梁小叢，井 陽(yáng)，周紅星，朱明星，徐 雄

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州 510230；2.廣州港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510230；3.中交四航局第二工程有限公司，廣東廣州 510230)

采用碎石樁是一種常見(jiàn)復(fù)合地基處理方式，可通過(guò)在地基中增加碎石等散體材料形成豎向增強(qiáng)體來(lái)提高地基承載力，并減少沉降。同時(shí)在強(qiáng)震區(qū)的砂土地基中可形成排水通道，快速消散地震作用產(chǎn)生的超孔壓，從而提高強(qiáng)震液化災(zāi)害防御能力。碎石樁根據(jù)成樁工藝，一般分為振沖碎石樁和振管碎石樁[1-2]。目前對(duì)于碎石樁工藝研究常見(jiàn)于普通硅質(zhì)砂土或者軟土地基[3]，對(duì)于碎石樁成樁設(shè)計(jì)要求經(jīng)常是提高地基承載力和減少沉降[4]。而對(duì)于珊瑚礁砂地質(zhì)條件，基于排水抗液化要求的碎石樁施工工藝研究較少，可借鑒工程經(jīng)驗(yàn)較少。

本文主要依托東帝汶Tibar 港項(xiàng)目開展試驗(yàn)，研究適用于深厚珊瑚礁砂地基的振沖碎石樁和振管碎石樁工藝，并基于排水抗液化要求提出合適的振沖、振管工藝參數(shù)和質(zhì)量控制流程，為后續(xù)類似地基中碎石樁施工提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程地質(zhì)條件

東帝汶Tibar 港項(xiàng)目位于帝汶島，帝汶島地質(zhì)形成主要由中生代或地質(zhì)年代更近的沉積物覆蓋于基巖上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告揭露，碼頭后方回填陸域地基處理范圍內(nèi)主要為吹填層和原地層。其中吹填層為絞吸吹填，初始狀態(tài)為松散-中密的珊瑚礁砂∕礫層，原地層主要為海相沉積的粉土質(zhì)或含粉土質(zhì)珊瑚礁石砂∕礫層；①和②為表層瀉湖沉積軟黏土或者砂質(zhì)粉土，吹填前進(jìn)行了清淤；地基處理范圍內(nèi)原地層③根據(jù)密實(shí)程度主要?jiǎng)澐譃棰?a和③1b層，其中③1a層非常松散-松散，局部中密狀態(tài)珊瑚礁石砂∕礫層，③1b層則為中密，局部密實(shí)狀態(tài)珊瑚礁石砂∕礫層。珊瑚礁砂∕礫層為高鈣質(zhì)含量砂，其中③1a層平均鈣含量90.18%、③1b層平均鈣含量為66.06%。原地層基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 加固地層基本物理指標(biāo)

1.2 地基處理設(shè)計(jì)

根據(jù)依托項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書，地基處理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則見(jiàn)表2。

表2 地基處理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

基于上述地基處理設(shè)計(jì)要求，地基處理主要控制準(zhǔn)則為抗液化。考慮到現(xiàn)場(chǎng)珊瑚礁砂原地層細(xì)粒含量高，大部分細(xì)粒含量大于15%、平均細(xì)粒含量19%，采用振沖密實(shí)法擠密效果不佳[5]，難以滿足抗液地基處理要求，從而考慮采用排水為主、擠密為輔的碎石樁抗液化設(shè)計(jì)[6]。碎石樁采用正三角形布置，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)15 m，置換率為10.1%～15.7%，滿足抗液化設(shè)計(jì)最低置換率10.1%。

1.3 碎石樁質(zhì)量驗(yàn)收要求

根據(jù)碎石樁排水為主、擠密為輔的抗液化設(shè)計(jì)要求，碎石樁成樁后質(zhì)量驗(yàn)收主要針對(duì)碎石樁擠密作用以及樁體材料排水作用。

1.3.1 樁間土擠密驗(yàn)收準(zhǔn)則

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，碎石樁地基處理后須滿足相對(duì)密度Dr＝50%要求，參照Idriss 和Boulanger[7]提出的Dr與SPT(標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn))經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，建立了基于SPT 的驗(yàn)收曲線。

