沉管砂石樁基礎(chǔ)設(shè)計方法及其在軟土地基處理中的應(yīng)用

■林清琳（漳州市路達(dá)工程設(shè)計有限公司，漳州363005）

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沉管砂石樁基礎(chǔ)設(shè)計方法及其在軟土地基處理中的應(yīng)用

■林清琳
（漳州市路達(dá)工程設(shè)計有限公司，漳州363005）

本文根據(jù)工程背景實際施工條件，針對本工程的地層巖性的實際特點，選擇砂石樁法作為地基處理的方法。砂石樁設(shè)計計算主要包括樁徑、樁長、處理范圍等參數(shù)的確定的以及地基承載力的復(fù)核。為提高砂石樁復(fù)合地基的應(yīng)用效果，研究了本工程實例砂石樁設(shè)計方法及施工技術(shù)，對類似工程設(shè)計及施工具有一定的參考價值。

軟基處理砂石樁復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計施工工藝

0前言

沉管砂石樁是指采用振動沉管、錘擊沉管或沖擊成孔等方式在軟弱地基中形成孔后，再將砂、碎石或砂石混合料通過樁管擠壓入已成的孔中，在成樁過程中逐層擠密、振密，形成大直徑的砂石體所構(gòu)成的密實樁體。沉管砂石樁能有效提高粉土、松散砂土等地基的承載能力，降低其壓縮性。合理設(shè)計沉管砂石樁，以滿足地基承載力要求，對于此地基處理技術(shù)的推廣，具有非常重要的意義。

1工程概況

1.1項目簡介及地理位置

國省干線聯(lián)六線漳州龍文區(qū)過境公路工程路線起點位于龍文區(qū)朝陽鎮(zhèn)漳濱村，順接規(guī)劃的漳州東環(huán)城路，路線往北沿規(guī)劃的龍文區(qū)藍(lán)田北開發(fā)區(qū)布線，與九龍江防洪堤結(jié)合經(jīng)過科坑村，后路線往西，于登科村附近建朝陽大橋上跨九龍大道，經(jīng)內(nèi)林街，于石井村附近建石井大橋上跨鷹廈鐵路支線，后到達(dá)本項目終點，與國省干線聯(lián)十一線龍文段平交，路線全長約7.5km，如圖1所示。

1.2工程地質(zhì)條件概況

本線路位于福建漳州市東北部，沿九龍江北溪南岸展布。項目走廊帶內(nèi)的主干山脈總體呈南北走向，線路沿九龍江展布，總體地勢南高北低。按地貌基本成因類型劃分，線路經(jīng)過的地形地貌主要有沖海積平原地貌、丘陵地貌，沿線基巖分布主要為燕山晚期花崗巖，局部見閃長紛巖、輝綠巖等巖脈侵入；巖性屬于較硬一硬質(zhì)巖，出露較復(fù)雜，局部發(fā)育有裂隙密集帶等，巖石相對較破碎，對公路建設(shè)較不利。

圖1　建設(shè)項目地理位置圖

根據(jù)巖土的地質(zhì)年代、成因類型、工程地質(zhì)性質(zhì)，將地基土劃分為若干個工程地質(zhì)層組，地層自上而下為第四系上更新統(tǒng)沖海積層（Q4al-m），軟塑狀粉質(zhì)粘土，［fao］= 120KPa；流塑狀淤泥，［fao］=45kPa；稍密狀中砂，［fao］= 180kPa；中密狀卵石，［fao］=400kPa；下伏基巖為燕山晚期入侵花崗巖（γ53）及其風(fēng)化層，［fao］≥350kPa。該區(qū)域地下水主要賦存予第四系沖海積砂、卵石層中的孔隙潛水，水量豐富，接受大氣降水補給。本段上部分布軟塑粉質(zhì)粘土，為軟弱土層，厚度約3～6m，其下為流塑狀淤泥，淤泥質(zhì)黏土，為軟土，工程地址性較差，填筑高度約2.5～9m，其下為流塑狀淤泥、淤泥質(zhì)粘土，為軟土。路基填筑高度為2.5～9m，其地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

