于健，劉丹忠，林治佳，周廣鑫，武衛(wèi)軍

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.長(zhǎng)江武漢航道工程局，湖北 武漢 430014；3.大連空港建設(shè)發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116033；4.山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)和工業(yè)發(fā)展用地日益緊張，越來(lái)越多的軟弱、復(fù)雜的場(chǎng)地用于工程建設(shè)，例如天津和連云港地區(qū)大面積的高含水率、高孔隙比的吹填軟土地基用于工業(yè)建設(shè)，西南地區(qū)的以九寨黃龍機(jī)場(chǎng)為代表的高填方地基用于機(jī)場(chǎng)建設(shè)，遠(yuǎn)海的珊瑚礁、鈣質(zhì)砂地基以及一些膨脹土、濕陷性黃土等特殊性巖土地基均開(kāi)始用于建設(shè)場(chǎng)地。隨之而來(lái)的，是地基處理技術(shù)的飛速發(fā)展。因此目前地基處理技術(shù)仍為巖土工程界最為活躍的領(lǐng)域之一，且呈現(xiàn)出從單一加固技術(shù)向復(fù)合加固技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。

振沖法最早用于處理松散砂土地基，振沖器產(chǎn)生的荷載使得天然地基的物理力學(xué)性質(zhì)得到直接改善[2]，提高地基密實(shí)度的同時(shí)還可消除地基液化效應(yīng)。后來(lái)用于黏性土地基，振沖成孔置換為以碎石、砂礫等散粒材料為主組成的樁體，形成樁體與原地基共同作用的復(fù)合地基。而黏性土中的碎石樁又可作為黏性土豎向排水通道，在上部荷載的作用下，黏性土?xí)l(fā)生排水固結(jié)作用而發(fā)生沉降，地基承載力也得到進(jìn)一步的提高。因此具有復(fù)合地基和土體固結(jié)作用的碎石樁地基處理工藝應(yīng)用的工程案例較多[3-5]；振沖法地基處理的機(jī)械設(shè)備及施工工藝也在不斷改進(jìn)創(chuàng)新[6]。

1 工程概況

某海上人工島工程離岸約4 km，由開(kāi)山碎石料直接填筑而成，形成上部為碎石料、下部為海相沉積淤泥的復(fù)雜地基。上層回填料以石灰?guī)r為主，粒徑不均，級(jí)配較差，孔隙大，較為松散；下層為高含水率、高液限的海相沉積淤泥。

場(chǎng)地自上而下地層如下：

1）碎石（Q4ml）：灰色，松散—稍密狀，局部呈中密狀，為人工回填形成，成分以灰?guī)r為主，呈棱角狀，粒徑2～10 cm，少數(shù)大于10 cm，充填物為角礫和巖石碎屑，局部偶見(jiàn)白云巖。厚度約為10 m，平均動(dòng)探擊數(shù)N63.5=7.3 擊，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。

2）淤泥（Q4m）：灰色，飽和，流塑，土質(zhì)均勻，切面光滑，手捻有滑膩感，偶見(jiàn)貝殼碎屑，局部夾砂粒。平均標(biāo)貫擊數(shù)N＜1 擊，壓縮系數(shù)av0.1-0.2=1.543 MPa-1，屬高壓縮性土，工程地質(zhì)性質(zhì)差。

3）黏土（Q4mc）：灰黃色，可塑，土質(zhì)均勻，切面光滑，含鐵錳質(zhì)浸染及灰白色斑塊。該層分布連續(xù)，受鉆孔深度所限，多數(shù)鉆孔未揭穿；平均標(biāo)貫擊數(shù)N=10.8 擊，壓縮系數(shù)av0.1-0.2=0.440 MPa-1，工程地質(zhì)性質(zhì)一般。