SPT 檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則為優(yōu)先檢測(cè)正三角形振沖點(diǎn)擠密效果最弱點(diǎn)位——CP(振沖點(diǎn)正三角形布置形心位置)點(diǎn)位，如擠密效果滿足要求則驗(yàn)收合格，否則仍需繼續(xù)開展1∕2P(邊長(zhǎng)二等分點(diǎn)位置)和1∕3P(邊長(zhǎng)三等分點(diǎn)位置)點(diǎn)位的檢測(cè)，并進(jìn)行綜合評(píng)估。因此每組SPT 檢測(cè)對(duì)應(yīng)至少1 個(gè)或者3 個(gè)SPT 檢測(cè)點(diǎn)。其中CP、1∕2P和1∕3P檢測(cè)點(diǎn)位相對(duì)位置見(jiàn)圖2。

圖1 基于SPT 的擠密驗(yàn)收曲線

圖2 SPT 檢測(cè)位置

1.3.2 樁體排水功能驗(yàn)收準(zhǔn)則

對(duì)于以排水為主的抗液化設(shè)計(jì)，其主要目的是通過(guò)設(shè)置豎向排水體快速消散強(qiáng)震作用產(chǎn)生的超孔壓，因此除了設(shè)計(jì)參數(shù)置換率之外，排水體設(shè)計(jì)參數(shù)(如長(zhǎng)度、直徑、滲透系數(shù))是影響排水體排水功能的關(guān)鍵。

考慮到成樁后滲透系數(shù)難以測(cè)定，滲透系數(shù)控制主要通過(guò)設(shè)計(jì)階段對(duì)碎石料規(guī)定級(jí)配。施工階段則主要通過(guò)施工管理控制系統(tǒng)深度-時(shí)間關(guān)系曲線以及實(shí)時(shí)樁型圖進(jìn)行控制，以確保施工過(guò)程樁徑和樁長(zhǎng)滿足設(shè)計(jì)要求。施工管理控制系統(tǒng)界面見(jiàn)圖3。

圖3 施工管理控制系統(tǒng)界面

3 碎石樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于上述碎石樁質(zhì)量驗(yàn)收要求，碎石樁施工質(zhì)量控制主要在樁間土密實(shí)度以及碎石樁設(shè)計(jì)幾何參數(shù)(樁長(zhǎng)及任意深度樁徑)兩方面?；谝酝┕そ?jīng)驗(yàn)，對(duì)于深厚砂土地基碎石樁，施工可采用振沖法、振管法工藝。對(duì)于擠密效果而言，振沖法以水平振動(dòng)為主、振管法以豎向振動(dòng)為主，振沖法擠密效果比振管法明顯；但對(duì)于樁徑控制而言，由于振管法采用套管控制，施工樁徑均勻程度比振沖法容易控制。

因此為了進(jìn)一步對(duì)比分析振沖工藝和振管工藝成樁質(zhì)量以及樁間土擠密效果，獲取適合珊瑚礁砂地基施工參數(shù)和質(zhì)量控制工藝，同時(shí)驗(yàn)證振沖、振管設(shè)備成孔能力，設(shè)置了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)見(jiàn)圖4，試驗(yàn)區(qū)具體工況見(jiàn)表3。

圖4 試驗(yàn)區(qū)L1 位置

表3 陸域試驗(yàn)區(qū)L1 概況

4 工藝質(zhì)量控制

4.1 振沖法

陸域振沖試驗(yàn)區(qū)主要采用功率為180 kW 的履帶式振沖器，空載密實(shí)電流107 A，最大允許電流380 A。振沖施工過(guò)程質(zhì)量控制采用自動(dòng)監(jiān)控振沖記錄儀，自動(dòng)監(jiān)控記錄儀通過(guò)施工管理系統(tǒng)和振沖設(shè)備傳感器相連接，可實(shí)時(shí)顯示振沖設(shè)備施工過(guò)程中的振沖速度、填料量、深度-電流關(guān)系曲線及深度-樁徑關(guān)系的樁型圖等。

碎石樁施工過(guò)程可根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的參數(shù)和樁型圖曲線判定振沖碎石樁施工質(zhì)量是否滿足要求，如不滿足可及時(shí)做出調(diào)整以確保施工過(guò)程每段碎石樁的施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合東帝汶Tibar港場(chǎng)地特殊珊瑚礁砂地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)振沖試驗(yàn)區(qū)的成樁質(zhì)量和擠密效果反饋，在常規(guī)施工工藝流程基礎(chǔ)上提出了基于珊瑚礁砂地基的底部出料振沖碎石樁施工質(zhì)量控制工藝流程，見(jiàn)圖5。

圖5 振沖碎石樁質(zhì)量控制工藝流程

根據(jù)振沖質(zhì)量控制工藝流程，提出3 大指標(biāo)對(duì)成樁質(zhì)量進(jìn)行過(guò)程控制:

1)分段填料量控制。上料前利用提升料斗里的稱質(zhì)量設(shè)備稱出當(dāng)前填料量，根據(jù)成樁密實(shí)后密度換算實(shí)際方量，再根據(jù)分段成樁高度計(jì)算理論方量，并控制分段消耗的實(shí)際方量大于理論方量。

2)反插密實(shí)電流。進(jìn)行提升、反插作業(yè)時(shí)，須觀察反插過(guò)程中顯示器上顯示的電流值，若反插過(guò)程中電流無(wú)法達(dá)到117 A(振沖器空載電流約為107 A)，則應(yīng)將振蕩器提升到先前的高度并重新反插。在此過(guò)程中，操作員須確保設(shè)備中有足夠的石料。

3)實(shí)時(shí)樁徑圖。嚴(yán)格控制上述分段填料量和反插電流。在反插過(guò)程中，顯示器中會(huì)出現(xiàn)實(shí)時(shí)樁徑圖和理論樁徑圖(圖3)。對(duì)比兩圖，若實(shí)時(shí)樁徑不滿足理論樁徑，則應(yīng)重新反插、重新檢測(cè)，重新反插過(guò)程中須保證設(shè)備中有足夠的石料。成樁完成后可由振沖記錄儀導(dǎo)出成果圖中樁形圖進(jìn)行樁徑驗(yàn)收，成果見(jiàn)圖6。

圖6 振沖質(zhì)量控制系統(tǒng)成果

4.2 振管法

振管工藝主要采用步履式振管設(shè)備，其中振動(dòng)錘形DL240 A。振管設(shè)備主要可控參數(shù)有振動(dòng)頻率和密實(shí)電流，最大激振力1 610 kN，允許密實(shí)電流450 A，振動(dòng)頻率范圍0～50 Hz。振管碎石樁施工過(guò)程質(zhì)量控制采用自動(dòng)監(jiān)控記錄儀，可通過(guò)施工管理系統(tǒng)和振沖設(shè)備傳感器相連接，實(shí)時(shí)顯示施工過(guò)程電流-深度關(guān)系曲線、振管碎石樁樁型圖以及實(shí)時(shí)消耗填料量。

結(jié)合東帝汶Tibar 港場(chǎng)地特殊珊瑚礁砂地質(zhì)條件和碎石樁設(shè)計(jì)要求，在常規(guī)施工工藝流程基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了基于珊瑚礁砂地基的振管碎石樁實(shí)時(shí)控制工藝流程，見(jiàn)圖7。

圖7 振管碎石樁質(zhì)量控制工藝流程

由上述振管碎石樁實(shí)時(shí)控制工藝流程可知，現(xiàn)場(chǎng)碎石樁施工關(guān)鍵控制技術(shù)主要在于兩方面，通過(guò)下沉電流監(jiān)控，識(shí)別出相對(duì)松散層，即密實(shí)電流相對(duì)小區(qū)域，見(jiàn)圖8，對(duì)松散層采取減少上提間距、增加留振時(shí)間、增大反插深度等加強(qiáng)擠密措施，具體如下:1)相對(duì)松散層控制參數(shù)為:上提間距1.5 m，每提升0.75 m 留振時(shí)間5 s，上提速度控制在1～2 m∕min；反插深度0.6～0.8 m，反插過(guò)程持續(xù)時(shí)間8 s。2)其他層位控制參數(shù)為:上提間距1.5 m，上提速度控制在1～2 m∕min；反插深度0.5 m，反插過(guò)程持續(xù)時(shí)間8 s。

圖8 密實(shí)電流判斷相對(duì)松散層

5 結(jié)果分析

5.1 振沖擠密

L1 區(qū)對(duì)應(yīng)地層為松散粉土質(zhì)∕含粉土質(zhì)珊瑚礁砂③1a層和中密粉土質(zhì)∕含粉土質(zhì)珊瑚礁砂③1b層。L1 區(qū)的L1-A 試驗(yàn)分區(qū)成樁過(guò)程分別采用了分段填料量和實(shí)時(shí)樁徑圖作為過(guò)程控制指標(biāo)，成樁過(guò)程未采用密實(shí)電流控制。試驗(yàn)區(qū)完成后采用SPT 進(jìn)行樁間土檢測(cè)，并分別繪制每組SPT 檢測(cè)點(diǎn)的標(biāo)貫擊數(shù)N值的分布以及地層中細(xì)粒含量分布，見(jiàn)圖9。