2砂石樁適用條件及加固原理

2.1砂石樁適用條件

本工程段的軟基處理區(qū)域面積大，局部段落淤泥較厚，綜合考慮軟土地層分布、填土高度、構(gòu)筑物布置等情況，經(jīng)沉降及穩(wěn)定性驗算，設(shè)計主要采用砂石樁進(jìn)行處理。砂石樁加固地基早期在松散砂土中使用效果顯著，成功經(jīng)驗較多，但在軟弱粘性土中，還缺乏經(jīng)驗，加固達(dá)不到預(yù)期效果，但也有一定效果。

2.2砂石樁加固作用的原理

砂石樁施工時由于成樁的方法各不相同，地基土的性質(zhì)不同，因此砂石樁加固作用的原理也不相同。

（1）在松散砂土和粉土地基中作用

在砂石樁成樁施工時對周圍砂層或產(chǎn)生擠密作用或同時也產(chǎn)生振密作用，還有一定的抗液化作用。擠密作用是在采用沖擊法或振動法往松散砂土中下沉樁管和一次拔管成樁時，由于樁管下沉對周圍松散砂土產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管就將地基中同體積的松散砂土擠向周圍的砂層，使其孔隙比減小，孔隙水排出，有效應(yīng)力增大，密度也增大，地基承載力也隨之提高。

振密作用是在沉管特別是采用垂直振動的激振力沉管時，樁管周圍的土體受到擠壓，同時，樁管的振動能量以波的形式在土體中傳播，引起樁四周土體的振動，在擠壓和振動的雙重作用下，土的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，孔隙水壓力逐步增大。由于土結(jié)構(gòu)的破壞，土的顆粒重新進(jìn)行排列，并向具較低勢能的位置移動，從而使土由較松散狀態(tài)變?yōu)槊軐崰顟B(tài)。隨著孔隙水壓力的進(jìn)一步增大，達(dá)到大于主應(yīng)力數(shù)值時，土體開始液化成流體狀態(tài)，流體狀態(tài)的土變密實的可能性較小，但如果有排水通道（如砂石樁）時，土體中的水就能夠沿砂石樁這個排泄通道排出，達(dá)到消散孔隙水壓力的作用，同時土的顆粒重新排列、固結(jié)，形成新的結(jié)構(gòu)土體。使土體的孔隙比降低，密實度增大，從而達(dá)到加固地基之目的。

抗液化作用首先是可液化的土層在受到擠密作用和振密作用后，土層的密實度增加，結(jié)構(gòu)強度提高，從而提高土層本身的抗液化的能力，這可以從標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)的增大而得到驗證。其次砂石樁也起到排水通道的作用，能夠加速擠壓和振動作用產(chǎn)生的超孔隙水壓力的消散，降低孔隙水壓力上升的幅度，提高樁間土的抗液化能力。

（2）在粘性土地基中的作用

由于粘性土的結(jié)構(gòu)不同于砂土，為蜂窩狀和絮狀結(jié)構(gòu)，顆粒之間的分子有較強的吸引力，而且孔隙很大，但其滲透性很差。對于非飽和的粘性土，在進(jìn)行沉管時可以產(chǎn)生一定的擠密作用，對于飽和粘性土而言，在施工過程中產(chǎn)生的擠壓和振動作用的強烈擾動，使得土粒之間的結(jié)合力及粘粒、離子、水分子所形成的平衡體系遭到破壞，孔隙水壓力大幅度上升，從而降低了土的強度，增大了土的壓縮性。但在砂石樁施工結(jié)束后，在上覆土壓力作用下，通過砂石樁的良好排水作用，樁間土發(fā)生排水固結(jié)，與此同時由于粘土、水分子、離子之間重新形成新的平衡體系，使土結(jié)構(gòu)的強度得到恢復(fù)，而且比原土體的強度有所增強?？傊?，砂石樁和地基土形成的復(fù)合地基后，砂石樁加固軟弱粘性土地基時主要起到置換作用和排水作用。從而達(dá)到加固軟弱地基的目的。

