振沖碎石樁在水利工程中的應(yīng)用實(shí)例

王新宇

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

晉城市南部公園湖區(qū)位于晉城市城區(qū)花園頭河上，湖區(qū)水面窄而長(zhǎng)，長(zhǎng)約930 m，寬36～170 m，蓄水面積8.32萬(wàn)m2，蓄水量33.3萬(wàn)m3。湖區(qū)場(chǎng)地原為溝谷地貌，北高南低，湖區(qū)東西兩側(cè)堤防地段較湖區(qū)中心高，整個(gè)湖區(qū)基本呈“U”字型。自然地面標(biāo)高介于717.30～743.24 m之間，相對(duì)高差25.94 m。在晉城市城東景觀水系工程建設(shè)中，根據(jù)“一河·三園”的設(shè)計(jì)理念，將南部公園湖區(qū)溝谷填平，填土厚度一般5～10 m，最深可達(dá)15 m。湖區(qū)中部布置5級(jí)跌水堰，每階高差1.0 m，將湖區(qū)分為上、下游兩片湖區(qū)。5級(jí)跌水堰工程位于高填方區(qū)，基礎(chǔ)以下填土厚度約4～10 m。

根據(jù)外業(yè)鉆探及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，跌水工程場(chǎng)地地基土主要由第四系全新統(tǒng)人工堆積層（QS），第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q），第四系上更新統(tǒng)馬蘭組（），第四系中更新統(tǒng)離石組（），石炭系上統(tǒng)太原組（）組成，由上至下為：

第①層：填筑土，主要巖性為粉質(zhì)黏土，夾有砂巖及灰?guī)r碎塊，表層含磚塊、混凝土塊等雜物，呈褐黃～淺紅色，可塑狀，填土經(jīng)人工夯填、壓實(shí)，壓縮模量5.03 MPa，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk＝100 kPa；

本工程場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，水工建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。5級(jí)跌水堰工程區(qū)地段原為槐樹(shù)林，由于地勢(shì)較低，地表水長(zhǎng)期浸沒(méi)該地段，地基土處于飽和狀態(tài)。且湖區(qū)底高程在回填至設(shè)計(jì)高程后，原地基土在高填方壓力作用下產(chǎn)生不均勻壓縮變形，同時(shí)產(chǎn)生超靜水壓力，影響地基的沉降變形和建筑物的穩(wěn)定性。

根據(jù)地質(zhì)資料和基礎(chǔ)應(yīng)力進(jìn)行分析，填土地基承載力低，不能滿足第1級(jí)跌水堰、第5級(jí)跌水堰基礎(chǔ)的承載力要求及地基沉降要求，需要對(duì)該處的填土進(jìn)行地基處理，處理后的地基承載力應(yīng)不小于120 kPa。

按照“安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、簡(jiǎn)便”的原則，經(jīng)過(guò)對(duì)混凝土灌注樁、高壓定噴墻和振沖碎石樁地基處理三種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，由于混凝土灌注樁、高壓定噴墻的工程造價(jià)很高且施工工期長(zhǎng)，不宜被采用，而確定采用振沖碎石樁處理地基，該方法具有施工設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉和施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，是符合工程實(shí)際的［1］。

2 振沖碎石樁設(shè)計(jì)

2.1 振沖碎石樁處理原理

振沖碎石樁是一種有效的地基土體加固措施，通過(guò)振沖器水平振動(dòng)和高壓水流的聯(lián)合作用，在地基土中成孔，然后向孔中分段填入適量碎石，每段填料均在振動(dòng)作用下被振擠密實(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)所需要求的密實(shí)度后提升振沖器，如此重復(fù)填料和振密，在土體中自下而上形成碎石樁體，和原地基土構(gòu)成復(fù)合地基共同作用，從而起到提高地基承載力，防止土體液化，減少沉降和不均勻沉降的作用[1]。

2.2 布樁形式及樁徑

布樁形式：采用等邊三角形滿堂布置。

樁徑：根據(jù)地基土質(zhì)情況、成樁設(shè)備和施工經(jīng)驗(yàn)，樁徑采用400 mm。

2.3 樁間距及面積置換率

樁間距根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載大小和場(chǎng)地土層情況進(jìn)行初擬，擬定樁間距為1.2 m。由擬定的樁距及樁徑用以下公式計(jì)算置換率：

