振沖碎石樁在厚層飽和砂土液化地基中的應(yīng)用

李繼超，桑有明（中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都610023）

振沖碎石樁在厚層飽和砂土液化地基中的應(yīng)用

李繼超*，桑有明
（中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都610023）

針對某場站工程中厚層飽和砂土液化地基，采用大功率的振沖機(jī)械設(shè)備輔以相應(yīng)的工程措施進(jìn)行復(fù)合地基處理。施工結(jié)束后，采用載荷試驗(yàn)、超重型動力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、沉降觀測等方法，對樁體及復(fù)合地基的承載性能、液化處理效果、沉降等進(jìn)行分析和評價。試驗(yàn)結(jié)果表明，振沖碎石樁對厚層飽和砂土液化處理效果較好，承載力和沉降均滿足工程要求。同時也為類似工程中的施工參數(shù)選取、檢測方法設(shè)計(jì)、施工注意事項(xiàng)等提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

飽和砂土；液化；振沖碎石樁；復(fù)合地基

振沖碎石樁通過對軟弱地基進(jìn)行置換及擠密，可提高地基變形模量和承載力，改善地基不均一性，減少不均勻沉降，同時軟弱地層經(jīng)過預(yù)震后抗震效果增強(qiáng)，碎石樁體形成排水通道加速了孔隙水壓力的消散，從而可有效防止地基液化[1]。該法因設(shè)備簡單、施工方便、經(jīng)濟(jì)快捷等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但一般地基處理深度不大。目前，大深度振沖碎石樁法在水電水利、電力系統(tǒng)已進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。李進(jìn)元[2]采用ZCQ-132A振沖器，最大成樁長31m，通過試驗(yàn)資料分析探討了振沖碎石樁的處理效果，成功解決了某水電站軟弱地基的承載力、液化和穩(wěn)定性問題；楊生彬等[3]采用75kW振沖器，成樁長23m，通過大量的試驗(yàn)檢測圓滿處理了某電廠厚20m的飽和砂土液化問題。本文主要針對某場站工程中厚層飽和砂土液化地基，采用大功率的振沖機(jī)械設(shè)備輔以相應(yīng)的工程措施，通過對施工后檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)和沉降觀測數(shù)據(jù)的科學(xué)分析，綜合評價復(fù)合地基承載性能、液化處理效果和沉降，并對施工過程中遇到的相關(guān)問題進(jìn)行總結(jié)。

該工程位于云南省瑞麗市一級河流階地上，地形平坦開闊，總占地面積約14×104m2。根據(jù)巖土工程勘察成果，場區(qū)地基土主要為第四系沖洪積成因的粘性土和砂類土，層位分布復(fù)雜，層厚及深度變化較大，巖性主要由淺灰色粉砂、褐黃—青灰色粘土、青灰色中粗砂組成，礫砂、圓礫和卵石以透鏡體形式分布于中粗砂層中。主要土層分布及其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

該場區(qū)地下水類型為潛水，穩(wěn)定的地下水位埋深為0.5～1.4m，地下水位年變幅為0.5～1.0m。由于地下水埋藏較淺，使得中粗砂、粉砂和礫砂層處于飽和狀態(tài)，根據(jù)巖土工程勘察成果，場地地表下20.0m深度內(nèi)的飽和砂土液化指數(shù)IlE范圍為6.09～52.59，其中IlE＞18的單孔占整個判別標(biāo)貫孔的96.8%，屬于嚴(yán)重液化地基，不能作為主要建(構(gòu))筑物天然地基，需采用人工地基，消除飽和砂土層的液化性。

2 處理方法

目前，用于消除地基液化沉陷的措施主要有樁基、深基礎(chǔ)、加密法（振沖、振動加密、擠密碎石樁、強(qiáng)夯等）、換填法等[4]。結(jié)合場地地層情況，本工程采用振沖碎石樁對20m深度范圍內(nèi)的飽和砂土液化地基進(jìn)行處理。施工主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 施工主要技術(shù)參數(shù)

樁體施工工藝流程[5]：場地清平，振沖設(shè)備裝配→布設(shè)樁位→振沖器、吊車及輔助設(shè)備就位→打開水壓氣壓閥門、開啟振沖器→振沖成孔至設(shè)計(jì)深度，清孔→往孔中填料→噴水振動至密實(shí)電流，待留振時間達(dá)到10～15s后，提升振沖器至一定高度→再往孔中填料→再進(jìn)行下一級振沖，直至形成振沖樁樁體。

施工結(jié)束后，按照規(guī)范[6-7]和設(shè)計(jì)要求對樁間土及樁體的承載性能進(jìn)行檢測，同時判定飽和砂土液化地基處理效果。試驗(yàn)方法主要采用原位測試手段，包括載荷試驗(yàn)檢測單樁及復(fù)合地基的承載性能，超重型動力觸探試驗(yàn)檢測樁體密實(shí)度，以及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測樁間土擠密效果并進(jìn)行飽和砂土液化判別等。