場(chǎng)地碎石層和淤泥層的工程地質(zhì)性質(zhì)較差，為控制場(chǎng)地地基的后期沉降，驗(yàn)證相應(yīng)的施工工藝，開(kāi)展了振沖碎石樁聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理試驗(yàn)，振沖施工過(guò)程中振沖器產(chǎn)生的振動(dòng)荷載使松散的碎石層變密實(shí)，同時(shí)在淤泥層中形成密實(shí)的碎石樁體而成為復(fù)合地基，之后對(duì)地基進(jìn)行堆載預(yù)壓使該層的樁間土進(jìn)一步固結(jié)壓縮，使土性得到改善。

試驗(yàn)區(qū)面積為40 m×40 m，碎石樁為正三角形布置，樁間距2.5 m，樁徑按1.2 m 考慮，樁長(zhǎng)25 m。采用的振沖器功率不小于130 kW，碎石樁施工完成后對(duì)整個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行堆載預(yù)壓，壓載高度3.0 m，分2 級(jí)加載，每級(jí)加載高度1.5 m，二級(jí)加載間隔20 d，滿(mǎn)載后恒載預(yù)壓3 個(gè)月。

2 振沖碎石樁試樁效果檢測(cè)

場(chǎng)地上層碎石層厚度約10 m，需采用大功率振沖器振沖成孔，為驗(yàn)證設(shè)備的適用性，分別進(jìn)行了150 kW、180 kW、200 kW、260 kW 4 種型號(hào)振沖器的成孔工藝驗(yàn)證，結(jié)果表明4 種振沖器均能夠穿透碎石層，150 kW 和180 kW 振沖器的日工效為3 根，200 kW 和260 kW 振沖器日工效為5 根，150 kW 和180 kW 振沖器效率明顯偏低，且試樁過(guò)程中故障率較高，因此后期施工時(shí)采用200 kW、260 kW 2 種大功率的振沖器。

不同型號(hào)的振沖器施工工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 振沖碎石樁施工工藝參數(shù)Table 1 Construction technology parameters of vibroflotation gravel pile

為驗(yàn)證碎石樁的樁身密實(shí)度及成樁半徑是否能夠滿(mǎn)足要求，首先采用200 kW 振沖器進(jìn)行了試樁，并在離樁心不同距離進(jìn)行了重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，檢測(cè)平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 單樁成樁效果檢測(cè)平面布置圖（m）Fig.1 Plane layout of pile forming effect detection of single pile

在距離樁心0.25 m 和0.5 m 位置的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果表明：原人工填土層（碎石）平均重型動(dòng)探擊數(shù)為13.1～20.0 擊，為中密狀態(tài)；原淤泥層經(jīng)地基處理后的平均重型動(dòng)探擊數(shù)為6.9～12.5擊，為稍密—中密狀態(tài)；原黏土層經(jīng)地基處理后平均重型動(dòng)探擊數(shù)為12.9～15.1 擊，為中密狀態(tài)。

在距離樁心0.75 m 和1.0 m 位置的標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果表明：淤泥層中BG1 孔（距中心0.75 m）12.7～17.5 m 之間和BG3 孔（距中心0.75 m）13.8～17.1 m之間標(biāo)貫擊數(shù)相對(duì)較高，該位置含有回填碎石；其它深度位置及BG2、BG4 孔標(biāo)貫試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)自沉情況，屬于流塑狀態(tài)的軟土，說(shuō)明局部位置碎石樁半徑達(dá)到0.75 m。

3 加固后場(chǎng)地檢測(cè)

1）樁身成樁效果檢測(cè)

在碎石樁位置進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)樁身的密實(shí)程度（圖2），碎石層的樁身重型動(dòng)力觸探平均擊數(shù)為16.6～22.1 擊，樁身密實(shí)程度為中密—密實(shí)狀態(tài)；淤泥層的樁身重型動(dòng)力觸探平均擊數(shù)為11.0～19.3 擊，樁身密實(shí)程度為中密狀態(tài)；黏土層的樁身重型動(dòng)力觸探平均擊數(shù)為11.2～11.7擊，樁身密實(shí)程度為中密狀態(tài)。

