南美洲高填方粉細(xì)砂地基振沖工藝改進(jìn)及應(yīng)用

陳旭濤 ，張瑞棋

（1.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

無填料振沖法是通過反復(fù)強(qiáng)力振動(dòng)和水沖，將振沖器周圍的飽和砂土層及振沖器上部塌陷的砂土短暫液化或結(jié)構(gòu)破壞，顆粒重新排列，顆粒間孔隙減少，砂土形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，從而砂層承載力提高，達(dá)到加固的目的。國內(nèi)外學(xué)者一般認(rèn)為無填料振沖加固僅適用于處理黏粒含量約10%的中粗砂和粗顆粒土，規(guī)范明確規(guī)定無填料振沖加固技術(shù)不宜或不能用于粉細(xì)砂地基[1-2]。無填料振沖施工工藝參數(shù)和地區(qū)適用性也需要通過現(xiàn)場試樁確定和完善。周健[3-5]等針對無填料振沖法加固飽和疏松粉細(xì)砂地基的有效性和工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)加固效果顯著，并總結(jié)無填料振沖粉細(xì)砂施工工藝發(fā)展及存在的問題。何開勝[6]等通過對長江下游新吹填松散粉細(xì)砂無填料振沖試驗(yàn)，研究振沖過程中超靜孔壓變化、樁周土強(qiáng)度變化、部分檢測樁出現(xiàn)局部缺陷等問題，分析總結(jié)適用于吹填粉細(xì)砂的無填料振沖設(shè)計(jì)參數(shù)、施工工藝和質(zhì)量控制方法。蘇榮臻[7]以上海某工程研究了不同功率振沖器、兩種施工工藝、振沖參數(shù)等對于粉細(xì)砂地基振沖地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。葉觀寶[8]等通過現(xiàn)場孔隙水壓力監(jiān)測試驗(yàn)得出振沖液化時(shí)間與留振時(shí)間的關(guān)系，留振時(shí)間與深度和土性有關(guān)。以上文獻(xiàn)均是研究針對具體工程地質(zhì)條件下，合理的振沖施工工藝可以有效地對砂土進(jìn)行加固。本研究通過改進(jìn)振沖器，完善傳統(tǒng)的振沖工藝，對采用無填料振沖加固粉細(xì)砂地基的有效性進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場大面積施工后檢測，加固效果滿足設(shè)計(jì)要求。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某工程位于南美洲，地質(zhì)條件復(fù)雜，大多區(qū)域覆蓋深厚湖沼相泥炭土層。為能滿足波音747-400等大型客機(jī)的起降，計(jì)劃將-有跑道延長1 090 m，其中東北端延伸710 m，西南端延伸840 m。跑道延伸端地處沼澤地，淤泥深厚，需要經(jīng)過地基處理并進(jìn)行高填方可與-跑道銜接。機(jī)場跑道由0耀30 m粉細(xì)分層砂堆填形成，與-跑道相接處地勢比較高，跑道端頭地勢最低。

1.2 粉細(xì)砂顆粒組成

本工程堆載砂主要為粉細(xì)砂，按照美標(biāo)ASTM C136/C117[9]Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates進(jìn)行篩分試驗(yàn)，根據(jù)篩分結(jié)果可以看出堆載砂黏粒含量躍10%，粉細(xì)砂顆分試驗(yàn)結(jié)果曲線見圖1。

圖1 粉細(xì)砂顆分試驗(yàn)曲線Fig.1 Sieve analysis aggregate curve of fine sand

2 傳統(tǒng)振沖工藝及出現(xiàn)的問題

2.1 傳統(tǒng)施工工藝

振沖設(shè)備采用75 kW振沖器，振沖點(diǎn)位平面布置采用等邊三角形，間距3.5 m，最大振沖深度15 m，振沖方式采用雙點(diǎn)共振。振沖步驟如下：

1）施工準(zhǔn)備工作完成后，進(jìn)行振沖點(diǎn)位放樣。

2）吊機(jī)就位，振沖器對準(zhǔn)振沖點(diǎn)位，開啟振沖器，開啟水泵、氣泵。

3）振沖器下沉，下沉速度由現(xiàn)場下沉難易程度決定，保持勻速下沉，到達(dá)振沖深度后，留振20 s，至密實(shí)電流130~160 A；提升振沖器，提升速度由現(xiàn)場提升難易程度決定，每提升0.5 m留振20 s，振沖器頂部距孔口0.5 m處留振120 s。