圖9 L1-A 試驗(yàn)區(qū)擠密效果分析

由圖9 可見(jiàn)，③1b珊瑚礁砂層加固后-8～-6 m高程范圍內(nèi)分布有部分標(biāo)貫N值小于驗(yàn)收曲線區(qū)域。為了提高樁間土擠密效果，控制反插密實(shí)電流閾值，提取了不合格檢測(cè)點(diǎn)位-8～-6 m 高程范圍內(nèi)反插密實(shí)電流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)不合格區(qū)域的平均反插密實(shí)電流約113 A，而擠密效果合格區(qū)域的平均反插密實(shí)電流約為117 A。

因此，提出在原地層珊瑚礁砂成樁過(guò)程增加反插過(guò)程密實(shí)電流＞117 A 控制指標(biāo)，并基于改進(jìn)工藝新開展試驗(yàn)區(qū)L1-A1 和L1-B，將改進(jìn)工藝后試驗(yàn)區(qū)所有檢測(cè)點(diǎn)分布以及平均值曲線進(jìn)行繪制，并將平均值曲線與L1-A 試驗(yàn)區(qū)所有檢測(cè)點(diǎn)平均值曲線對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖10 和表4。

圖10 增加密實(shí)電流控制后檢測(cè)結(jié)果分布

表4 增加密實(shí)電流控制后擠密效果分析 擊

由圖10 可知，采用改進(jìn)工藝振沖碎石樁，③1b層中局部不合格區(qū)域樁間土檢測(cè)結(jié)果均滿足驗(yàn)收曲線。由表4 可知:成樁過(guò)程增加117 A 密實(shí)電流控制后，松散③1a珊瑚礁砂層工后SPT 平均擊數(shù)N可由18.5 擊提高到21.9 擊，提高倍數(shù)由4.1 倍增加到5.1 倍；中密③1b珊瑚礁砂層SPT 平均擊數(shù)N由12.3 擊提高到17.6 擊，提高倍數(shù)由1.1 增加到1.6 倍。由此可見(jiàn)改進(jìn)工藝后加固效果提高顯著，能確保高細(xì)粒含量的中密珊瑚礁砂③1b層樁間土擠密效果滿足驗(yàn)收要求。

5.2 振管擠密

由表3 可知，L1-C 試驗(yàn)區(qū)試樁與A、B 試驗(yàn)區(qū)樁徑、樁間距相同，成樁工藝采用振管工藝。成樁工藝參數(shù)和質(zhì)量控制采用圖7 控制流程。成樁完成后，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)SPT 檢測(cè)了樁間土3 個(gè)點(diǎn)位，檢測(cè)結(jié)果分布圖以及平均值曲線見(jiàn)圖11。

圖11 L1-C 試驗(yàn)分區(qū)檢測(cè)結(jié)果

圖11 顯示，成樁后樁間土3 個(gè)點(diǎn)位SPT 檢測(cè)結(jié)果分布值均大于驗(yàn)收曲線，且平均值也大于驗(yàn)收曲線，滿足樁間土擠密要求。

5.3 振沖和振管工藝對(duì)比

5.3.1 工藝質(zhì)量控制對(duì)比

振沖碎石樁和振管碎石樁工藝區(qū)別主要是成樁設(shè)備的不同。振沖設(shè)備主要通過(guò)振沖器水平振動(dòng)作用下造孔，并依靠自重下沉；振管設(shè)備則主要通過(guò)振動(dòng)錘振動(dòng)沉孔。兩種碎石樁成樁過(guò)程主要工藝對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 振沖和振管碎石樁關(guān)鍵成樁工藝對(duì)比

由表5 可知，兩者工藝質(zhì)量差異性主要如下:1)振動(dòng)方式。振沖成樁的擠密過(guò)程主要通過(guò)振沖器的水平振動(dòng)和反插過(guò)程對(duì)樁間土進(jìn)行擠密；而振管成樁過(guò)程則主要通過(guò)沉管豎向振動(dòng)及反插過(guò)程對(duì)樁間土進(jìn)行擠密。2)控制參數(shù)。振沖主要通過(guò)分段填料量、實(shí)施樁徑圖、反插密實(shí)電流這3 個(gè)參數(shù)控制，振管則主要通過(guò)分段填料量進(jìn)行控制。

