沖擊引孔輔助振沖工藝處理復(fù)雜地層液化技術(shù)

□文/陳紅超

沖擊引孔輔助振沖工藝處理復(fù)雜地層液化技術(shù)

□文/陳紅超

為消除處于震區(qū)的某水電站下臥軟弱液化層的危害，工程需要穿透上部深厚漂卵石覆蓋層，對(duì)下部液化砂層進(jìn)行處置。采用沖擊引孔結(jié)合振沖工藝在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析與對(duì)比，驗(yàn)證了該工藝處理復(fù)雜液化地層的可行性。

振沖；液化；復(fù)雜地層；沖擊；引孔

振沖工藝對(duì)碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土及濕陷性土等地基加固處理、各類可液化土的加密和抗液化處理，已經(jīng)在多個(gè)國(guó)家多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。

楊玉光等[1]介紹了振沖碎石樁在大沙河倒虹吸工程中的應(yīng)用，采用ZCQ-75KW振沖器，連續(xù)填料、強(qiáng)迫制樁施工工藝，平均制樁深度為基礎(chǔ)墊層以下5 m，檢測(cè)結(jié)果滿足工程要求。陳東乾[2]介紹了平潭長(zhǎng)江澳風(fēng)電廠振沖地基處理方案，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)9 m，樁徑0.7 m，采用ZCQ-30KW振沖器成樁，消除了砂土液化。許詩(shī)貴[3]介紹了杞麓湖隧道進(jìn)口基礎(chǔ)處理方法，地基為第四系湖積層，系可塑及軟塑狀淤泥質(zhì)粘土，采用ZCQ-50KW振沖器，振沖深度5～12 m，通過(guò)檢測(cè)，振沖樁的密實(shí)度、承載力及沉降量均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。林代銳[4]結(jié)合工程實(shí)例介紹了振沖碎石樁在砂土地基處理中的應(yīng)用，主要采用ZCQ-30KW，在粘土和粉細(xì)砂地基中制樁長(zhǎng)度約6 m，檢測(cè)結(jié)果表明加固后地基抗液化性質(zhì)良好。上述工程主要在砂土、淤泥質(zhì)土等相對(duì)單一軟弱層中利用振沖工藝處置，工藝較為成熟，工程質(zhì)量可靠。對(duì)于孤漂卵石層下臥的液化砂層處置，單靠振沖工藝無(wú)法滿足要求。在陰坪水電站首部樞紐工程項(xiàng)目上對(duì)這種復(fù)雜地層液化處置進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 工程概況

陰坪水電站首部樞紐位于北部文縣弧形構(gòu)造帶、西部岷江—雪山—虎牙斷裂帶和東南部龍門(mén)山斷裂帶所圍限的楔形地塊的中南部，地震頻發(fā)。樞紐地層情況復(fù)雜，地基自上而下分8層，在地基⑦、⑥層中有大量孤漂石及漂木，振沖碎石樁底線應(yīng)穿過(guò)⑤層（液化砂層）底線至少1 m，振沖器無(wú)法直接貫入，利用擊成孔輔助振沖工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2 地質(zhì)勘察

2.1 原始覆蓋層物理力學(xué)性能

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，試驗(yàn)水電站閘壩區(qū)原始地層性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 閘壩區(qū)原始覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)

地層結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，存在軟弱下臥層，承載力、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度低且存在液化層。

2.2 地層分布

河谷呈不對(duì)稱“U”型，為較典型的橫向谷。河床覆蓋層主要由砂卵礫石、砂及壤土組成，自上而下分為8層。

1）⑧層。褐黃色粉砂質(zhì)壤土層，鉆孔揭示該層厚0～5.92 m。結(jié)構(gòu)疏松，為崩坡積、沖積混合成因。碎礫石主要為二云母石英片巖，土為淺黃色壤土，可見(jiàn)大量植物根系。

2）⑦層。含漂砂卵礫石層，厚2.83～8.25 m，該層結(jié)構(gòu)較松散，漂（塊）卵礫石粒徑20～30 cm，卵石粒徑5～8 cm、礫石粒徑0.5～1 cm，圓～次圓狀；砂為灰褐色中細(xì)砂。

