排水抗液化珊瑚礁砂地基碎石樁成樁工藝

梁小叢，井 陽，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復(fù)合地基處理方式，可通過在地基中增加碎石等散體材料形成豎向增強(qiáng)體來提高地基承載力，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]。目前對于碎石樁工藝研究常見于普通硅質(zhì)砂土或者軟土地基[3]，對于碎石樁成樁設(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)程度主要劃分為③1a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 檢測驗(yàn)收準(zhǔn)則為優(yōu)先檢測正三角形振沖點(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(邊長二等分點(diǎn)位置)和1∕3P(邊長三等分點(diǎn)位置)點(diǎn)位的檢測，并進(jìn)行綜合評估。因此每組SPT 檢測對應(yīng)至少1 個(gè)或者3 個(gè)SPT 檢測點(diǎn)。其中CP、1∕2P和1∕3P檢測點(diǎn)位相對位置見圖2。

圖1 基于SPT 的擠密驗(yàn)收曲線

圖2 SPT 檢測位置

1.3.2 樁體排水功能驗(yàn)收準(zhǔn)則

對于以排水為主的抗液化設(shè)計(jì)，其主要目的是通過設(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)難以測定，滲透系數(shù)控制主要通過設(shè)計(jì)階段對碎石料規(guī)定級配。施工階段則主要通過施工管理控制系統(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，以確保施工過程樁徑和樁長滿足設(shè)計(jì)要求。施工管理控制系統(tǒng)界面見圖3。

圖3 施工管理控制系統(tǒng)界面

3 碎石樁現(xiàn)場試驗(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)(樁長及任意深度樁徑)兩方面?；谝酝┕そ?jīng)驗(yàn)，對于深厚砂土地基碎石樁，施工可采用振沖法、振管法工藝。對于擠密效果而言，振沖法以水平振動為主、振管法以豎向振動為主，振沖法擠密效果比振管法明顯；但對于樁徑控制而言，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)場試驗(yàn)區(qū)見圖4，試驗(yàn)區(qū)具體工況見表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。振沖施工過程質(zhì)量控制采用自動監(jiān)控振沖記錄儀，自動監(jiān)控記錄儀通過施工管理系統(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港場地特殊珊瑚礁砂地質(zhì)條件和現(xiàn)場振沖試驗(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)對成樁質(zhì)量進(jìn)行過程控制:

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)，須觀察反插過程中顯示器上顯示的電流值，若反插過程中電流無法達(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。在反插過程中，顯示器中會出現(xiàn)實(shí)時(shí)樁徑圖和理論樁徑圖(圖3)。對比兩圖，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，重新反插過程中須保證設(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，其中振動錘形DL240 A。振管設(shè)備主要可控參數(shù)有振動頻率和密實(shí)電流，最大激振力1 610 kN，允許密實(shí)電流450 A，振動頻率范圍0～50 Hz。振管碎石樁施工過程質(zhì)量控制采用自動監(jiān)控記錄儀，可通過施工管理系統(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)場碎石樁施工關(guān)鍵控制技術(shù)主要在于兩方面，通過下沉電流監(jiān)控，識別出相對松散層，即密實(shí)電流相對小區(qū)域，見圖8，對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，反插過程持續(xù)時(shí)間8 s。

圖8 密實(shí)電流判斷相對松散層

5 結(jié)果分析

5.1 振沖擠密

L1 區(qū)對應(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)成樁過程分別采用了分段填料量和實(shí)時(shí)樁徑圖作為過程控制指標(biāo)，成樁過程未采用密實(shí)電流控制。試驗(yàn)區(qū)完成后采用SPT 進(jìn)行樁間土檢測，并分別繪制每組SPT 檢測點(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，見圖9。

圖9 L1-A 試驗(yàn)區(qū)擠密效果分析

由圖9 可見，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程增加反插過程密實(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)所有檢測點(diǎn)平均值曲線對比，結(jié)果見圖10 和表4。

圖10 增加密實(shí)電流控制后檢測結(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)域樁間土檢測結(jié)果均滿足驗(yàn)收曲線。由表4 可知:成樁過程增加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 檢測了樁間土3 個(gè)點(diǎn)位，檢測結(jié)果分布圖以及平均值曲線見圖11。

圖11 L1-C 試驗(yàn)分區(qū)檢測結(jié)果

圖11 顯示，成樁后樁間土3 個(gè)點(diǎn)位SPT 檢測結(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 振沖和振管工藝對比

5.3.1 工藝質(zhì)量控制對比

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)備主要通過振沖器水平振動作用下造孔，并依靠自重下沉；振管設(shè)備則主要通過振動錘振動沉孔。兩種碎石樁成樁過程主要工藝對比見表5。

表5 振沖和振管碎石樁關(guān)鍵成樁工藝對比

由表5 可知，兩者工藝質(zhì)量差異性主要如下:1)振動方式。振沖成樁的擠密過程主要通過振沖器的水平振動和反插過程對樁間土進(jìn)行擠密；而振管成樁過程則主要通過沉管豎向振動及反插過程對樁間土進(jìn)行擠密。2)控制參數(shù)。振沖主要通過分段填料量、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。振管工藝成樁過程采用套管工藝，成樁過程選取與設(shè)計(jì)樁徑向匹配套管，并通過分段填料控制即可確保成樁樁徑滿足設(shè)計(jì)要求。但對于振沖工藝，由于振沖器本身直徑較小，樁徑形成主要通過擠密方式，因此需要通過實(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為主，密實(shí)電流與樁間土體密實(shí)度對應(yīng)關(guān)系不明顯，因此密實(shí)電流主要用于造孔過程識別相對松散層，從而在相對松散層采用加強(qiáng)控制措施確保擠密效果。

為進(jìn)一步對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 擠密效果對比

為了對比兩種工藝擠密效果，振管工藝選取分區(qū)L1-C 檢測結(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)行對比，對比分析結(jié)果見圖12 和表7。

表7 樁間土擠密效果對比分析 擊

由圖12 和表7 可知:對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，振沖對地層擾動較大所致。

6 結(jié)論

1)對于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)，反插過程需采用分段填料量控制指標(biāo)，其次通過造孔過程密實(shí)電流變化識別松散地層，并在松散層區(qū)域通過增加留振時(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。