淺析沉管碎石樁在軟黏土地基處理中的應(yīng)用

劉 業(yè) 舉

(山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

振動沉管碎石樁處理軟土地基是一種比較成熟的施工方法，該方法施工工藝簡單、造價較低、施工速度快，能有效的加固樁間土，置換軟弱土，加速排水固結(jié)消除液化，提高承載力，減少工后地基固結(jié)沉降，效果較好，是目前軟土地基較常用的一種處理方法。當(dāng)建筑物對地基沉降要求嚴(yán)格時，也可以和其他樁聯(lián)合形成多樁型復(fù)合地基，能較大幅度的提高承載力。

1 作用原理

1.1 豎向排水通道

軟黏土含水量高、滲透性差、壓縮性高，其孔隙中含有大量的水分較難排出，通過碎石樁施工，可以為軟黏土提供便捷的排水通道，縮短排水距離，同時也能有效的加快超孔隙水壓力的消散，從而加速地基土的固結(jié)。

1.2 擠密作用

碎石樁對松散粉土、粉細(xì)砂土、塑性指數(shù)較小的地基土擠密效果比飽和軟黏土、砂土等地基土效果好。主要原理是沉入樁管時，對其周圍土體將產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，使其孔隙比減少，密度增大，顯著的提高樁側(cè)土的強(qiáng)度。

1.3 振密作用

振動沉管時，樁管的振動能量以波的形式在土體中傳播，進(jìn)而引起周圍土體的振動，在振動作用下土體結(jié)構(gòu)破壞，孔隙水壓力增大，土顆粒重新排列，使土由較松散變?yōu)檩^密實(shí)狀態(tài)。

1.4 抗液化作用

土體在反復(fù)振動作用下，孔隙水壓力逐漸增大，當(dāng)孔隙水壓力大于土體主應(yīng)力數(shù)值時，土體振動產(chǎn)生液化，液化后的顆粒在上覆土壓力、重力和填料擠壓力共同作用下，土體結(jié)構(gòu)重新排列組合，從而提高樁間土的抗液化性能。

1.5 置換作用

沉管碎石樁施工過程中，將樁管周圍較差的土擠排至四周，置換力學(xué)性能較好的碎石，成樁以后就形成了一定樁徑、樁長和間距的樁與樁間土的復(fù)合地基。因?yàn)樗槭瘶兜膹?qiáng)度和抗變形性能較優(yōu)于周圍土，所以承載力有較大幅度的提高，工后沉降量有所減小。

2 工程概況

本工程為某液體化工品碼頭項(xiàng)目土建(樁基工程)，占地面積約7.7萬m2，振沖碎石樁約3 341根，樁徑1.0 m，有效樁長12.0 m，樁距采用3 m的等腰三角形布置,隔行跳打的施工方法；擬建港口工程，北、東兩側(cè)環(huán)山，場地為半月形海灣，北側(cè)為海灘，中間為沿山弧形航道，簸箕山東側(cè)為海港，沿航道向東一直可達(dá)沈大高速公路。

3 地質(zhì)水文情況

3.1 地質(zhì)條件

1)根據(jù)地質(zhì)勘察資料，場地地層自上而下為：

a.淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰褐色，飽和，呈流塑～軟塑狀。切面光滑，污手。含貝殼碎片。場區(qū)普遍分布，厚度：2.00 m～9.60 m，平均6.63 m；層底標(biāo)高：-11.16 m～-7.87 m，平均-9.63 m；層底埋深；2.00 m～9.60 m，平均6.63 m。

b.粉質(zhì)黏土：灰褐色，濕，可塑。局部含少許石英砂巖礫石。場區(qū)普遍分布，厚度0.30 m～3.60 m，平均0.70 m；層底標(biāo)高-11.89 m～-8.37 m，平均-10.53 m；層底埋深5.40 m～12.60 m，平均7.96 m。

c.礫石：黃褐色，濕，密實(shí)。含石英砂巖礫石約60%～70%，以次棱角形為主，部分呈渾圓狀，中等風(fēng)化程度。混黏性土。場區(qū)普遍分布，厚度0.50 m～10.10 m，平均3.18 m；層底標(biāo)高-21.98 m～-10.27 m，平均-13.72 m，層底埋深6.10 m～18.30 m，平均11.14 m。

d.微風(fēng)化石英砂巖：灰白色，薄層狀，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈塊狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬。

2)地質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)現(xiàn)象。

勘察過程中未發(fā)現(xiàn)有斷裂構(gòu)造，本場地及其附近未發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)現(xiàn)象存在。

3.2 水文情況

根據(jù)多年資料統(tǒng)計(jì)年平均降水量724.1 mm，逐月分布不均，6月～9月為雨季，占全年降水量的76%。統(tǒng)計(jì)7年中，以1964年降水量最多，達(dá)1 044.4 mm，其中7月份降水量達(dá)428.4 mm，9月份日降水量達(dá)129.6 mm。