式中：m——面積置換率；

d——樁身平均直徑，取0.4 m；

de——單樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，等邊三角形布樁，de＝1.05；

s——樁間距，取1.2 m。

2.4 復(fù)合地基承載力計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79－2012）中式（7.1.5－1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：fspk——復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，取其天然地基承載力特征值，取100 kPa；

n——復(fù)合地基樁土應(yīng)力比，無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，對(duì)于黏性土可取2～4，本工程取樁n＝3.5。

m——面積置換率。

根據(jù)計(jì)算，振沖碎石樁復(fù)合地基承載力大于跌水堰基礎(chǔ)的最大壓應(yīng)力120 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 地基沉降計(jì)算

碎石樁復(fù)合地基最終沉降量根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5007－2011）中式（5.3.5）進(jìn)行計(jì)算。

式中：s——地基最終變形量，mm；

s′——按分層總和法計(jì)算出的地基變形量，mm；

ψs——沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)確定，無(wú)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)可根據(jù)變形計(jì)算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值（）與基底附加壓力按表1取值；

n——地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

p0——相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時(shí)基礎(chǔ)底面處的附加壓力，kPa；

zi、zi-1——基礎(chǔ)底面至第i層土、第i－1層土底面的距離，m；

Esi——基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，MPa。

可按下式計(jì)算：

式中：Es——復(fù)合土層內(nèi)樁間土的壓縮模量，MPa；

m——面積置換率；

n——復(fù)合地基樁土應(yīng)力比。

表1 沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs

式中：Ai——第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值。

2.6 振沖范圍及設(shè)計(jì)深度

處理范圍：根據(jù)（JGJ 79—2012）規(guī)范規(guī)定，地基處理范圍為基礎(chǔ)范圍外緣擴(kuò)大3排樁。

圖1 第1級(jí)跌水堰復(fù)合地基處理剖面圖

設(shè)計(jì)深度：根據(jù)地質(zhì)資料分析確定為10 m。

2.7 碎石樁頂碎石墊層設(shè)計(jì)

樁頂碎石墊層作用一方面是用來(lái)調(diào)整樁和樁間土的應(yīng)力和變形協(xié)調(diào)，發(fā)揮樁間土的承載力；另一方面可與樁體構(gòu)成樁間土的排水通道，加速樁間土的固結(jié)，提高樁間土后期強(qiáng)度。本工程碎石樁頂和跌水堰基礎(chǔ)之間鋪設(shè)厚度為500 mm的密實(shí)碎石墊層。

2.8 碎石樁復(fù)合地基處理設(shè)計(jì)圖

碎石樁復(fù)合地基處理設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

圖2 第5級(jí)跌水堰復(fù)合地基處理剖面圖

圖3 碎石樁平面布置

3 復(fù)合地基承載力試驗(yàn)

振沖碎石樁地基處理施工完成后，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行了檢測(cè)。選取三個(gè)有代表性的樁位，進(jìn)行了復(fù)合地基平板靜力載荷試驗(yàn)。最大加載壓力為設(shè)計(jì)要求承載力特征值的2倍，試驗(yàn)按（JGJ 79－2012）規(guī)范附錄A規(guī)定進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)匯總表

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出荷載－沉降（Q－s）曲線（圖4）、沉降－時(shí)間（s－lgt）曲線（圖5）。

試樁的Q－s曲線平緩光滑，s－lgt曲線排列平行規(guī)則。根據(jù)（JGJ 79－2012）規(guī)范附錄B第B.0.10條第1款、第2款規(guī)定，復(fù)合地基承載力特征值可取最大加載壓力值的一半。

由試驗(yàn)結(jié)果可看出：經(jīng)處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk=122 kPa＞120 kPa，滿足地基承載力設(shè)計(jì)要求。

由表2可知，地基沉降量采用規(guī)范推薦方法計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值，原因是采用規(guī)范推薦方法計(jì)算得到的是最終沉降值，而實(shí)測(cè)值僅為施工完成后一段時(shí)間內(nèi)的沉降量。

4 結(jié)語(yǔ)

振沖碎石樁是一種處理填土地基、砂土液化地基的有效方法，其施工設(shè)備簡(jiǎn)單、工程造價(jià)低、施工工期短、具有良好的透水性等優(yōu)點(diǎn)[2]。振沖碎石樁處理后的復(fù)合地基，既可有效消除砂土液化，又可滿足承載力設(shè)計(jì)及地基變形要求，在水利工程地基處理中可進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖4 Q－s曲線

圖5 s－lgt曲線

[1]吳葦琳，振沖碎石樁處理砂土液化地基的工程應(yīng)用研究［J］.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，6（3）：51－54.

[2]周 欽，振沖碎石樁應(yīng)用實(shí)例分析［J］.四川建材，2013（3）：83－84.