3砂石樁施工工藝

3.1施工工藝

結(jié)合本工程現(xiàn)場實際條件，砂石樁施工工藝如下：

施工準(zhǔn)備（平整場地、材料進(jìn)場、樁機(jī)進(jìn)場、組裝調(diào)試、繪制樁位平面圖）→實地布置樁→校驗樁位→制樁（樁機(jī)就位、開機(jī)振動沉管至設(shè)計要求深度、自料口灌入砂灌滿為止、開機(jī)邊振邊拔沉管連續(xù)反插至管內(nèi)無料為止、沉管拔出孔口并往孔內(nèi)分批投料、振搗密實至設(shè)計標(biāo)高、加壓擠密成樁、關(guān)機(jī)移位）→檢驗→交工驗收。

3.2施工技術(shù)要點

（1）機(jī)具就位、樁管沉入

樁管沉入前，應(yīng)根據(jù)設(shè)計樁長及（地面）水平測量結(jié)果，將沉管深度用紅油漆標(biāo)示于樁管上，以控制沉管深度，確保樁底達(dá)到設(shè)計高程。

振動沉樁機(jī)就位，將活瓣樁尖的尖點對準(zhǔn)砂石樁樁位中心，中心偏差控制在±5cm以內(nèi)；調(diào)整機(jī)架確保樁管垂直，垂直度控制在1%以內(nèi)。啟動振動器，以2～3m/ min的速度使樁管邊振動邊下沉，至設(shè)計高程（以樁管上的紅油漆標(biāo)記線為準(zhǔn)），控制樁底高程偏差不大于10cm。

考慮到砂石樁振動擠密后體積減小，砂頂標(biāo)高下降，因此沉管頂應(yīng)高出地面1m，并灌滿砂。

（2）加砂料

樁體砂采用人工鏟入樁機(jī)自帶的下料斗內(nèi)，通過下料斗送入樁管。灌砂時砂的含水量應(yīng)加以控制；對飽和土層，可采用飽和狀態(tài)砂；對非飽和土或雜填土，或能形成直立的樁孔壁的土層，含水量控制在8%以內(nèi)。

圖2　本工程所處地質(zhì)剖面圖

（3）拔管、樁管下壓

在樁管內(nèi)加入砂料后，邊振動邊緩慢拔出樁管，拔管速度控制在0.5m/min以內(nèi)，將落入樁孔內(nèi)的砂壓實，確保每米灌砂量達(dá)到設(shè)計要求。

單樁砂石設(shè)計灌入量q=0.237×h（h為實際施打樁長）。

當(dāng)灌入砂量沒有達(dá)到設(shè)計要求（低于設(shè)計的每米灌砂量）時，在旁邊補樁一根。樁體在施工中必須確保連續(xù)、密實。

4沉管砂石樁基礎(chǔ)設(shè)計方法

4.1樁直徑和間距對沉降的影響

模擬樁直徑和間距對沉降量的影響采用理正軟土地基路堤設(shè)計軟件，采用經(jīng)驗系數(shù)法計算地基總沉降，采用壓縮模量法計算主固結(jié)沉降，采用直接法計算超載產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力，沉降計算考慮超載。沉降修正系數(shù)取1.200，沉降計算的分層厚度取0.500m，分層沉降輸出點距中線距離為0.000m，壓縮層厚度判斷應(yīng)力比為15.000%，基底壓力計算方法：按多層土實際容重計算，計算時考慮彌補地基沉降引起的路堤增高量。

（1）相同直徑不同樁距

本次設(shè)計采用同一砂石樁直徑為500mm，不同樁距進(jìn)行路基基準(zhǔn)期總沉降量進(jìn)行驗算。由圖3可知，在相同樁徑下，沉降隨著樁距增大而增加。

圖3　砂石樁沉降影響曲線圖

（2）相同樁距不同直徑

本次設(shè)計采用同一砂石樁樁距為1800mm，不同樁徑進(jìn)行路基基準(zhǔn)期總沉降量進(jìn)行驗算。由圖4可知，在相同距徑下，沉降隨著樁徑增大而減小。