3 處理效果分析

圖1 單樁荷載試驗(yàn)Q-S曲線

圖2 復(fù)合地基荷載試驗(yàn)Q-S曲線

從曲線形態(tài)方面分析，圖1、圖2中Q-S曲線平緩，無明顯陡降段，加載至預(yù)加荷載值時，單樁累計(jì)沉降量為21.44mm，卸載回彈量為4.8mm；復(fù)合地基累計(jì)沉降量為24.05mm，卸載回彈量為3.7mm，累計(jì)沉降量均小于40mm，單樁和復(fù)合地基的受力情況基本一致，且均未達(dá)到極限狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，計(jì)算得單樁承載力特征值不小于450kPa，復(fù)合地基承載力特征值不小于250kPa，均滿足設(shè)計(jì)要求，在表2的

3.1 載荷試驗(yàn)成果分析

待地基中超靜孔隙水壓力消散后，按規(guī)范和設(shè)計(jì)要求選取總樁數(shù)的0.5%進(jìn)行單樁和復(fù)合地基豎向抗壓載荷試驗(yàn)。該工程設(shè)計(jì)要求，單樁承載力特征值不小于450kPa，復(fù)合地基承載力特征值不小于250kPa，置換率為0.28，單樁載荷試驗(yàn)承壓板面積為0.785m2，復(fù)合地基載荷試驗(yàn)承壓板面積為2.8m2。圖1、圖2分別給出了場地具有代表性的單樁、復(fù)合地基荷載試驗(yàn)Q-S曲線圖。技術(shù)參數(shù)指導(dǎo)下，單樁和復(fù)合地基的受力性能較好。

3.2 樁體超重型動力觸探試驗(yàn)成果分析

為檢測樁體的密實(shí)程度，在施工現(xiàn)場按規(guī)范和設(shè)計(jì)要求選取總樁數(shù)的2%進(jìn)行超重型動力觸探試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)位于樁體中心部位。圖3所示為按規(guī)范[8]要求劃分密實(shí)程度后，場地具有代表性的修正后錘擊數(shù)N120與貫入深度h的關(guān)系曲線。

由圖3可知，樁身總體質(zhì)量較好，樁體密實(shí)程度從上至下逐漸變好，0～1.0m處密實(shí)程度較差，呈稍密狀態(tài)，1.0～4.0m處呈中密狀態(tài)，樁體中、下部呈密實(shí)或很密狀。究其原因，樁體上部側(cè)向約束小，振沖器激振力損耗大，經(jīng)振沖施工擾動后，強(qiáng)度恢復(fù)慢。另外，施工過程中振沖器的單次提升高度、填料方式、密實(shí)電流和留振時間的控制對樁體和復(fù)合地基施工質(zhì)量影響較大。

3.3 液化治理效果評價

圖3 樁體超重型動力觸探試驗(yàn)N120-h曲線

為評價施工后場地液化效果，在施工現(xiàn)場按規(guī)范和設(shè)計(jì)要求選取總樁數(shù)的2%進(jìn)行樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)位于等邊三角形中心。表3所示為場地具有代表性點(diǎn)位地基處理后飽和砂土液化評價表。

表3 地基處理后飽和砂土液化評價表

表3評價結(jié)果表明，經(jīng)地基處理后，各地層液化指數(shù)IlE均為0，液化評價結(jié)果為不液化，飽和砂土液化現(xiàn)象均已成功消除。對比處理前后標(biāo)貫擊數(shù)，地基處理后標(biāo)貫擊數(shù)較地基處理前標(biāo)貫擊數(shù)有明顯提高，在0～14m范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)提高了7～21擊；在14～20m范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)提高了0～4擊，地基處理后標(biāo)貫擊數(shù)均大于臨界標(biāo)貫擊數(shù)。究其原因，影響場地液化治理效果的因素主要包括3個方面：（1）布樁方式和樁位間距，采用等邊三角形布樁比正方形（或矩形）布樁效果要好，樁位間距取小值比取大值效果要好；（2）施工過程中振沖器單次提升高度過大易形成樁體夾層，夾層周圍地層受振效果較差，密實(shí)電流較低、留振時間較短，振沖器振動輻射范圍變小，周圍地層受振效果較差；（3）地層側(cè)向約束作用小，振沖施工對地基擠密效果和置換作用明顯。

3.4 沉降觀測成果分析

構(gòu)筑物施工完成后，模擬構(gòu)筑物的后期荷載分階段加壓，進(jìn)行沉降觀測。圖4所示為部分具有代表性觀測點(diǎn)的沉降觀測曲線。

由圖4可知，加荷前觀測點(diǎn)的沉降值為1～3mm，加荷后觀測點(diǎn)沉降逐漸增大，加荷至最大荷載并穩(wěn)壓2天后觀測點(diǎn)沉降最大，最大值為25～31mm，卸荷后曲線回彈，回彈值為13～20mm，且觀測點(diǎn)間的差異沉降為0～6mm。觀測數(shù)據(jù)表明，加荷后復(fù)合地基沉降均勻，基礎(chǔ)沉降和差異沉降小，均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

