馬永峰,周丁恒,張志豪,曹力橋
(1. 中國(guó)石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院 巖土工程處,山東 青島 266071;2. 慕尼黑工業(yè)大學(xué) 土木工程與測(cè)量學(xué)院,德國(guó) 慕尼黑 81245;3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)
隨著我國(guó)能源需求的進(jìn)一步加大,越來(lái)越多的沿海地區(qū)及城市興建了石化工程,建造規(guī)模也越來(lái)越大,隨之產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題,如何對(duì)軟土軟弱地基進(jìn)行處理,從而達(dá)到控制地基變形及油罐沉降的目的,成為了石化工程地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的重要研究?jī)?nèi)容。振沖碎石樁作為軟弱地基處理的一個(gè)重要方法,不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究,黃寶龍等[1]對(duì)可液化砂土運(yùn)用振沖碎石樁處理后的抗液化性和提高承載力的效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)。余震等[2]以攔河大壩地基處理為依托,對(duì)碎石樁加固處理后復(fù)合地基的處理效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析。傅少君等[3]利用彈性力學(xué)和Biot固結(jié)理論建立了可以考慮固結(jié)問(wèn)題的振沖碎石樁復(fù)合的平面有限元分析彈性復(fù)合模型,并編制相應(yīng)的有限元分析程序 APOSE。李友東[4]介紹了變樁長(zhǎng)間隔布置振沖碎石樁方法處理液化地層。楊生彬等[5]采用大直徑振沖碎石樁復(fù)合地基的處理方法,開(kāi)展了大厚度飽和砂土液化地基治理的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。袁玉卿等[6]完成振沖碎石樁處治粉砂性濕軟地基的數(shù)值模擬。李進(jìn)元[7]闡述了大面積、大深度振沖碎石樁解決水電站地基砂土液化問(wèn)題、承載力問(wèn)題及抗剪強(qiáng)度問(wèn)題,并對(duì)復(fù)合地基參數(shù)取值及如何解決施工中遇到的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。周元強(qiáng)等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)振沖置換法后飽和粉土孔隙比與液化指數(shù)存在一定的關(guān)系,并理論推導(dǎo)出一套簡(jiǎn)便有效的計(jì)算公式。韓冉冉等[9]進(jìn)行了水下超軟土地基振沖碎石樁相關(guān)試驗(yàn)。
本文以中國(guó)-委內(nèi)瑞拉2 000萬(wàn)噸/年重油加工工程為背景,開(kāi)展了振沖碎石樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,并基于樁間土、樁體及復(fù)合地基的承載性能、變形參數(shù)及液化處理效果,對(duì)處理效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析。
中委廣東石化2 000萬(wàn)噸/年重油加工工程(一期工程設(shè)計(jì)年加工原油能力2 000萬(wàn)噸及相關(guān)配套的石化裝置)是中石油和委內(nèi)瑞拉合資建設(shè)的國(guó)內(nèi)最大一次性投產(chǎn)的石化工程,占地面積約 6 km2。建設(shè)周期4年以上,投資額為500億人民幣左右,基礎(chǔ)及地基處理費(fèi)用近 20億人民幣,工期超過(guò) 1年。
場(chǎng)區(qū)地貌單元榕江三角洲平原,地形較平坦開(kāi)闊。根據(jù)巖土工程勘察成果,場(chǎng)區(qū)地基土主要為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)的風(fēng)-水堆積層、沼澤相沉積層、海陸相交互沉積層、第四系上更新統(tǒng)的海陸相交互沉積層、沖、洪積層、殘積層以及燕山期花崗巖組成。揭露巖層分別為全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層,局部為微風(fēng)化層,巖土層分布及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表 1。工程場(chǎng)地上部廣泛分布有10.0~20.0 m厚的第四系風(fēng)-水堆積粉細(xì)砂層及0.5~21.0 m厚的淤泥質(zhì)黏性土,其中②1層細(xì)砂層級(jí)配不良,以松散狀態(tài)為主,局部稍密,屬于中等液化土層;②2層粉細(xì)砂層級(jí)配不良,稍密-中密,飽和,屬于輕微-中等液化土層,局部嚴(yán)重液化;淤泥質(zhì)黏性土呈軟塑-可塑狀態(tài),具有抗剪強(qiáng)度低、孔隙比及有機(jī)質(zhì)含量大、壓縮性高、靈敏度高及流變性強(qiáng)等不良工程特性。上述軟弱土層處理對(duì)工程正常與安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生顯著影響,處理方案的選取和優(yōu)化亦影響項(xiàng)目的投資和工程進(jìn)度,因此場(chǎng)地軟弱土層的加固處理已成為工程建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題。
