無填料振沖擠密法在砂土地區(qū)地基處理中的應(yīng)用

李 博

(陜西西延鐵路有限責(zé)任公司，西安 710054)

包西鐵路神延段地處陜西北部地區(qū)，北起神木北車站南至延安北車站，其中榆林地區(qū)大保當(dāng)至魚河峁為毛烏素沙漠東南邊緣，地表廣泛分布風(fēng)積沙地，呈現(xiàn)風(fēng)沙荒漠景觀，以固定、半固定沙地為主。地形呈波狀起伏，風(fēng)沙活動強(qiáng)烈。該地區(qū)沿線部分車站建筑所在地地質(zhì)條件較差，表層砂土厚度大，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值低，承載力多在40～90 kPa之間，未經(jīng)處理一般不能滿足工業(yè)與民用建筑的要求［1］。

1 振沖擠密法作用機(jī)理

振沖法是由德國S·Steuernan于20世紀(jì)30年代首先提出的。1977年我國開始使用振沖法。振沖法(Vibro flotation)，是在處理砂土地基時利用振沖器的強(qiáng)力振動和水沖，使砂層發(fā)生短暫液化或結(jié)構(gòu)破壞，砂顆粒重新排列，孔隙減少，同時依靠振沖器的強(qiáng)迫水平振擠作用，將補(bǔ)充的砂(來自孔頂?shù)奶盍匣蜃孕兴莸纳?振動擠壓密實，從而有效地提高了地基的承載力，減少了沉降［2-3］。

振沖法在砂性土中制樁的施工過程對樁間土有振動擠密作用，故稱為振沖擠密法(Vibro compaction)。采用振沖擠密法可以提高地基承載力、減少沉降和不均勻沉降、且能達(dá)到地基抗地震液化能力。一般相對密度可達(dá)75%以上;地基承載力可提高一倍以上。據(jù)國外資料報道，用振沖法加固砂土地基，地基承載力可達(dá) 500 ～ 700 kPa［2］。

目前，振沖擠密法處理砂土類地基主要有無填料加固和填料加固兩種方法。本文通過工程實例，簡單講述無填料振沖擠密法在包西鐵路砂土地區(qū)地基處理中的應(yīng)用。

2 地基處理設(shè)計和施工工藝

現(xiàn)以包西鐵路榆林車站3#職工公寓樓為例說明這一技術(shù)的實際應(yīng)用。3#公寓樓建筑面積2 798.5 m2，磚混結(jié)構(gòu)6層，建筑高度18.4 m，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。場地地形平坦開闊，相對高差小。地貌單元屬風(fēng)成砂丘區(qū)。地基土主要為粉砂土，不具濕陷性。地下水埋藏較深，屬潛水類型。

2.1 工程地質(zhì)情況

根據(jù)鉆探查明，場地勘察范圍內(nèi)地層主要由第四系風(fēng)積、湖積細(xì)砂等構(gòu)成。現(xiàn)將其自上而下巖土特性分述如下:

①細(xì)砂(Qeol4):黃褐色，松散，稍濕。主要礦物成分以石英、長石，暗色礦物次之，云母少許。砂質(zhì)較純，顆粒較均，級配較差，風(fēng)積而成，局部夾有薄層粉夾層，分選性良好，含土量較小。本層厚度為3.00～5.60 m，層底埋深為3.00～5.60 m。地基土的承載力特征值fak=95 kPa。

②細(xì)砂(Qeol4):黃褐色，稍密，稍濕。主要礦物成分為石英、長石，云母少許，也見少許暗色礦物。砂質(zhì)較純，顆粒較均，級配不好，風(fēng)積而成，分選性良好，含土量較小。本層厚度為1.50～3.80 m，層底埋深為6.80～8.00 m。地基土的承載力特征值fak=130 kPa。

③細(xì)砂(Ql4):黃褐色，中密，稍濕 ～飽和。主要礦物成分為石英、長石，暗色礦物和云母次之。顆粒較均，級配不好，局部夾粉砂薄層，湖相沉積，分選性良好，含土量較小。本層厚度為2.30～5.10 m，層底埋深為9.20～10.90 m。地基土的承載力特征值 fak=190 kPa。