圖4 沉降觀測曲線

4 施工注意事項(xiàng)

除按表2所示技術(shù)參數(shù)控制質(zhì)量外，施工過程中還應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：（1）成孔前振沖器應(yīng)對準(zhǔn)點(diǎn)位，成孔時應(yīng)保持振沖器直立，嚴(yán)禁傾斜、串孔；（2）深孔振沖樁在復(fù)雜地層中成孔時，如成孔時間過長或出現(xiàn)“抱孔”時，應(yīng)及時拔出振沖器或引孔拔出振沖器，在不影響相鄰樁位成孔前提下，偏移適當(dāng)距離繼續(xù)成孔或換用更高型號振沖器成孔[9]；（3）在成孔及振沖密實(shí)過程中少部分沉積在孔口的泥漿和懸浮砂粒，不僅抬升了孔口高度，而且在樁頂形成軟弱層。該軟弱層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)差異很大，不能直接作為建（構(gòu)）筑物地基基礎(chǔ)使用，應(yīng)進(jìn)行開挖或置換處理；（4）泥漿池容量和使用功能應(yīng)滿足施工要求，泥漿池周邊應(yīng)設(shè)置安全警示標(biāo)記，沉淀后的清水可循環(huán)利用，定期對池中沉淀物進(jìn)行清理、轉(zhuǎn)運(yùn)，嚴(yán)禁污染環(huán)境。

5 結(jié)語

本文通過振沖碎石法在該工程中的成功應(yīng)用，可以得到以下結(jié)論：

（1）采用大功率的振沖機(jī)械設(shè)備輔以相應(yīng)的工程措施對復(fù)雜地質(zhì)條件下厚層飽和砂土液化地基進(jìn)行地基處理是可行的。

（2）振沖碎石樁對砂土層等軟弱地基擠密效果與置換作用明顯，可有效解決軟弱地基砂土液化問題、承載力問題。該工程處理后復(fù)合地基液化消除，承載力和沉降均滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）結(jié)合工程特點(diǎn)，采用合適的工程技術(shù)參數(shù)，施工中嚴(yán)格控制振沖器的單次提升高度、密實(shí)電流、留振時間等參數(shù)，確保施工質(zhì)量。

（4）樁頂表面軟弱層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)差異很大，不能直接作為建（構(gòu)）筑物地基基礎(chǔ)使用，應(yīng)進(jìn)行開挖或置換處理。

[1]徐至鈞，葉觀寶，高彥斌.振沖法和砂石樁法加固地基[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：1-2.

[2]李進(jìn)元.振沖碎石樁法地基處理在陰坪水電站中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013,32（S1）:2968-2976.

[3]楊生彬，劉志偉，李燦.大厚度飽和砂土液化治理試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2009,30（S2）:430-433.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5]張蓓，楊曉杰，劉洋，等.大直徑碎石樁軟土成樁工藝研究[J].施工技術(shù)，2012,41(373):109-112.

[6]浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司.GB/T 50783-2012復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2012.

[7]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 79-2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[8]建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計(jì)院.GB50021-2001（2009年版）巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[9]李繼超，桑有明.大厚度飽和砂土液化地區(qū)振沖樁施工工藝試驗(yàn)研究[J].巖土工程技術(shù)，2013,27（5）：259-262.

Application of Vibro Replacement Stone Column in Liquefaction Foundation of Thick-layer Saturated Sand

LI Ji-chao,SANG You-ming
(Chengdu Surveying Geotechnical Research Institute Co.,Ltd.of Metallurgy Construction in China,Chengdu Sichuan 610023, China)

Aimed at the liquefaction foundation of thick-layer saturated sand in a certain station project,the method of powerful vibro engineering machinery and equipment combined with appropriate measures is used in composite foundation treatment.After construction,a lot of in-situ tests including plate loading test,ultra-heavy dynamic penetration test,standard penetration test,settlement observation,etc.,are used to analyze and evaluate the bearing capacity of piles and composite foundation,the controlling effects of liquefaction,subsidence.Test results indicate that vibro replacement stone column is very well in treatment of liquefaction of thick-layer saturated sand,bearing capacity and settlement are to meet project requirements.At the same time,it provides valuable experience for the similar engineering in construction parameter section,detection method designed,construction considerations etc.

saturated sand；liquefaction；vibro replacement stone column；composite foundation

TV553

B

1004-5716(2015)08-0001-04

2014-08-08

2014-08-12

李繼超（1982-），男（漢族），湖北仙桃人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程方向研究工作。