3）⑥層。深灰色粉砂質(zhì)壤土層，厚0～8.78 m，最小埋深3.15 m。結(jié)構(gòu)較緊密，含水量較高，呈軟塑～流塑狀，含有機(jī)質(zhì)。

4）⑤層。砂層，厚2.37～20.16 m，最小埋深4.9 m，分布較連續(xù)，河床附近較厚，向岸坡方向變薄，上游較厚達(dá)18.83～20.16 m，下游變薄僅2.37 m。該層主要為灰褐～黃褐色粉細(xì)砂～中粗砂，二者界限不明顯，以粉細(xì)砂夾中粗砂透鏡體更常見(jiàn)。該層結(jié)構(gòu)較松散，見(jiàn)3～5 cm碎石包含物。

5）④層。深灰色粉砂質(zhì)壤土層，層厚0～8.52 m，最小埋深9.1 m。該層結(jié)構(gòu)較緊密，多呈硬塑狀。

6）③層。塊碎石土層，分布較連續(xù)，層厚0～8.47 m，塊石粒徑40～60 cm；碎石粒徑3～10 cm，多呈棱角狀，部分呈次圓狀；礫石粒徑1～2 cm，次棱角狀；土為砂土。

7）②層。深灰色粉砂質(zhì)壤土層，層厚0～18.0 m，該層結(jié)構(gòu)緊密，多呈硬塑狀。

8）①層。含漂砂卵礫石層，分布于河谷底部，該層厚度變化較大，厚0～55.21 m。漂石粒徑30～50 cm；卵石粒徑5～15 cm及2～3c m。

3 設(shè)計(jì)要求

要求處理后的第⑤、⑥層復(fù)合地基壓縮模量和抗剪強(qiáng)度比原土層有較大提高；復(fù)合地基⑤、⑥層分層承載力＞0.35 MPa并具有抗液化能力。故采取振沖碎石樁工藝對(duì)地基進(jìn)行處理。

4 振沖碎石樁作用原理

4.1 抗液化

針對(duì)砂性土及少粘性土，振沖法主要是通過(guò)振密、排水減壓以及預(yù)振效應(yīng)增強(qiáng)抗液化能力。

4.2 改善復(fù)合地基工程性態(tài)

針對(duì)復(fù)合地基工程特性，振沖碎石樁主要功能有減少地基的沉降和不均勻沉降，提高地基的承載力與穩(wěn)定性以及發(fā)揮墊層作用。

4.2.1 減少地基的沉降和不均勻沉降

復(fù)合土層的壓縮模量[5]

n——樁土應(yīng)力比，σp/σs=n，σp為樁頂壓力，σs為樁間土上壓力；

Ep——復(fù)合地基中碎石樁的壓縮模量，MPa；

Es——樁間土的壓縮模量，MPa。

由式（1）可知，復(fù)合土層的壓縮模量大于原土的壓縮模量且隨置換率m、樁土應(yīng)力比n的增大而增大，即樁愈密，樁愈強(qiáng)硬，復(fù)合地基的沉降就愈小，相應(yīng)的不均勻沉降也隨之減少。

4.2.2 增大地基承載力與穩(wěn)定性

1）復(fù)合地基的承載力[5]

軟弱層承載力較低，要求作用在頂面處的附加應(yīng)力及自重應(yīng)力之和不超過(guò)此層修正后的承載力。

式中：Pz——軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值；對(duì)于矩形基礎(chǔ)kPa；其中P0為基底平均應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；b為基礎(chǔ)底面寬度，m；l為矩形基礎(chǔ)底邊長(zhǎng)度，m；θ為地基壓力擴(kuò)散角，（°）；對(duì)于z＜0.25b、θ=0，Pcz為軟弱下臥層頂面處的自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

faz——軟弱下臥層頂面處的經(jīng)深度修正后地基承載力特征值，kPa；

fak——地基承載力特征值，kPa；

ηb、ηd——基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)；

r、rm——基礎(chǔ)以下土的重度和基礎(chǔ)以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

d——基礎(chǔ)埋置深度，m。

2）振沖樁復(fù)合地基的承載力[5]