圖4　砂石樁沉降影響曲線圖

綜上可知，砂石樁樁徑及樁距的選擇，要綜合考慮兩者對沉降的影響。

4.2砂石樁布置選擇

砂石樁按正方形布設(shè)，直徑為50cm，樁打穿淤泥層進(jìn)入下臥層不得小于0.5m。采用振動沉樁機(jī)，振動沉管工藝施工。在砂石樁施工結(jié)束并檢驗合格后，樁頂設(shè)置中粗砂加筋墊層50cm，夾兩層單向鋼塑復(fù)合土工格柵。進(jìn)行堆載預(yù)壓，并經(jīng)監(jiān)測結(jié)果確認(rèn)滿足工后沉降要求后方可卸載進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的施工。施工前必須對地面構(gòu)筑物、地下管線進(jìn)行調(diào)查、拆移，確認(rèn)無障礙物后方可進(jìn)行場地清理、平整；挖設(shè)臨時排水溝，疏干地表水，使基面層保持干燥狀態(tài)；根據(jù)設(shè)計測設(shè)路基中心線及砂石樁樁位，確定地基處理寬度并用石灰線醒目標(biāo)注；布置砂石料存放場，修建作業(yè)場內(nèi)施工便道。

4.3沉管砂石樁間距及直徑的計算

fa=fspk+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）

式中：fa為修正后地基承載力特征值，需≥150kPa；fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度和埋置深度的地基承載力修正系數(shù)，分別取0，1；γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，取8kN/m3；b為條形基礎(chǔ)底邊的寬度，取5.5m；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，位于地下水位以下的土層取有效重度，取8kN/m3；d為基礎(chǔ)埋置深度，為4.5m。

由式可得fspk≥118kPa。沉管砂石樁采用正方形布樁形式，de=1.13s，s為樁間距（m），則s/d≤2.95。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）第7.2.2條規(guī)定：沉管砂石樁樁徑宜為300～800mm；沉管砂石樁的樁間距，不宜大于砂石樁直徑的4.5倍。則最終確定砂石樁直徑為500mm，樁間距為1800mm，如圖5所示。

圖5　砂石樁布置圖

4.4沉管砂石樁樁長的確定

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）第7.2.2條規(guī)定：樁長不宜小于4m；當(dāng)相對硬土層埋深較淺時，可按相對硬層埋深確定。根據(jù)上述要求及現(xiàn)場地質(zhì)勘查資料，確定砂石樁樁長12m，為使砂石樁復(fù)合地基受力均勻，樁頂需鋪設(shè)500mm厚粒徑20～30mm砂石褥墊層，如圖6所示。

圖6　砂石樁縱斷面圖

4.5砂石樁布置范圍

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）第7.2.2條規(guī)定：地基處理范圍應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性和場地條件確定，宜在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大1～3排樁。

4.6砂石樁的效果檢驗

按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）有關(guān)條款的要求，砂石樁成樁后可采用靜載荷試驗或標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗檢驗復(fù)合地基的承載能力及其密實度，這樣與原土質(zhì)相比，可檢驗加固效果，這兩種方法比較直觀、實用。

5結(jié)語

雖然碎石樁復(fù)合地基承載力計算理論較為成熟，但是碎石樁的很多參數(shù)需要現(xiàn)場試驗來確定，比如填料量、樁間距、單樁荷載試驗、復(fù)合地基荷載試驗。因為地基土的組成不同，碎石樁的參數(shù)要通過現(xiàn)場試驗來確定適合本地的數(shù)值，從而達(dá)到真正處理效果。

［1］王妙君，梁維能.軟弱地基處理方法及應(yīng)用［J］.工業(yè)設(shè)計，2011（07）：202.

［2］蘇睿華，李利平，徐先強.松木樁在長興陶家灣水閘軟弱地基處理上的應(yīng)用［J］.浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報，2013，25（02）：13-16.