圖2 樁身重型動(dòng)探擊數(shù)沿深度變化曲線圖Fig.2 Curve chart of heavy dynamic penetration blow count of pile shaft along depth

淺層碎石層和淤泥層中碎石樁成樁效果較好，深部土層的成樁效果相對(duì)較差，說(shuō)明碎石樁加固深度有限。

2）樁間土加固效果檢測(cè)

上部的碎石層采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)，平均重型動(dòng)力觸探擊數(shù)在16.5～20.3 擊，為中密—密實(shí)狀態(tài)；原軟土層加固處理后標(biāo)貫擊數(shù)為3～6擊，為軟—中等狀態(tài)；同時(shí)對(duì)原軟土層進(jìn)行取土并進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，與加固前相比樁間土的含水率、孔隙比、變形指標(biāo)和土的強(qiáng)度等物理力學(xué)指標(biāo)均有一定的改善。

加固前后樁間土主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 原軟土層加固前后土性對(duì)比統(tǒng)計(jì)表Table 2 Comparison statistics of soil properties before and after reinforcement of original soft soil layer

4 堆載預(yù)壓沉降分析

開(kāi)始加載時(shí)間為2019-12-14，2020-04-10卸載完成，加載期共計(jì)為118 d，累計(jì)沉降量為103.4～142.1 mm，平均沉降量為123.0 mm。其中一級(jí)堆載高度1.5 m，加載起止時(shí)間為2019-12-14—15；二級(jí)堆載至3 m 高度，加載起止時(shí)間為2020-01-05—06；恒載至2020-04-08 開(kāi)始卸載，04-10 卸載完成，滿(mǎn)載預(yù)壓時(shí)間93 d。

堆載期間地表沉降—時(shí)間關(guān)系曲線圖如圖3所示。

圖3 堆載期間地表沉降—時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.3 Relation curve between surface settlement and time during surcharge period

軟黏土地基中打設(shè)碎石樁，碎石樁可作為地基良好的排水通道，在上部預(yù)壓荷載作用下軟黏土地基將發(fā)生排水固結(jié)作用，根據(jù)實(shí)測(cè)沉降曲線，一般采用“經(jīng)驗(yàn)雙曲線法”、三點(diǎn)法和Asaoka 法推算在該荷載作用下軟黏土的最終沉降量[7-10]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 軟黏土地基沉降量計(jì)算表Table 3 Calculation table of settlement of soft clay foundationmm

可見(jiàn)，采用三點(diǎn)法和Asaoka 法推算的殘余沉降較為接近，雙曲線法推算的殘余沉降明顯偏大，偏于保守[11-12]，工程應(yīng)用上可采用雙曲線法和三點(diǎn)法的平均值，這里的殘余沉降量為75.7 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

1）150 kW 以上的大功率振沖器均能夠打穿上部約10 m 厚碎石層，考慮到工效及設(shè)備磨損采用200 kW 以上的振沖器應(yīng)用效果更好。

2）通過(guò)單樁工藝驗(yàn)證表明距離樁中心0.50 m以?xún)?nèi)的樁身基本達(dá)到中密以上狀態(tài)，距樁心中心0.75 m 的淤泥層中局部存在碎石，距離樁中心1.00 m 位置未見(jiàn)碎石?？梢?jiàn)采用200 kW 振沖器成樁半徑在0.50～0.75 m 之間，局部超過(guò)0.75 m。

3）處理后碎石層和淤泥層中碎石樁樁身基本達(dá)到中密以上狀態(tài)，但深層的樁身處理效果一般，可推測(cè)振沖碎石樁的加固深度不宜太深。

4）振沖施工使得樁間碎石層也得到明顯改善，由加固前的稍密狀態(tài)變?yōu)橹忻堋軐?shí)狀態(tài)；在聯(lián)合堆載預(yù)壓作用下樁間淤泥層的含水率、孔隙比、壓縮性有所降低，濕密度、壓縮模量和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)得到了提高，原軟土地基得到了明顯改善。