表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of rock and soil
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)和評(píng)價(jià)對(duì)砂層液化可能性的消除效果,確定處理后的復(fù)合地基承載力特征值。試驗(yàn)性質(zhì)為破壞性試驗(yàn),確定單樁承載力特征值,確定成樁工藝和成樁機(jī)械的可行性以及施工參數(shù),確定復(fù)合地基處理前后地基承載力變化情況。
表2 振沖碎石樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Field test parameters of vibro-replacement stone pile
根據(jù)建筑物荷載、處理液化深度及地基土承載性能等要求,進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì),設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)區(qū),試驗(yàn)面積均為240 m2,采用功率75 kW的振沖器成樁,樁體材料用含泥量不大于5%的新鮮碎石,填料粒徑為20~50 mm。振沖碎石樁試驗(yàn)樁位布置和檢測(cè)方案如圖1、2所示,具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2(樁徑均為1 000 mm)。
圖1 振沖碎石樁試驗(yàn)樁位和檢測(cè)布置(單位:m)Fig.1 Layout of test pile and monitoring of vibro-replacement stone piles(unit: m)
圖2 振沖碎石樁施工流程Fig.2 Construction process of vibro-replacement stone pile
試樁施工結(jié)束14 d后,按照建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[10]和設(shè)計(jì)要求對(duì)樁間土及樁體的承載性能進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)判定飽和砂土液化地基處理效果。振沖碎石樁則主要采用載荷試驗(yàn)檢測(cè)樁間土、單樁及復(fù)合地基的承載性能,靜力觸探試驗(yàn)檢測(cè)樁體密實(shí)度并進(jìn)行飽和砂土液化判別,此外,利用標(biāo)準(zhǔn)貫入和重型動(dòng)力觸探試驗(yàn),分析了振沖碎石樁施工前后地基承載力和土體工程特性變化情況。
本次試驗(yàn)振沖碎石樁施工流程如圖2所示,具體過(guò)程為:① 振沖器就位振沖器尖端對(duì)準(zhǔn)樁位點(diǎn),調(diào)直振沖桿,確保樁身豎直。② 造孔開(kāi)啟高壓清水泵,注入高壓水,開(kāi)啟振沖器。待振沖器內(nèi)的偏心塊達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),下沉振沖器進(jìn)行造孔。造孔過(guò)程中保持吊車(chē)卷?yè)P(yáng)繩下放速度不大于 2 m/min,造孔完成后,進(jìn)行1~2次清孔排漿。③ 投料采用分段加密的制樁方法,將振沖器提離孔底40~50 cm,由裝載機(jī)向孔內(nèi)填入碎石,待碎石達(dá)到孔底,再緩慢插入振沖器,振密孔底樁體。
施工過(guò)程中,對(duì)每根樁的造孔電流、造孔水壓、密實(shí)電流、填料量及留振時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程記錄,施工參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 振沖碎石樁施工參數(shù)Table 3 Construction parameters of vibroreplacement stone piles
本文主要以振沖3區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為主,輔助以振沖1區(qū)、2區(qū)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)振沖碎石樁施工前后樁間土、樁體及復(fù)合地基的承載性能、變形參數(shù)及液化處理效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析。
振沖 3區(qū)施工前后靜力觸探試驗(yàn)試驗(yàn)曲線如圖3所示。
圖3 振沖碎石樁施工前后靜力觸探試驗(yàn)曲線Fig.3 Curves of static cone penetration test by vibroreplacement stone pile before and after construction
表4 靜力觸探試驗(yàn)中振沖碎石樁處理前后參數(shù)變化Table 4 Parameters changes of vibro-replacement stone pile treatment in static cone penetration test