4 設(shè)計(jì)要求

4.1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

樁基設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表

4.2 碎石樁設(shè)計(jì)要求

1)振動碎石樁施工前在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，以確定振密電流和留振時間等參數(shù)，且當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求后方可施工。

2)振沖法碎石樁處理后復(fù)合地基承載力特征值不小于140 kPa。

3)振動碎石樁施工時，由于水池基底標(biāo)高較深，故振沖前先進(jìn)行基坑開挖，且預(yù)留1 m厚度的土層，振沖自基底標(biāo)高開始至③層粉質(zhì)黏土層不少于1.0 m。振沖器選用功率75 kN的振沖器。

4)振沖施工前，首先做好整個場地的排水措施，避免施工期間雨水對施工場地的浸泡和沖刷，以保證振沖效果。振沖過程加強(qiáng)過程控制和檢測。

5)在碎石樁體材料采用含泥量不大于5%的碎石，粒徑40 mm～150 mm，樁身強(qiáng)度不低于4.0 MPa。

6)在振動碎石樁成樁后，用重型動力觸探對樁進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)量為施工總樁的0.5%，且不少于3根。

7)碎石樁的施工順序：宜從外圍或兩側(cè)向中間進(jìn)行。

8)施工時樁位偏差不應(yīng)大于套管外徑的30%，套管垂直度允許偏差應(yīng)為±1%。

5 施工方法及檢測

5.1 振動碎石樁施工方法

5.1.1場地平整

在碎石樁施工前，首先要對場地進(jìn)行平整。場地平整后，邊緣作排水明溝。對于較大工程場地則要分塊設(shè)溝，以利排水暢通、樁機(jī)移位方便。

施工前，要根據(jù)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)預(yù)估隆起或振密變形的數(shù)量,以確定施工前場地的標(biāo)高，使處理后的場地標(biāo)高接近規(guī)定標(biāo)高。

5.1.2試樁

正式施工前，應(yīng)進(jìn)行成樁工藝和成樁擠密試驗(yàn)，試驗(yàn)樁數(shù)依照設(shè)計(jì)要求，在業(yè)主指定地點(diǎn)進(jìn)行試樁。

試樁是碎石樁施工的關(guān)鍵工序，試樁的目的：一是要檢驗(yàn)振動樁機(jī)的性能是否符合要求，各部位轉(zhuǎn)動是否一致。二是要確定樁管的貫入度、樁間距、填料的數(shù)量、樁體的充盈系數(shù)、樁管的提升高度和速度、振密擠壓次數(shù)、留振時間和拔樁所用時間以及電機(jī)的工作電流等施工參數(shù)。三是了解持力層的強(qiáng)度，以及成樁過程中遇到的各種問題的反常情況等。

試樁直徑、長度與工程樁相同。同時還要通過試樁取得的數(shù)據(jù)校核原定的設(shè)計(jì)方案、施工技術(shù)措施等。如成樁質(zhì)量不能滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)調(diào)整樁間距、填料量等施工參數(shù)，重新進(jìn)行試驗(yàn)或修改施工工藝設(shè)計(jì)。

5.1.3樁機(jī)就位、沉管

1)移動樁機(jī)，樁尖對準(zhǔn)樁位。閉合樁靴，樁管垂直對位，經(jīng)施工單位質(zhì)檢人員和監(jiān)理人員檢查，對位核準(zhǔn)無誤后，用經(jīng)緯儀或吊錘從兩個方向檢查樁管的垂直度，防止成孔傾斜，樁管垂直度偏差不應(yīng)大于1%，同時測地面高程，以便控制成孔深度。

2)利用錘重及沉管自重徐徐靜壓1 m～2 m后，啟動振動樁錘，將樁管振動沉入土中，達(dá)到設(shè)計(jì)深度，使樁管周圍土擠密或擠壓。在振動成孔的過程中，應(yīng)注意觀察樁管的垂直度，如有偏斜應(yīng)及時糾正，時刻保持樁管的垂直度，直到樁管壓沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

在樁管壓沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高時，為了確保樁的承載力，應(yīng)反復(fù)上下在孔底部拔、壓樁管，將土體向周圍地基土擠壓，加大樁孔直徑，防止縮頸，使樁間土進(jìn)一步擠密。

5.1.4填料、振動、拔管

1)填料。

在樁管振壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高后停機(jī)，開始人工向樁管內(nèi)填石料。填石料分兩步，第一步在停機(jī)狀態(tài)下填滿樁管；第二步，在拔樁管的過程中用吊斗再向內(nèi)補(bǔ)充填料。補(bǔ)充填料的數(shù)量應(yīng)在試樁中確定，同時在拔樁、填料過程中，機(jī)前工應(yīng)時刻觀察并記錄填料的數(shù)量，不可少填或超填太多。

加料時，應(yīng)本著“少加多振”的原則進(jìn)行。為保證順利下料,可加適量水。

拔管前，應(yīng)將樁管在樁底原位留振30 s～1 min，隨后把樁管提升到一定高度(依試樁確定的參數(shù)進(jìn)行，下料順利時不超過1 m～2 m)，提升時樁尖自動打開，樁管內(nèi)的砂石流入孔內(nèi)，使砂石全部埋住樁管口。每次提管高度應(yīng)以不離開砂石面為宜。