上述兩者工藝差異主要原因:1)樁徑控制方面。振管工藝成樁過(guò)程采用套管工藝，成樁過(guò)程選取與設(shè)計(jì)樁徑向匹配套管，并通過(guò)分段填料控制即可確保成樁樁徑滿足設(shè)計(jì)要求。但對(duì)于振沖工藝，由于振沖器本身直徑較小，樁徑形成主要通過(guò)擠密方式，因此需要通過(guò)實(shí)時(shí)樁徑圖及分段填料加以控制。2)擠密效果控制方面。振沖工藝以徑向振動(dòng)為主，密實(shí)電流能很好地反映樁間土體擠密效果；而振管工藝以豎向振動(dòng)為主，密實(shí)電流與樁間土體密實(shí)度對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯，因此密實(shí)電流主要用于造孔過(guò)程識(shí)別相對(duì)松散層，從而在相對(duì)松散層采用加強(qiáng)控制措施確保擠密效果。

為進(jìn)一步對(duì)比分析兩者工藝成樁質(zhì)量差異，統(tǒng)計(jì)單根樁實(shí)際方量和充盈系數(shù)，基于導(dǎo)出的振沖碎石樁施工自動(dòng)記錄，分別統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)區(qū)的單根碎石樁的實(shí)際方量和樁底設(shè)計(jì)高程，見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)區(qū)成樁充盈系數(shù)

由表6 可知，振沖工藝的L1-A 試驗(yàn)區(qū)充盈系數(shù)相比L1-A1 和L1-B 偏小，這主要由于L1-A試驗(yàn)區(qū)未采用密實(shí)電流控制，而其他試驗(yàn)區(qū)則采用密實(shí)電流不小于117 A 進(jìn)行控制。振管試驗(yàn)區(qū)充盈系數(shù)與增加密實(shí)電流控制后振沖試驗(yàn)區(qū)接近。

5.3.2 擠密效果對(duì)比

為了對(duì)比兩種工藝擠密效果，振管工藝選取分區(qū)L1-C 檢測(cè)結(jié)果，而振沖分區(qū)則選取相同置換率的L1-A1、L1-B 平均結(jié)果作為代表值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)圖12 和表7。

表7 樁間土擠密效果對(duì)比分析 擊

由圖12 和表7 可知:對(duì)于珊瑚礁砂地基碎石樁，當(dāng)采用相同置換率振管工藝成樁時(shí)，振管工藝樁間土擠密后的效果與振沖工藝差異不大，這與傳統(tǒng)硅質(zhì)砂土地基處理中振沖工藝比振管擠密效果明顯好的規(guī)律略有不同。對(duì)于初始狀態(tài)為中密的③1b層，振沖工藝和振管工藝加固后擠密效果差異不明顯；對(duì)于初始狀態(tài)為松散的③1a層，振沖工藝擠密后SPT 平均值和提高幅度均比振管工藝略高。對(duì)于吹填層，振沖工藝加固后密實(shí)度比振管工藝略低，這可能是由于吹填表層的振沖能量比振管工藝大，由于上覆地層應(yīng)力小，振沖對(duì)地層擾動(dòng)較大所致。

6 結(jié)論

1)對(duì)于10.1%置換率珊瑚礁砂地基碎石樁，當(dāng)采用振沖工藝成樁時(shí)，松散③1a珊瑚礁砂層樁間土擠密后平均擊數(shù)N可由18.5 擊提高到21.9 擊，提高倍數(shù)由4.1 倍增加到5.1 倍；中密③1b珊瑚礁砂層擠密后平均擊數(shù)N由12.3 擊提高到17.6 擊，提高倍數(shù)由1.1 增加到1.6 倍。

2)對(duì)于珊瑚礁砂地基碎石樁，當(dāng)采用相同置換率振管工藝成樁時(shí)，振管工藝樁間土擠密效果與振沖工藝差異不明顯。具體到不同地層，當(dāng)初始狀態(tài)為中密時(shí)，兩者擠密效果較為一致；當(dāng)初始狀態(tài)為松散時(shí)，振沖工藝擠密后密實(shí)度相比振管工藝略高。

3)基于排水為主、擠密為輔的抗液化要求，當(dāng)采用振沖工藝施工時(shí)，為確保樁間土擠密效果和樁體有效截面積，應(yīng)同時(shí)采用3 個(gè)控制指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控:即分段填料量、反插密實(shí)電流和實(shí)時(shí)樁徑圖；而當(dāng)采用振管工藝時(shí)，反插過(guò)程需采用分段填料量控制指標(biāo)，其次通過(guò)造孔過(guò)程密實(shí)電流變化識(shí)別松散地層，并在松散層區(qū)域通過(guò)增加留振時(shí)間、提高反插深度、減緩反插速度等措施提高樁間土擠密效果。