4）上拔振沖時(shí)，關(guān)閉高壓空氣，適當(dāng)減小振沖頭噴水，下部砂體被振動(dòng)擠密。

5）振沖施工時(shí)，振沖器孔端噴出水壓0.7~0.8 MPa，電源控制在（380依20） V，電流不超過振沖器額定電流180 A，當(dāng)超過額定電流值時(shí)，必須減慢振沖器下沉速度直至停止下沉。若持續(xù)超過額定電流，振沖器也不下沉，則把振沖器上提0.5 m后，再次下沉。重復(fù)上述步驟3次后振沖器還不下沉，則開始提升留振。

2.2 質(zhì)量問題及-因分析

采用傳統(tǒng)的振沖工藝進(jìn)行現(xiàn)場小面積試樁，進(jìn)行2個(gè)標(biāo)貫試驗(yàn)孔，檢測結(jié)果見圖2。從檢測結(jié)果可以看出，振沖后，地面以下5 m左右地基強(qiáng)度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求（大于18擊）。產(chǎn)生質(zhì)量問題的-因如下：

圖2 試樁標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Standard penetration test results of test pile

1）表層標(biāo)貫擊數(shù)偏小。主要-因是高填方砂土地基水位比較低，表層砂在振沖過程中處于非飽和狀態(tài)，砂土并不能有效的重新排列，振沖后砂土顆粒不密實(shí)。

2）下部個(gè)別深度標(biāo)貫擊數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求。主要-因是黏粒含量較大的粉細(xì)砂不容易坍塌，在振沖中容易出現(xiàn)振沖器空振現(xiàn)象，砂土沒能受到振沖器有效的水平擠壓，砂土不密實(shí)。

3 改進(jìn)后的振沖設(shè)備及工藝

3.1 改進(jìn)振沖設(shè)備

對于高填方無填料粉細(xì)砂地基采用傳統(tǒng)的振沖器振沖，檢測結(jié)果顯示淺層標(biāo)貫擊數(shù)偏低、個(gè)別深層標(biāo)貫擊數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求，地基承載力不能滿足使用要求，工后沉降大、使用期會(huì)出現(xiàn)道面開裂等問題。主要-因是高填方粉細(xì)砂板結(jié)效應(yīng)，在振沖過程中不容易塌孔，導(dǎo)致振沖器電機(jī)空振，起不到側(cè)向擠壓密實(shí)效果。

基于以上-因，對振沖器進(jìn)行了改進(jìn)：在傳統(tǒng)振沖設(shè)備的基礎(chǔ)上增加1組徑向出水管路和1組豎向出水管路，使振沖器周邊及上部粉細(xì)砂容易塌孔，減少空振時(shí)間，提高振沖密實(shí)效果。傳統(tǒng)振沖設(shè)備和改進(jìn)后振沖設(shè)備分別見圖3和圖4，改進(jìn)后振沖設(shè)備及施工工藝已申請發(fā)明專利。

圖3 傳統(tǒng)振沖器實(shí)物圖Fig.3 Physical drawing of traditional vibroflot

圖4 改進(jìn)后振沖器設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design drawing of improved vibroflot

3.2 改進(jìn)振沖設(shè)備

改進(jìn)后的工藝如下：

1）整平場地，放樣振沖孔位，用鋼尺放測孔位，孔位正三角形布置，間距3.5 m。

2）振沖前，對振沖區(qū)域浸水處理6~12 h，使地基充分濕潤，砂土處于飽和狀態(tài)。

3）振沖設(shè)備就位，振沖器頭對準(zhǔn)點(diǎn)位，保持垂直，打開電源和水源，檢查水壓、水量、電壓和振沖器的空載電流是否正常，開始振沖下沉。

4）振沖器勻速下沉，保證振沖器垂直，將豎向出水管路出水量開到30耀50 m3/h，徑向出水管路出水量盡量調(diào)低，當(dāng)振沖器達(dá)到設(shè)計(jì)振沖深度，關(guān)閉氣泵，留振20 s。此步驟豎向出水管路出水量較大，以加速振沖器下沉，為了防止細(xì)砂堵塞環(huán)形水管的出水通孔，徑向出水管路需要保持一定的較低的出水量。

