段高度懸留振沖5～10 s，有利于振沖洗孔擴(kuò)大孔徑。

造孔中應(yīng)注意觀測(cè)密實(shí)電流，當(dāng)其超過潛水電機(jī)的額定電流時(shí)，必須減速下沉或暫停下沉，或加強(qiáng)水沖，待將土質(zhì)沖松后再下沉，以免燒毀振沖器電機(jī)。

4.7做好施工記錄

為了避免漏孔，施工時(shí)應(yīng)復(fù)查孔位編號(hào)，并做好記錄，存檔備查。每天施工完畢要及時(shí)填寫“制樁統(tǒng)計(jì)圖”，填寫內(nèi)容有：樁號(hào)、制樁深度、填料量、施工時(shí)間和完成時(shí)間等，見圖2。

圖2　制樁統(tǒng)計(jì)示意圖

4.8冬季施工和雨季施工措施

冬季施工時(shí)，當(dāng)?shù)鼗韺右言馐軆鼋Y(jié)，宜將孔位處凍土破碎后再造孔，以免損毀振沖器。每班施工完成后，應(yīng)將供水管和振沖器內(nèi)積水排凈，以免受凍造成施工困難。

雨季施工應(yīng)做好防雨措施，以免影響樁身質(zhì)量。

5常見問題及處理

5.1密實(shí)電流、填料量、留振時(shí)間三者不能同時(shí)滿足

制樁過程必須使密實(shí)電流、填料量、留振時(shí)間3個(gè)影響樁體質(zhì)量的主要因素都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保樁體每一加料段和每根樁體的質(zhì)量都符合以上3個(gè)原則。

在施工中往往遇到以下一些情況：

(1) 在土層較好的情況下，制樁過程中，密實(shí)電流和留振時(shí)間往往容易先到達(dá)，而加料量不易達(dá)到，此時(shí)應(yīng)以加料量作為樁體質(zhì)量控制的重點(diǎn)；

(2) 在土層較差的情況下，加料量和留振時(shí)間往往容易先到達(dá)，而密實(shí)電流不能同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，此時(shí)應(yīng)以密實(shí)電流作為樁體質(zhì)量控制的重點(diǎn)。

5.2樁底沖成大孔

必須重視樁底的制作質(zhì)量，樁底在成孔時(shí)，若水壓控制不好，往往容易被高壓水沖成大坑，因回填料時(shí)，加料量比樁身要大的多，有時(shí)可達(dá)總填料量的25%～30%，雖然開始填料時(shí)，有部分填料要沿途沾留在孔壁上，也要增加填料量，但由于樁底直徑大，需填料量大，此時(shí)密實(shí)電流往往不易達(dá)到，若樁身質(zhì)量也不嚴(yán)格控制，很容易造成工程失敗，為此在施工過程中必須重視樁底質(zhì)量的控制，務(wù)必使它滿足設(shè)計(jì)要求。即接近設(shè)計(jì)加固深度時(shí)，要降低水壓，以免樁底沖成大孔。

5.3樁頂密實(shí)度不滿足

完工后，發(fā)現(xiàn)樁頂密實(shí)度不滿足要求時(shí)，應(yīng)將其挖除后再用碎石將其補(bǔ)足，或用振動(dòng)碾使之密實(shí)。

5.4偏差超過規(guī)定

應(yīng)根據(jù)工程要求、機(jī)具情況、土體性能選取下述措施：① 降低荷載；② 加厚墊層；③ 增加樁數(shù)。

6質(zhì)量檢驗(yàn)

質(zhì)量檢驗(yàn)分施工質(zhì)量檢驗(yàn)和加固效果檢驗(yàn)2部分。檢驗(yàn)合格，方可進(jìn)行下一道工序施工。

6.1施工質(zhì)量檢驗(yàn)

主要是檢查樁體質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求，檢查內(nèi)容包括所有樁位施工過程中的原始記錄、樁位偏差、每根樁的制樁質(zhì)量等。常用的檢驗(yàn)方法有動(dòng)力觸探試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等。

振動(dòng)水沖法的孔位偏差和垂直度偏差應(yīng)符合下列規(guī)定：

(1) 由于振沖器運(yùn)動(dòng)慣性和風(fēng)力影響的擺動(dòng)，不易精確對(duì)準(zhǔn)孔位中心，故規(guī)定振沖器尖端噴水中心與孔位中心偏差不得大于50 mm，過大影響處理質(zhì)量，過小影響施工效率；