式中：fsp，k——復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)為樁土共同協(xié)調(diào)的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

m——面積置換率；

n——樁土應(yīng)力比；

fsk——樁間土承載力特征值，kPa；

fpk——樁體單位截面積承載力特征值，kPa。

3）復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度Ssp為碎石樁體與樁間土抗剪強(qiáng)度共同組成[5]

復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

式中：CspCs——復(fù)合土體和樁間土的凝聚力；kPa；

μp——應(yīng)力集中系數(shù)；

P——復(fù)合地基上作用荷載的平均強(qiáng)度，kPa；

rp——碎石樁密度，kg/m3；

Z——柱條復(fù)合土體的研究點(diǎn)的弧段深度，m；

θ——滑動(dòng)面在地基某深度處的剪切面與水平面的夾角，（°）；

φs、φp——樁間土和碎石樁的內(nèi)摩擦角，（°）；

m——面積置換率；

n——樁土應(yīng)力比。

5 振沖碎石樁試驗(yàn)方案

5.1 樁孔布置

振沖碎石樁以等邊三角形布置，設(shè)計(jì)成樁直徑為1 m，樁間距為1.5 m，振沖碎石樁底線應(yīng)穿過(guò)⑤層（砂層）底線至少1 m。在試驗(yàn)施工區(qū)鉆5個(gè)檢測(cè)孔，其中JBT1、JBT2做地震波速測(cè)試、樁間土標(biāo)貫、注水試驗(yàn)并取芯，JBZ1、JBZ2、JBZ3做樁身觸探，JBZ2做樁身取芯，檢測(cè)鉆孔布置見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)孔布置

5.2 填料要求

采用具有良好級(jí)配的碎石，其飽和抗壓強(qiáng)度＞40 MPa，含泥量（＜0.075 mm）≯5%且無(wú)腐蝕性、性能穩(wěn)定，不得使用強(qiáng)風(fēng)化易軟化的石料。材料粒徑20～100 mm，個(gè)別最大粒徑≯120 mm。

5.3 振沖施工參數(shù)

振沖施工參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 振沖施工參數(shù)

5.4 振沖施工流程

振沖施工流程見(jiàn)圖2。

圖2 振沖施工工藝流程

6 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3-表6。

表3 振沖試驗(yàn)樁間土標(biāo)貫成果(修正后)

表4 振沖試驗(yàn)區(qū)JBT1鉆孔地震波速砂土液化判別

續(xù)表4

表5 振沖試驗(yàn)樁身（超）重力觸探試驗(yàn)成果

表6 振沖試驗(yàn)區(qū)單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)論

1）復(fù)合地基承載力驗(yàn)算滿足工程要求。

2）經(jīng)過(guò)振沖處理后，第5、6層承載力、抗剪強(qiáng)度較原地層明顯提升。

3）通過(guò)前后地震波速數(shù)據(jù)分析，第5、6層經(jīng)振沖工藝處理后基本消除了液化風(fēng)險(xiǎn)，滿足了工程需要。

4）通過(guò)試驗(yàn)可知，沖擊鉆引孔輔助振沖工藝，可以有效地克服復(fù)雜地層，處理其下臥軟弱液化層。

[1]楊玉光，魏鳴冬，陳忠文，等.振沖碎石樁在大沙河倒虹吸工程中的應(yīng)用[J].東北水利水電，2005，23（12）：25-26.

[2]陳冬乾.振沖碎石樁在平潭長(zhǎng)江澳風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用[J].電力勘察設(shè)計(jì)，2005，（6）：19-22.

[3]許詩(shī)貴.振沖樁在杞麓湖隧道進(jìn)口基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用[J].云南水力發(fā)電，2006，22（3）：29-33.

[4]林代銳.振沖碎石樁在砂土地基處理中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)與管理，2006，（25）：16-17.

[5]何廣訥.振沖碎石樁復(fù)合地基[M].北京：人民交通出版社，2001.

TU472

C

1008-3197（2016）06-68-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2016.06.023

2016-10-31

陳紅超/男，1981年出生，工程師，中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。