振動(dòng)沉管擠密砂石樁在涵閘地基加固中的應(yīng)用

王云飛

(丹東市愛河大洋河河道整治工程建設(shè)管理辦公室，遼寧 丹東 118000)

水利工程一般規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)以自重較大的鋼筋混凝土為主，對地基承載力要求很高。而河流區(qū)域地層大部分以沖積地層為主，抗?jié)B性、承載力均較差，必須進(jìn)行必要的加固處理后才能布置建設(shè)水利工程。振動(dòng)沉管擠密砂石樁是目前廣泛應(yīng)用的松軟地基加固技術(shù)，且隨著施工工藝的發(fā)展，該技術(shù)內(nèi)涵也在逐步擴(kuò)大，樁體材料也更加廣泛等，對環(huán)境影響也在逐步減小。

1 工程概況

2017年，遼寧省啟動(dòng)“大洋河干流重點(diǎn)段河道整治工程”，共計(jì)治理河道總長53.8km，該河段主要由：岫巖防洪區(qū)、沙里寨防洪區(qū)、龍王廟防洪區(qū)、小甸子防洪區(qū)、大孤山防洪區(qū)等組成，主要工程任務(wù)有：堤防加固43.0km、修建涵閘12座。龍王廟防洪區(qū)需修建涵閘3座，其中后河閘因流量及洞徑均較大，對地基承載力要求大，但該涵閘所在地段地層均為松散粉細(xì)砂層，必須進(jìn)行加固處理。

2 工程地質(zhì)條件分析

經(jīng)地質(zhì)勘查，龍王廟防洪區(qū)地貌單元為河床、漫灘及一級(jí)階地的陸相沉積地層。從上至下地層依次為：粉土(0.3～1.0m)、粉質(zhì)黏土(0.9～.7m)、粉細(xì)砂(1.9～3.3m)、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(1.0～1.3m)、中粗砂(0.8～1.6m)、細(xì)砂(0.5～6.7m)、卵石(0.5～1.5m)。各地層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 龍王廟防洪區(qū)各地層主要物理力學(xué)指標(biāo)

據(jù)調(diào)查可知：原有龍王廟防洪區(qū)堤基地質(zhì)為多層結(jié)構(gòu)，后河閘基位置設(shè)計(jì)坐落于粉細(xì)砂層，其承載力特征值為120kPa，滲透系數(shù)為10-3數(shù)量級(jí)，屬中等透水，因此需要考慮防滲處理。各結(jié)構(gòu)層發(fā)育平緩穩(wěn)定，抗滑穩(wěn)定性較好，雖然地層存在軟弱淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，但其層位較深，不會(huì)有振陷可能[1]。

3 振動(dòng)沉管擠密砂石樁設(shè)計(jì)分析

3.1 閘基加固方案比選分析

后河涵閘設(shè)計(jì)排水量72.40m3/s，為4級(jí)建筑物。經(jīng)計(jì)算：場地內(nèi)粉細(xì)砂和細(xì)砂在工程建成后7度地震下均為液化土，液化等級(jí)嚴(yán)重。依據(jù)相關(guān)規(guī)范，地基中的液化土層處理方法包括：置換、強(qiáng)力夯實(shí)、振動(dòng)水沖、板樁(連續(xù)墻)圍封或沉井基礎(chǔ)等[2]。

其中板樁(連續(xù)墻)圍封在丹東地區(qū)處理閘基液化現(xiàn)象應(yīng)用比較廣泛，具有成熟的施工經(jīng)驗(yàn)；振沖法(振動(dòng)沉管樁)適用于砂性土，從粉細(xì)砂到含礫粗砂，只要小于0.005的黏粒含量不超過10%，都可以達(dá)到顯著的擠密[3]。因此對上述兩種方案進(jìn)行對比(見表2)。

表2 閘基加固方案對比

從經(jīng)濟(jì)上看，振沖法(振動(dòng)沉管樁)方案要優(yōu)越很多；從效果看，雖然板樁(連續(xù)墻)圍封技術(shù)施工成熟，但振沖法也基本都被丹東地區(qū)的建筑工地應(yīng)用過，且處理地基液化效果顯著。因此綜合考量，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用振沖法處理后河閘閘基液化問題。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1 樁體布置設(shè)計(jì)

低強(qiáng)度混凝土樁是目前振沖法常用樁體類型，其填充物一般為水泥、石子和摻合物(砂、粉煤灰、石灰等)，強(qiáng)度等級(jí)可人為控制，范圍在C5～C25[4]。為保證施工效果，首先在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)場地設(shè)計(jì)布置6根低強(qiáng)度混凝土管樁，行距設(shè)計(jì)7.0m，間距為4.5m(如圖1所示)。

