可液化場地地基振沖碎石樁聯(lián)合柱錘沖擴樁加固方法實踐研究

劉志勇

(核工業(yè)二七○研究所，江西 南昌　330299)

近年來，地基處理技術(shù)與應(yīng)用得到了持續(xù)、長足的發(fā)展。越來越多的不良地基，為地基處理新技術(shù)的發(fā)展提供了機會和挑戰(zhàn)(劉漢龍等，2016)?？梢夯翆邮且环N無粘性不良土質(zhì)所構(gòu)成的土層，這種土層在一些恒荷載或活荷載作用下，會導致空隙水壓力變大，而土質(zhì)又無粘性，使得土層的抗剪性能差，導致土層液化，造成地基出現(xiàn)滑移，嚴重威脅上部建筑物的安全與穩(wěn)定。因此，可液化土層的處理對于地基建設(shè)來說具有重大意義。

通州區(qū)污泥無害化處理及資源化利用工程場地地層巖性由人工填土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土、粉細砂和細砂等組成，地基承載力低，未經(jīng)處理不能滿足工業(yè)與民用建筑的要求。處理砂土等可液化地基的方法有水墜換填法(水墜砂法)、振沖法、換填墊層法、水泥土攪拌法(白濤等，2008)。水墜砂法是將砂漿回填到基坑中，然后用水連續(xù)澆筑砂體，使其在水的作用下不斷密實，以達到地基承載力的方法，是一種適合當?shù)刈匀粭l件的地基處理技術(shù)。鄭勛濤(2002)采用水墜砂法對地表大面積覆蓋著風積砂, 表層土為厚層細砂的場地進行地基加固，地基承載力提高了1.2～3倍，獲得良好的加固效果。振沖法是指用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂擠壓入土孔中，形成大直徑的碎石或砂所構(gòu)成的密實樁體。周健等(2003)采用無填料振沖法對粉細砂地基進行加固處理，獲得顯著效果。換填墊層法就是挖除淺層軟弱土或不良土，分層碾壓或夯實換填材料的方法，主要適用于處理淺層軟弱土層(地基處理手冊，2000)。倪紅梅(2006)通過工程實例介紹了換填墊層法在具體工程應(yīng)用中的設(shè)計思路、施工過程、檢驗效果，以促使工程人員在選擇軟土地基處理方法時優(yōu)先采用該方法。水泥土攪拌法是利用水泥等固化劑通過特定攪拌機械，在地基深處就地將軟土與固化劑強制攪拌，通過一系列物理化學反應(yīng)，使土體硬結(jié)的方法，適用于處理正常固結(jié)的淤泥和淤泥質(zhì)土、粉土等地基。綜合考慮各方面的因素，本文主要采用振沖法，聯(lián)合柱錘沖擴樁對地基進行加固。聯(lián)合柱錘沖擴樁就是反復(fù)將柱狀重錘提到高處使其自由落下沖擊成孔，然后分層夯實填料形成擴大樁體，與樁間土組成復(fù)合地基的地基處理方法，該法施工簡便易行，振動及噪音小，適用于處理雜填土、粉土、粘性土、素填土和黃土等地基。

本文通過對北京通州污泥無害化處理及資源化利用工程的地基加固案例，探討了振沖碎石樁加固地基消除液化危險，同時聯(lián)合柱錘沖擴樁進一步補強地基承載力的聯(lián)合地基加固方法。實踐表明，該方法可滿足場地液化且表層地基承載力差場地的地基加固要求，且相對經(jīng)濟便捷，可為此類型的地基加固工程提供參考和借鑒。

1　案例概況

通州區(qū)污泥無害化處理及資源化利用工程位于北京市通州區(qū)大運河森林公園和北運河新堤路的東側(cè)。場地新建工程包括污水處理廠房、辦公樓、地磅房、雨水池等，具體建筑情況及設(shè)計基地壓力詳見表1。按照場地的地質(zhì)條件，設(shè)計方要求地基承載力達到極限值280 kPa(根據(jù)規(guī)范，即設(shè)計要求的承載力特征值為140 kPa)，且能夠消除飽和土體的液化。