(2) 由于已加固區(qū)密度大，未加固區(qū)較松軟，振沖時(shí)易發(fā)生孔位偏移，規(guī)定成孔中心與設(shè)計(jì)中心偏差一般在100 mm左右；

(3) 樁頂中心與孔位偏差不得大于0.2D(D為樁徑)；

(4) 垂直偏差不得大于1%。

6.2加固效果檢驗(yàn)

在樁體質(zhì)量全部符合要求后，驗(yàn)證單樁和復(fù)合地基承載力是否滿足設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。

6.3檢驗(yàn)數(shù)量

一般根據(jù)地基土的性質(zhì)和薄弱環(huán)節(jié)、工程規(guī)模大小、建筑物的等級(jí)和重要性來(lái)決定。

(1) 對(duì)碎石樁體密實(shí)度檢驗(yàn)可用重型動(dòng)力觸探進(jìn)行隨機(jī)檢驗(yàn)，檢測(cè)數(shù)量宜為總樁數(shù)的1%～3%。

(2) 對(duì)樁間土的檢驗(yàn)在處理深度內(nèi)用標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探等進(jìn)行檢驗(yàn)。

(3) 載荷試驗(yàn)數(shù)量應(yīng)為每200～400根樁抽檢1點(diǎn)，且檢測(cè)點(diǎn)的總數(shù)不應(yīng)少于3點(diǎn)。

6.4檢驗(yàn)時(shí)間

由于制樁過程中原土的結(jié)構(gòu)受到不同程度的擾動(dòng)，強(qiáng)度有所降低，因此制樁結(jié)束后，必須使土有一段休置時(shí)間，待土的強(qiáng)度恢復(fù)后方可進(jìn)行試驗(yàn)，這段時(shí)間稱為恢復(fù)期，恢復(fù)期的長(zhǎng)短根據(jù)土的性質(zhì)而定，一般砂土恢復(fù)期不少于7 d。

7試驗(yàn)結(jié)果分析

主要以主河槽(中壩段)振沖碎石樁施工檢測(cè)成果作以說明，檢測(cè)區(qū)主河槽段總樁數(shù)共計(jì)685根，樁間距2 m，樁徑0.8 m，呈正三角形布置。

7.1復(fù)合地基靜載試驗(yàn)

選取3個(gè)部位(S1、S2、S3)采用慢速維持荷載法，以堆重平臺(tái)為反力，每級(jí)以37.5 kPa的壓力遞增，試驗(yàn)終止荷載為300 kPa(等于設(shè)計(jì)值的2倍)，每級(jí)荷載沉降觀測(cè)時(shí)間：隔10、10、10、15、15 min各測(cè)讀1次，以后每隔30 min讀1次，且不小于2.5 h，直到沉降相對(duì)穩(wěn)定為止。3組靜載荷p-S關(guān)系曲線呈緩變型曲線，未見明顯拐點(diǎn)，最終沉降量介于12.98～14.04 mm之間；相應(yīng)于150 kPa荷載作用時(shí)的沉降量的最大值為5.19 mm，S/d小于0.010(d取2 000 mm，d為承壓板寬度或直徑，當(dāng)其大于2 m時(shí)，按2 m計(jì)算)，由此確定本場(chǎng)地振沖碎石樁復(fù)合地基承載力特征值不小于150 kPa。復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)成果見圖3～5及表1。

表1　不同部位復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)成果表

圖3　S1復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)成果圖

圖4　S2復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)成果圖

圖5　S3復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)成果圖

7.2單樁靜載試驗(yàn)

選取4個(gè)部位(S1、S2、S3、S4),試驗(yàn)原理同上，每級(jí)以53 kPa的壓力遞增，試驗(yàn)終止荷載為530 kPa(等于設(shè)計(jì)值的2倍)，每級(jí)荷載沉降觀測(cè)時(shí)間：隔10、10、10、15、15 min各測(cè)讀1次，以后每隔30 min讀1次，且不小于2.5 h，直到沉降相對(duì)穩(wěn)定為止。4組靜載荷p-S關(guān)系曲線呈緩變型曲線，未見明顯拐點(diǎn)，最終沉降量介于13.89～15.770 mm之間；相應(yīng)于265 kPa荷載作用時(shí)的沉降量的最大值為3.34 mm，S/d小于0.010(d取800 mm，d為承壓板寬度或直徑)，由此確定本場(chǎng)地振沖碎石樁復(fù)合地基承載力特征值不小于150 kPa,具體見表2,單樁地基靜載荷試驗(yàn)成果見圖6～9。