④細(xì)砂(Ql3):黃褐色，密實，飽和。主要礦物成分以石英、長石為主，雜色礦物次之，云母少許。砂質(zhì)較純，顆粒較均，級配較差，本次勘察該層未穿透，可見厚度為0.90～2.70 m，該層在場地下部普遍存在。地基土的承載力特征值fak=200 kPa。

根據(jù)工程地質(zhì)資料，擬建公寓樓的基礎(chǔ)座落在①層細(xì)砂的中下部，而①層細(xì)砂承載力低，不能滿足上部荷載要求，建議對該樓進(jìn)行地基處理。處理方法可采用振沖擠密法(無填料)、水泥土攪拌樁法或振沖碎石樁法?？紤]到節(jié)省工程造價，減少對周圍環(huán)境的振動影響，設(shè)計采用無填料振沖擠密法進(jìn)行地基處理。

2.2 地基處理設(shè)計

地基處理采用無填料振沖擠密法。其目的是利用振沖器的振動力和水沖，使原地基的松散砂層振擠密實，改善地基土的強(qiáng)度和均勻性，提高地基承載力和密實度。

按設(shè)計要求，基坑開挖至－2.0 m后，按等邊三角形滿堂布置樁位，樁長9.0 m，樁徑為 φ700 mm，樁距1 500 mm，排距1 300 mm。振沖擠密砂樁施工完畢后，去除800 mm厚的虛樁至－2.8 m，然后再鋪壓300 mm厚碎石墊層至 －2.5 m，碎石墊層超出最外排樁250 mm，碎石墊層的壓實系數(shù)≥0.97。振沖擠密砂樁處理范圍:樁位布置超出建筑物橫外墻外緣3.3 m，縱外墻外緣2.4 m，要求處理后的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk≥180 kPa。

2.3 成樁施工工藝

施工時清理平整場地，施工設(shè)備為ZCQ-40型振沖器，具體施工流程為:①先確定樁位，施工機(jī)具就位，用吊車把振沖器對準(zhǔn)樁位點，開機(jī)。②啟動水泵和振沖器，使振沖器在水平振動和重力作用下徐徐沉入砂層，水壓力 400～600 kPa，用水量 200 ～400 L/min，成孔速度宜控制為1～2 m/min，直至設(shè)計樁底，減少射水量至最小，留振時間不小于30 s。③待振沖密實電流至規(guī)定的控制值45～50 A后，將振沖器上提約0.3～0.5 m，重復(fù)以上步驟，自上而下，逐段施工至設(shè)計樁頂，完成制樁。④關(guān)機(jī)、位移，進(jìn)行下一樁點振沖。

施工現(xiàn)場全部振密加固完畢，整平場地，進(jìn)行表層處理，挖除800 mm厚的虛樁，并再鋪壓300 mm厚碎石墊層。

2.4 檢測原理、方法及檢測結(jié)果

2.4.1 靜荷載試驗

本次檢測中靜荷載試驗現(xiàn)場使用QYL-100 t千斤頂配反力平臺，承壓板直徑為1.575 m圓形鋼板，壓力表控制加載值。利用3個量程為0～30 mm對稱的百分表進(jìn)行沉降觀測。加載方法采用慢速維持荷載相對穩(wěn)定法進(jìn)行試驗。加荷等級分為8級，每級荷載加載值為45 kPa，終止試驗荷載360 kPa，每級卸載值為加載值的2倍，3#公寓樓靜載荷試驗結(jié)果見表1。

表1 3#職工公寓樓靜荷載試驗結(jié)果

從地基的靜荷載試驗結(jié)果可以看出，P—S曲線一直比較平順(圖1)，未出現(xiàn)明顯的陡降現(xiàn)象，未出現(xiàn)極限破壞，且沉降差異不大，靜載荷試驗P—S曲線形態(tài)基本相似。

2.4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測試驗

振沖擠密砂樁的密實度試驗采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是用質(zhì)量為63.5 kg重錘，以76 cm的落距，采用連續(xù)貫入法進(jìn)行觸探試驗，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的貫入器，貫入試驗土層，每貫入30 cm深度的錘擊數(shù)為一個數(shù)據(jù)，來判定樁身及樁間土的密實度。