表1　擬建建(構(gòu))筑物情況一覽表

2　工程地質(zhì)條件及主要問題

地貌單元屬潮白河沖積平原，場地平坦。擬建場地抗震設(shè)防烈度為8度。勘察揭露兩層地下水。第一層為孔隙潛水，含水層為細砂層，地下水變幅一般1～3 m；第二層為層間水，層間水含水層為細砂層，隔水頂板高程2～3 m，承壓水頭約4.0 m。場地地層巖性由人工填土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土、粉細砂和細砂等組成，地層情況見表2所示?？辈煳窗l(fā)現(xiàn)溝浜、河道、墓穴、防空洞、孤石等對工程不利的埋藏物?？辈楸砻鲌鰠^(qū)內(nèi)的飽和砂類土存在液化問題，液化等級為中等。場地內(nèi)的雜填土、素填土巖土性狀差異較大，物理力學性質(zhì)較差。因此本場地面臨的主要問題有兩點： (1)飽和砂類土的液化問題； (2)表層填土層的地基承載力問題。表層填土的厚度分布及組成成分差異較大，不宜作為建筑物的直接持力層。

表2　場地地層巖性情況表

3　加固方案選取

地基直接持力層主要為填土且分布不均、基底下存在中等液化的粉細砂層，局部有軟塑粘性土軟弱下臥層存在，天然地基的均勻性、承載力、變形、 抗震等均不能滿足設(shè)計要求，地基處理的關(guān)鍵問題在于以下兩點：(1)提高地基承載力；(2)部分消除地基液化，液化指數(shù)不大于5(王洋等，2013)。對于可液化且地基承載力不高的地層，如不考慮換填，常用的方法有振沖碎石樁、振動沉管碎石樁、夯擴碎石樁、強夯等加固方法(林本海等，1999)。通過此類振動或沖擊作用對可液化土層可起到擠密、排水降壓及砂基預(yù)震等，對增強抗液化能力是極為有利的(汪聞韶，1996)。綜合考慮場地土層條件、造價、工程加固效果、操作施工難度及工期，振沖碎石樁對飽和砂土具有增強其抗液化性外，同時可提高地基土承載力和減少變形的作用，具有良好的擠密、排水降壓、砂基預(yù)振效應(yīng)，適合使用于該工程的抗液化處理(許明軍等，2003)。綜合考慮后，擬使用振沖碎石法和柱錘沖擴樁結(jié)合的方法，對該工程進行地基處理。

3.1　振沖碎石樁復(fù)合地基設(shè)計參數(shù)

場地擬建污泥處理車間設(shè)計為筏板基礎(chǔ)、框架結(jié)構(gòu)。采用振沖碎石樁復(fù)合地基，本次試驗樁分南、北兩個區(qū)布置，每區(qū)布置20根試驗樁；主要設(shè)計參數(shù)見表3。

通過振沖碎石樁加固后，現(xiàn)場測試得到的可液化層標貫擊數(shù)可達到29擊以上，能夠消除液化土層的威脅。然而，通過對加固后地基承載力有現(xiàn)測靜力載荷試驗結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)只通過振沖碎石樁加固并不能達到承載力設(shè)計要求。地基靜荷載曲線如圖1。

表3　試驗區(qū)場地振沖碎石樁復(fù)合地基主要設(shè)計參數(shù)

北試驗區(qū)548#、600#試驗點加載壓力為175 kPa時，沉降位移急劇增大，p-s曲線出現(xiàn)明顯陡降段；故取各試驗點出現(xiàn)明顯陡降段的前一級荷載為極限承載力值。據(jù)此確定548#、600#試驗點極限承載力值為140 kPa。

南試驗區(qū)1519#試驗點加載壓力為140 kPa時，1572#試驗點加載壓力為210 kPa時，沉降位移急劇增大，p-s曲線出現(xiàn)明顯陡降段；故取各試驗點出現(xiàn)明顯陡降段的前一級荷載為極限承載力值。據(jù)此確定1572#、1519#試驗點極限承載力值分別為105 kPa，175 kPa。可知局部地區(qū)地基承載力尚缺少安全余量。因此需采用地基承載力補強措施。

圖1　地基靜載荷試驗曲線圖Fig.1　The curve graph of the foundation static load tests

3.2　柱錘沖擴樁補強設(shè)計參數(shù)