圖1 試驗(yàn)場分布示意圖

3.2.2 測壓孔布置設(shè)計(jì)

由于沉管施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，過大時(shí)可能造成周圍土體隆起或側(cè)向移動(dòng)等問題，因此需要時(shí)刻監(jiān)測周圍土體的水壓力值，這是保證施工質(zhì)量的核心[5]。為了監(jiān)測超孔隙水壓力，在樁體周邊布置4個(gè)觀測孔(1～4#深度分別為4、6、8、10m)，編號(hào)和位置如圖1所示。

每個(gè)觀測孔內(nèi)由下至上依次放置4個(gè)壓力計(jì)，壓力計(jì)之間用膨潤土球填充，其豎向布置如圖2所示。在沉管試驗(yàn)前先埋設(shè)壓力計(jì)，觀測它們讀數(shù)變化，待讀數(shù)穩(wěn)定并記錄后再開始沉管試驗(yàn)。

圖2 超孔隙水壓力計(jì)布置示意圖

3.3 樁體施工及靜載設(shè)計(jì)

3.3.1 振動(dòng)沉管樁施工

本項(xiàng)目采用彈簧振動(dòng)錘施工，振動(dòng)頻率1050r/min，激振力約為230kN。為避免相互之間影響，振動(dòng)沉管樁施工順序?yàn)椋?#→3#→4#→6#→2#→5#。

沉管至設(shè)計(jì)深度后向管內(nèi)填料，之后留振10s左右以1.2～1.5m/min的速度拔管，現(xiàn)場驗(yàn)收成樁合格后便可利用混凝土封樁頂。同時(shí)要全程記錄壓力計(jì)示數(shù)變化。

3.3.2 靜載試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

為檢測加固效果，在樁體完工30d后對樁體和地基進(jìn)行靜載試驗(yàn)，其中對地基檢測時(shí)，需提前鋪設(shè)一層20cm厚的碎石墊層[6]。靜載試驗(yàn)采用“慢速維持載荷法”進(jìn)行分級(jí)加載和卸載，沉降量由位移傳感器監(jiān)測(精度為0.01mm，布置3個(gè)以上)，利用專業(yè)儀器采集數(shù)據(jù)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 超孔隙水壓力分析

圖3記錄了觀測孔超孔隙水壓力累積數(shù)值變化，由圖可知：①不同位置均存在超孔隙水壓力，且最大值均在深度5～6m之間；②隨著距離沉管位置越遠(yuǎn)，其超孔隙水壓力累積值會(huì)越?。虎蹖⒏饔^測孔不同深度超孔隙水壓力與上覆土有效應(yīng)力作比，其最大值出現(xiàn)在1#觀測孔4m深度位置，約為0.33，其值遠(yuǎn)小于1.0，說明本項(xiàng)目地基在沉管下沉?xí)r累積超孔隙水壓力較小，因此對土體擾動(dòng)較小，不存在出現(xiàn)隆起或側(cè)移問題。

圖3 觀測孔超孔隙水壓力累積數(shù)值變化曲線

3.4.2 單樁靜載試驗(yàn)分析

以2#和3#管樁為分析對象，由圖4可知：當(dāng)分別對其加載至240、280kN后，其沉降量超過了45mm(最大量程為50mm)，且卸載后回彈率很低，說明樁體端部地層已經(jīng)達(dá)到承載極限，分別記為240、280kN，但比理論計(jì)算數(shù)值低50%左右。

圖4 單樁靜載試驗(yàn)曲線

3.4.3 復(fù)合地基靜載試驗(yàn)分析

圖5表示的是試驗(yàn)區(qū)復(fù)合地基靜載試驗(yàn)曲線圖，在沉降量最大允許值范圍內(nèi)(15mm)，4#、5#、6#樁復(fù)合地基承載力分別達(dá)到了180、230、215kPa，平均為208kPa，相對于天然地基的100～115kPa提高了100%左右，加固效果顯著，完全滿足實(shí)際使用要求(80～100kPa)。

圖5 復(fù)合地基靜載試驗(yàn)曲線圖

4 結(jié)語

振動(dòng)沉管擠密砂石樁技術(shù)是松軟、液化等細(xì)砂地基中最常用的處理方法之一，其加固效果顯著，滿足大多數(shù)建筑使用要求，但不可按照單個(gè)樁體理論承載數(shù)值去設(shè)計(jì)樁位，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)確定。在使用該技術(shù)時(shí)，一定要結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)不同的承載力要求設(shè)計(jì)樁體承載力，這樣才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。