圖1 P—S曲線

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計、計算，求得的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)N63.5統(tǒng)計值見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗值

統(tǒng)計結(jié)果顯示，樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)N63.5實測范圍值在10～29擊，平均值 N63.5=22.14擊，樁體土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù) N63.5實測范圍值在9～30擊，平均值N63.5=21.95擊，表明樁間土的擠密效果和樁體土的振沖密實均達(dá)到中密狀態(tài)。

2.4.3 檢測結(jié)果

3個點靜載試驗承載力基本值極差不超過平均值的30%，可取其平均值為振沖擠密砂樁人工地基承載力特征值，振沖擠密砂樁人工地基的承載力≥180 kPa，滿足設(shè)計要求的180 kPa。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)的平均值在20～25擊，表明樁間土和樁體土密實均達(dá)到中密狀態(tài)。

3 施工要點和注意事項

1)施工順序的確定，根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況采用“由里向外”或“由一邊向另一邊”的順序，如有鄰近既有建筑，則先從鄰近既有建筑處開始，逐步向外。

2)振沖擠密法在砂土地基處理時，原地基的松散砂中不能有泥土、石塊等雜質(zhì)，要確保純凈，其中黏粒含量不超過10%，均可取得顯著的擠密效果［4］。

3)水量和水壓的控制。在砂土地基中進(jìn)行無填料振沖擠密時，水壓力宜控制在400～600 kPa。用水量大小要保證砂土充分飽和，用水量宜控制在200～400 L/min。同時注意沉樁開始時水量應(yīng)大，制樁過程中水量應(yīng)減小，接近孔底時水壓不應(yīng)太大，以防止砂層產(chǎn)生流態(tài)區(qū)，影響振沖密實效果。

4)密實電流、留振時間及上提距離的控制。為保證振沖密實效果，在振沖電流達(dá)到設(shè)計要求的密實電流后還需要留振一段時間，孔內(nèi)自行塌陷砂填料愈密，振動消耗的電量愈大，常通過觀察電流的變化，控制振密的質(zhì)量。本工程經(jīng)驗，密實電流宜控制在45～50 A范圍內(nèi)，以1～2 m/min速度自上而下分段進(jìn)行振密，每段長度50 cm為宜，留振30～60 s，然后以0.5～1.0 m/min速度自下而上至地面振密，每段長度約50 cm為宜，留振 20 ～60 s［5］。

5)為保證樁體下部振沖密實效果，注意當(dāng)振沖至設(shè)計樁底高程以上30～50 cm時，需減少沖水量，并繼續(xù)振沖下沉至設(shè)計樁底高程以下500 cm處，留振30～60 s。

4 結(jié)論

根據(jù)以上無填料振沖擠密法地基處理的實踐情況，可以得出無填料振沖法對地面以下振沖范圍內(nèi)的砂土地基處理效果明顯，處理后地基均勻密實，砂土達(dá)到中密狀態(tài)，地基承載力滿足設(shè)計要求。通過該方法處理砂土地基，具有設(shè)備機(jī)具簡單，不受場地影響，工期短，取材方便，地基處理效果明顯等特點，同時建設(shè)成本較低，在榆林當(dāng)?shù)氐貐^(qū)施工定額振沖砂樁綜合單價為12.00元/延長米，是經(jīng)濟(jì)合理的施工方法，對工程造價控制，節(jié)約投資具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。無填料振沖擠密法在砂土地基處理中是一種可廣泛推廣應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)型地基處理方法。

［1］白濤，齊曉迪，袁樹基，等.砂土地基加固方法的工程應(yīng)用［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2008(2):116-119.

［2］劉海軍.深厚砂層地基振沖灌漿加固處理技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2010(5):90-92.

［3］李增華.振沖碎石樁加固鐵路路基的設(shè)計與應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2009(12):89-91.

［4］費洪源.淺論振沖法在砂層中的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2004(11):62-64.

［5］牟宏彬，章奕峰，楊小寶，等.振沖法在加固粉細(xì)砂地基中的應(yīng)用［J］.浙江建筑，2006(10):33-35.