降落樁管，利用振動及樁尖的擠壓作用使砂石密實(shí)。一般先振動5 s～10 s后，開始拔管，邊拔邊振。在軟黏土中，樁管在打到規(guī)定深度后投入石料，應(yīng)復(fù)打2次～3次。采取這個措施是為了防止樁管拉拔時，底部軟黏土沒有擠密又重新恢復(fù)，形成縮頸和斷樁，同時，底部的軟黏土受到振動后會往下塌沉。采取復(fù)打后，可以使底部更密實(shí)。

2)提升樁管。

提升樁管的過程，應(yīng)從拔管速度和填料量兩個方面保證樁身的質(zhì)量。

控制拔管速度主要保證樁身連續(xù)性和密實(shí)度，如拔管速度太快，容易形成斷樁、縮頸現(xiàn)象或密實(shí)度不夠現(xiàn)象；拔管速度太慢，則所消耗的砂石量增加，成本增加。拔管方式也可分一次拔管法、逐步拔管法、重復(fù)壓拔管法和復(fù)打法。這里限于篇幅就不全部敘述了，本工程采用重復(fù)壓拔法施工。重復(fù)壓拔法的施工方法：

a.按設(shè)計(jì)規(guī)定或試驗(yàn)數(shù)據(jù)的填料量向樁管內(nèi)投入碎石。

b.邊振動邊拔管，拔管高度根據(jù)設(shè)計(jì)或試樁確定。

c.邊振動邊向下壓管，下壓的高度由設(shè)計(jì)和試驗(yàn)確定。

d.停止拔管，繼續(xù)振動，停拔時間按規(guī)定或試驗(yàn)確定。

e.重復(fù)步驟a.～d.直至樁管拔出地面。

提升和反壓樁管的速度必須是均勻的，反壓深度由深到淺，每根樁應(yīng)保證樁長和灌入量，總反壓次數(shù)按試樁參數(shù)要求。

5.1.5排水

軟弱土層的地下水較豐富，在沉管碎石樁數(shù)量不斷增多的情況下，地下水也不斷地順樁體涌出，如不及時排出，則挪樁機(jī)困難，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和質(zhì)量。所以施工現(xiàn)場應(yīng)視涌出水情況，及時安排操作人開挖排水溝進(jìn)行排水。

5.2 檢測

1)施工前，應(yīng)實(shí)測樁管的直徑、取樣檢驗(yàn)碎石的粒徑、含泥量、有機(jī)質(zhì)含量等是否符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

2)施工中，質(zhì)量檢查員應(yīng)檢查每根樁的樁位偏移量、填石料數(shù)量、樁管垂直度、樁頂標(biāo)高、樁長等，其指標(biāo)應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

3)施工完成后，應(yīng)對樁的樁位、樁徑、地基的密實(shí)度、地基土的承載力進(jìn)行檢驗(yàn)，符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范的要求。

4)檢查各項(xiàng)施工記錄，如有遺漏或不符合要求的樁，應(yīng)補(bǔ)樁或采取其他有效的補(bǔ)救措施。

振動碎石樁應(yīng)在施工期間及施工結(jié)束后，檢查碎石樁的施工記錄，包括檢查套管往復(fù)擠壓振動次數(shù)與時間、套管升降幅度和速度、每次填碎石料量等項(xiàng)施工記錄。碎石樁施工的沉管時間、各深度段的填砂石量、提升及擠壓時間等是施工控制的重要手段，這些資料可以作為評估施工質(zhì)量的重要依據(jù)，再結(jié)合抽檢便可以較好地作出質(zhì)量評價。

5)施工后，應(yīng)間隔一定時間方可進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。間隔時間不宜少于14 d。

6)施工質(zhì)量的檢驗(yàn)，對樁體采用重型動力觸探試驗(yàn)，檢查數(shù)量為施工總樁的0.5%，且不少于3根。

7)竣工驗(yàn)收時，地基承載力檢驗(yàn)應(yīng)采用復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，在成樁28 d后進(jìn)行，檢驗(yàn)數(shù)量為施工總樁的0.5%，且不少于3點(diǎn)。

8)施工質(zhì)量的檢驗(yàn)，對樁體可采用重型動力觸探試驗(yàn)；對樁間土可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探、動力觸探或其他原位測試等方法；對消除液化的地基檢驗(yàn)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。樁間土質(zhì)量的檢測位置應(yīng)在等邊三角形的中心。檢驗(yàn)深度不應(yīng)小于處理地基深度。

6 結(jié)語

施工結(jié)束28 d后，對成樁質(zhì)量和處理效果加固深度檢測，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工后沉降變形監(jiān)測也滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期效果，同時也為業(yè)主取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。從本工程看，振動沉管碎石樁處理軟黏土地基是切實(shí)可行的一種辦法。