5）開始提升振沖器，提升過程中將豎向出水管路水量盡量調(diào)低，徑向出水管路水量開到最大，加大孔口注水量，促使上部砂體塌陷，提升速度由現(xiàn)場提升難易程度決定，每提升0.5 m留振20 s，振沖器頂部距孔口0.5 m處留振120 s，密切關(guān)注密實(shí)電流。如果出現(xiàn)電流偏低應(yīng)進(jìn)行上下往復(fù)反插拔振沖器，避免局部振沖不密實(shí)現(xiàn)象；如果出現(xiàn)電流突然增大，迅速上提振沖器，避免出現(xiàn)“抱死”現(xiàn)象；此步驟將徑向出水管路水量開到最大，加大非飽和砂含水量，在振沖器強(qiáng)力振動(dòng)過程中，粉細(xì)砂更容易液化，砂顆粒重新排列，更容易塌孔，從而避免振沖器電機(jī)空振，利用振沖器水平側(cè)向擠壓提高砂層振沖密實(shí)效果。

3.3 優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)后振沖設(shè)備及施工工藝具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1）通過外部進(jìn)水通道，加大非飽和砂的含水量，在振沖器強(qiáng)力振動(dòng)過程中，砂土更容易液化，砂顆粒重新排列，孔隙減少。

2）通過設(shè)置徑向出水管路，振沖器外側(cè)粉細(xì)砂更容易塌孔，避免振沖器電機(jī)空振，利用振沖器水平側(cè)向擠壓來提高砂層振沖密實(shí)效果。

3）設(shè)計(jì)精巧、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低，操作簡單，能夠有效地提高工作效率。

4 檢測效果評價(jià)

4.1 標(biāo)貫試驗(yàn)檢測

現(xiàn)場振沖結(jié)束28 d后，每1 000 m2進(jìn)行1組標(biāo)貫試驗(yàn)檢測，檢測點(diǎn)位由咨工現(xiàn)場隨機(jī)選定，標(biāo)貫試驗(yàn)按照美標(biāo)ASTM D1586-11[10]Standard Test Method for Standard Penetration Tset（SPT）and Split Barrel Sampling of Soils規(guī)定進(jìn)行，每1.5 m進(jìn)行1次標(biāo)貫試驗(yàn)。改進(jìn)工藝后地基處理區(qū)域共計(jì)進(jìn)行17孔標(biāo)貫試驗(yàn)檢測，檢測結(jié)果見圖5。

4.2 動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測

圖5 標(biāo)貫擊數(shù)-深度關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of standard penetration number and depth

現(xiàn)場振沖結(jié)束28d后，每2000m2進(jìn)行1組動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測，檢測點(diǎn)位由咨工現(xiàn)場隨機(jī)選定，動(dòng)力觸探試驗(yàn)按照美標(biāo)ASTM D6951M.11436[11]Use of the Dynamic Cone Penetrometer in Shallow Penetrometer in Shallow Pavement Applications規(guī)定進(jìn)行，每0.1 m進(jìn)行1次動(dòng)力觸探試驗(yàn)。改進(jìn)工藝后地基處理區(qū)域共計(jì)進(jìn)行10孔動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測，檢測結(jié)果見圖6。

圖6 動(dòng)力觸探擊數(shù)-深度關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve of dynamic cone penetration number and depth

4.3 試驗(yàn)檢測結(jié)果分析

1）由標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果可知，0~15 m經(jīng)修正后的標(biāo)貫擊數(shù)為20~69擊，相應(yīng)承載力標(biāo)準(zhǔn)值為160~552 kPa，隨深度的增加標(biāo)貫擊數(shù)增加，但沒有明顯的線性關(guān)系，比改進(jìn)工藝前提高30%。

2）由動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果可知，0~15 m經(jīng)修正后的動(dòng)探擊數(shù)為6~78擊，相應(yīng)承載力>180 kPa。

5 結(jié)語

對于處理黏粒含量躍10%的粉細(xì)砂采用常規(guī)或規(guī)范上的振沖工藝很難達(dá)到預(yù)期的效果，需因地制宜，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際試樁確定合理的施工工藝。南美地區(qū)粉細(xì)砂可用于大面積回填料，地基處理需對傳統(tǒng)的振沖設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，并探索適合當(dāng)?shù)氐氖┕すに嚕瑫r(shí)振沖前應(yīng)在振沖區(qū)域大量灌水，保證砂土在振沖過程中可以快速液化。采用無填料振沖工藝可以就地取材，有效降低工程造價(jià)，滿足不均勻沉降要求，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景，可在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行大面積推廣。