表2　單樁地基靜載荷試驗(yàn)成果表

圖6　S1單樁地基靜載荷試驗(yàn)成果圖

圖7　S2單樁地基靜載荷試驗(yàn)成果圖

圖8　S3單樁地基靜載荷試驗(yàn)成果圖

7.3標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

本代表性場(chǎng)地共布置樁間土標(biāo)貫試驗(yàn)7孔，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，按GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[13]之規(guī)定，列出N63.5′、N63.5及液化判別結(jié)果，如表3所示(此處列3孔成果)，該表表明經(jīng)振沖碎石樁處理后，處理深度范圍內(nèi)樁間土呈中密～密實(shí)狀態(tài)，處理深度范圍內(nèi)液化效應(yīng)已消除。

圖9　S4單樁地基靜載荷試驗(yàn)成果圖

鉆孔編號(hào)測(cè)試深度/m高程/mds'/mds/mdw'/mdw/mN63.5'/擊N63.5/擊Ncr/擊判別結(jié)果B11375.2112.10136.166.00不液化2374.2222.10158.826.60不液化3373.2332.101912.587.20不液化4372.2442.102014.267.80不液化5371.2552.101813.528.40不液化6370.2662.102015.69.00不液化7369.2772.102116.869.60不液化B31375.2111.80126.146.00不液化2374.2221.80159.386.60不液化3373.2331.802114.617.20不液化4372.2441.802216.367.80不液化5371.2551.802217.138.40不液化6370.2661.802217.729.00不液化7369.2771.802218.189.60不液化B51375.2111.80147.176.00不液化2374.2221.80148.756.60不液化3373.2331.802215.307.20不液化4372.2441.802014.877.80不液化5371.2551.802217.138.40不液化6370.2661.802016.119.00不液化7369.2771.802016.529.60不液化

注：ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入深度；ds′為橡膠壩建成后標(biāo)準(zhǔn)貫入深度；dw為地下水位，m；dw′為橡膠壩建成后地下水位深度，m；N63.5′為實(shí)測(cè)擊數(shù) ；N63.5為校正后擊數(shù)；Ncr為臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)。

7.4動(dòng)力觸探試驗(yàn)

本次所選場(chǎng)地共布置樁身動(dòng)力觸探點(diǎn)7孔，單孔分層錘擊數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，由表4可看出，各檢測(cè)樁在檢測(cè)深度范圍內(nèi)樁身填料基本處于中密狀態(tài)。

表4　重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)成果一覽表

8結(jié)語(yǔ)

振沖碎石樁作為一種地基處理方法，由于它技術(shù)可靠，機(jī)具設(shè)備簡(jiǎn)單，操作技術(shù)易于掌握，因地制宜，就地取材，加固速度快，節(jié)約投資，適用于砂土、粉土、黏性土、素填土和飽和黃土等地基，在民用建筑地基處理中得到了大量應(yīng)用，但該技術(shù)在水利工程地基基礎(chǔ)處理中的使用還為數(shù)不多，通過該工程的應(yīng)用實(shí)踐和各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，振沖碎石樁在砂土地基中消除液化、提高復(fù)合地基承載力和減少不均勻沉降達(dá)到了預(yù)期效果。

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Application of Vibro-macadam Pile in Sandy Soil Ground

LONG Zuhui, YAN Hongbo

(Sinohydro Bureau 3 Co., Ltd., Xi'an710016，China)

Abstract:In accordance with the water-surface engineering geological conditions of the Feng River of Fengdong New Town, Xixian New Area and in combination with such handling methods and vibrating compaction and gravel replacement in sandy soil foundation, the engineering characteristics, construction technique and inspection methods of the vibro-macadam pile are described in detail. Furthermore, trouble control and prevention measures often occurring in the pile construction are discussed. Regarding the vibro-macadam pile, its technology is reliable, its construction equipment is simple, construction is easy and cost is lower.

Key words:foundation; vibro-macadam pile; sandy soil

中圖分類號(hào)：TV553

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.015

作者簡(jiǎn)介：龍祖輝(1973- ),男,陜西省安康市人，工程師，主要從事建筑工程管理工作.

收稿日期：2016-03-02

文章編號(hào)：1006—2610(2016)02—0054—05