施工前后土層的相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表 4。除局部深度(10.8~11.2 m)靜力觸探錐尖阻力振沖后有一定幅度的降低外,地基處理后靜力觸探錐尖阻力均有較為明顯的增加,從表中可以看出,經(jīng)過(guò)振沖碎石樁處理后,樁間土的各項(xiàng)指標(biāo)都得到了大幅度提高,工程特性在處理后得到了明顯改善,即有效提高了場(chǎng)地地基承載力和消除場(chǎng)地砂層液化可能性。
振沖3區(qū)旁壓試驗(yàn)中水位下降情況如圖4所示,振沖碎石樁施工引起的巖土層參數(shù)變化反映于圖 5中。
圖4 振沖3區(qū)施工前后旁壓試驗(yàn)曲線Fig.4 Curves of pressuremeter test before and after construction in vibro-replacement 3 zone
經(jīng)振沖碎石樁處理后,振沖碎石樁施工對(duì)樁長(zhǎng)范圍的樁間砂土具有明顯的擠密效應(yīng),工程特性在處理后有了明顯改善,基本都達(dá)到了中密~密實(shí)狀態(tài),變形模量達(dá)到25.0 MPa以上,地基處理后最大變形模量為47.9 MPa。地基承載力比振沖碎石樁加固前有明顯提高,基本可以消除樁長(zhǎng)范圍內(nèi)砂土的液化可能性。對(duì)于振沖碎石樁范圍內(nèi)的黏性土,振沖碎石樁施工對(duì)其幾乎沒(méi)有擠密效應(yīng),加固影響程度有限,局部深度范圍內(nèi)(12 m以下)旁壓模量和變形模量甚至出現(xiàn)降低情況,地基承載力在 12 m深度以下亦減小。
圖5 旁壓試驗(yàn)中振沖碎石樁施工前后參數(shù)變化Fig.5 Parameter changes by vibro-replacement stone pile before and after construction in pressuremeter test
每個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了3個(gè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),典型振沖碎石樁施工前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)曲線如圖 6(振沖3區(qū)2#點(diǎn))所示。從圖中可以看出,土層標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)較處理前增大,其中擊數(shù)最大變化點(diǎn)約6m深度(粉細(xì)砂層深度范圍內(nèi)),振沖3區(qū)1#點(diǎn)、3#點(diǎn)亦擊數(shù)最大變化點(diǎn)也為 6m深度。比較振沖 1區(qū)、2區(qū)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)變化情況,最大變化點(diǎn)分別約為17 m和11 m,均在粉細(xì)砂層深度范圍內(nèi)。
圖6 振沖3區(qū)2#點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)曲線Fig.6 Curves of standard penetration test in #2 point of vibro-replacement 3 zone
振沖3區(qū)1#~3#點(diǎn)處理前液化指數(shù)為2.0、4.6和0,經(jīng)振沖碎石樁處理后3個(gè)測(cè)點(diǎn)的液化指數(shù)均為 0,表示該區(qū)樁長(zhǎng)范圍的液化可能性已消除。振沖1、2區(qū)經(jīng)處理后液化可能性均被消除,結(jié)果表明振沖3區(qū)內(nèi)振沖碎石樁對(duì)砂層液化處理效果良好。
振沖碎石樁處理前后承載力和模量變化情況見(jiàn)表5。除粉質(zhì)黏土層各項(xiàng)指標(biāo)有一定程度的減小外,其他土層承載力和模量均得到提高,土體的工程特性的了明顯改善,可以有效提高場(chǎng)地地基承載力和消除場(chǎng)地砂層液化可能性。這個(gè)結(jié)果在其他8孔的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果均得到了驗(yàn)證。
每個(gè)振沖區(qū)進(jìn)行了 3個(gè)孔的重型動(dòng)力觸探檢測(cè),典型振沖碎石樁施工前后重型動(dòng)力觸探曲線如圖7(振沖3區(qū)1#孔)所示。從圖中可以看出,施工前后動(dòng)力觸探結(jié)果變化較小,這個(gè)結(jié)果在其他 8個(gè)孔的動(dòng)力觸探檢測(cè)中亦得到了驗(yàn)證。
表5 振沖3區(qū)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)處理前后承載力和模量變化Table 5 Changes of bearing capacity and modulus by standard penetration test before and after processing in vibro-replacement 3 zone
圖7 振沖3區(qū)1#孔重型動(dòng)力觸探曲線Fig.7 Curves of heavy dynamic penetration test in #1 port of vibro-replacement 3 zone