因柱錘沖擴碎石樁適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基。在柱錘沖擴成孔和成樁過程中，通過擠密、夯實、固結(jié)、擠密、生石灰的水化固結(jié)作用，土體的整體性得到提高，密實度增加，含水率減小，從而增加地基承載力。同時通過柱錘沖擴樁沖擊載荷作用，沖擊波和用力擴散同時作用于周圍土體，增加周圍土體密實度。并因沖擴側(cè)向擠密，形成二次擠密，與周圍土體形成復(fù)合地基，從而提高地基承載力。柱錘沖擴碎石樁采用夯錘直徑200～600 mm、長度100～500 cm、質(zhì)量1000～5000 kg夯錘，錘底形狀稍帶凹槽。布樁形式采用三角形。平面布置為一字形工程擴展。當夯送的瞬間錘體沉入量很小(一般每擊沉量不超過150 mm)，可認為孔底已被擠密。為保證樁底密實度，一般送到樁底設(shè)計標高后，再空夯兩面次。夯擴填筑材料必須使用堅硬沒有風化的碎石、卵石及拌和的灰土。粒徑以20～50 mm為宜，最大粒徑不大于80 mm。含泥量一般控制在5%以內(nèi)。分層填入1∶1塊料和生石灰。當夯送的瞬間錘體沉入量不超過150 mm，可認為孔底已被擠密。樁體分層夯實厚度可按每擊或5擊控制，如不符合設(shè)計要求應(yīng)送夯實，充盈系數(shù)k>1.5。夯填至樁頂設(shè)計標高以上0.5 m。

表4　振沖碎石樁聯(lián)合柱錘沖擴樁復(fù)合地基處理有關(guān)參數(shù)一覽表

4　效果檢驗

為了判斷可液化場地地基振沖碎石樁聯(lián)合柱錘沖擴樁加固方法效果，對現(xiàn)場地基處理效果進行判斷，采用RS-JYB靜載試驗、重型動力觸探試驗貫入實驗進行現(xiàn)場原位測試。具體測試工作如表5所示。

表5　加固效果現(xiàn)場原位檢測工作量表

圖2　標準貫入試驗成果圖Fig.2　The curve graph of the standard penetration tests

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，所得測試成果表如表6、表7和圖2所示。表6中檢測數(shù)據(jù)為通過振沖碎石樁聯(lián)合柱錘沖擴樁聯(lián)合處理后，通州區(qū)污泥無害化處理及資源化利用工程場地地層復(fù)合地基的靜載試驗成果。通過標準貫入試驗，在鉆孔揭露深度范圍內(nèi)，通州區(qū)污泥無害化處理及資源化利用工程場地地基液化已消除。通過重型動力觸探試驗，通州區(qū)污泥無害化處理及資源化利用工程污泥處理車間振沖碎石樁復(fù)合地基密實度為中密-密實。通過對數(shù)據(jù)的分析可知，標準貫入試驗點原位實驗中，最小試驗錘擊數(shù)為21擊，且土層均為粉細砂，根據(jù)標準貫入試驗錘擊數(shù)與地基承載力的關(guān)系，錘擊數(shù)21次時，對應(yīng)的地基承載力為341.37 kPa，達到設(shè)計要求。

表6　碎石樁復(fù)合地基靜載試驗成果表

表7　振沖碎石樁樁聯(lián)合柱錘沖擴樁重型圓錐動力觸探成果表

本場地地基處理施工完成一個月后，業(yè)主組織第三方檢測機構(gòu)進行了驗收試驗，其場地液化的消除和地基承載力的提高均得到了較好的解決，使該建筑地基能滿足安全性要求。

5　結(jié)論

(1)單純采用振沖碎石樁，可加固地基消除液化土層，同時提高地基承載力，但造價略高，可考慮聯(lián)合其他價格較低、方便操作的加固方法進一步補強地基承載力的聯(lián)合加固方法。

(2)振沖碎石樁聯(lián)合柱錘沖擴樁聯(lián)合地基加固方法，可滿足地可液化且基承載力差場地的地基加固要求，且相對經(jīng)濟便捷。如單純振沖碎石樁滿足承載力要求，可不用補強措施；如振沖碎石樁消除液化，但不滿足承載力要求可采用柱錘沖擴樁聯(lián)合加固。