振沖3區(qū)1#孔施工前后觸探擊數(shù)和地基承載力變化情況如圖8所示。除10~12 m(粉質(zhì)黏土層)范圍內(nèi)動(dòng)力觸探擊數(shù)有小范圍內(nèi)變化外,其他土層深度范圍內(nèi),觸探擊數(shù)基本未產(chǎn)生明顯變化,全深度下地基承載力亦未明顯變化。結(jié)合3個(gè)振沖試驗(yàn)區(qū)地層情況(粉細(xì)砂等砂層分布廣泛)及其他8個(gè)孔的觸探擊數(shù)、地基承載變化情況,可以確定重型動(dòng)力觸探不適合粉細(xì)砂地層。
振沖碎石樁施工結(jié)束一定時(shí)間后在每個(gè)振沖區(qū)均進(jìn)行了3個(gè)點(diǎn)單樁靜載荷試驗(yàn),各測(cè)點(diǎn)單樁靜載荷試驗(yàn)曲線如圖9所示。荷載-沉降曲線存在明顯的陡降段,3個(gè)試驗(yàn)區(qū)不同測(cè)點(diǎn)單樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 6。從表中可以看出,振沖碎石樁單樁極限承載力達(dá)到1 100 kN以上,單樁承載力特征值大于600 kN,3個(gè)試驗(yàn)區(qū)單樁承載力特征值的統(tǒng)計(jì)值分別為675、775、670 kN。
圖8 振沖3區(qū)1#孔施工前后觸探擊數(shù)和地基承載力變化Fig.8 Changes of penetration hits and foundation bearing capacity before and after commencement in #1 port of vibro-replacement 3 zone
圖9 單樁靜載荷試驗(yàn)曲線Fig.9 Curves of static load test of single pile
表6 單樁載荷試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果Table 6 Statistical results of single pile load test
每個(gè)試驗(yàn)區(qū)均進(jìn)行了3個(gè)點(diǎn)復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn),載荷試驗(yàn)壓板面積為10.6 m2,方形板邊長(zhǎng)3.3 m,3個(gè)試驗(yàn)區(qū)各測(cè)點(diǎn)復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)曲線如圖10所示。與單樁靜載荷試驗(yàn)曲線類(lèi)似,荷載-沉降曲線存在明顯的陡降段。3個(gè)試驗(yàn)區(qū)復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表2可知,振沖碎石樁復(fù)合地基法加固后可以明顯提高場(chǎng)地的地基承載力,極限承載力可達(dá)到520 kPa以上,地基承載力特征值均超過(guò)280 kPa,3個(gè)試驗(yàn)區(qū)復(fù)合地基承載力特征值的統(tǒng)計(jì)值分別為310、285、295 kN。
圖10 復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)曲線Fig.10 Curves of composite foundation static load test
試驗(yàn)要求加固后振沖碎石樁的單樁承載力特征值不小于600 kN,復(fù)合地基的承載力特征值不小于200 kPa?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果中振沖碎石樁單樁承載力特征值除ZC3JZD2號(hào)單樁承載力特征值585 kN略小于標(biāo)準(zhǔn)外,其他單樁承載力特征值均滿(mǎn)足要求;由于振沖施工對(duì)樁間砂土擠密效應(yīng)比較明顯,樁間砂層對(duì)碎石樁的側(cè)向約束力很大,加固后復(fù)合地基的承載力特征值達(dá)到285 kPa以上,場(chǎng)地的地基承載力明顯提高和工后沉降減小,振沖碎石樁有效消除加固深度范圍內(nèi)砂層的液化勢(shì)。
表7 復(fù)合地基載荷試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 7 Statistical results of composite foundation load test
(1)經(jīng)振沖碎石樁加固處理后,振沖碎石樁施工對(duì)樁長(zhǎng)范圍的砂土具有明顯的擠密效應(yīng),工程特性在處理后有了明顯改善,樁間土地基承載力達(dá)到250 kPa以上,壓縮模量達(dá)到25 MPa以上,場(chǎng)地的均勻性也得到了明顯提高,有效地消除了振沖碎石樁樁長(zhǎng)范圍內(nèi)樁間砂層的液化可能性。
(2)振沖碎石樁對(duì)砂土層下臥黏性土層的加固作用不明顯,部分深度范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)土層強(qiáng)度降低的情況。
(3)當(dāng)場(chǎng)地內(nèi)地面以下10 m內(nèi)不存在厚度大于5 m的軟土夾層時(shí),較薄的軟土夾層不會(huì)對(duì)振沖碎石樁擠密加固其余深度的砂土產(chǎn)生明顯不利影響,對(duì)單樁和復(fù)合地基承載力影響很小,可以不考慮其對(duì)振沖碎石樁加固的影響。
(4)根據(jù)不同類(lèi)型建筑物對(duì)地基承載力和沉降的要求,通過(guò)合理設(shè)置振沖碎石樁樁間距及樁徑進(jìn)行調(diào)整。若用于消除液化勢(shì),則需根據(jù)液化土層的埋深確定振沖碎石樁加固深度。
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