擠密砂樁在近水軟土地基加固中的應(yīng)用

鞏遠(yuǎn)見

(開原市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 開原 112300)

1 概 述

軟土地基是工程建設(shè)過程中經(jīng)常遇到的一種地基類型，其強(qiáng)度較低，在建筑物荷載作用下，通常會出現(xiàn)大幅度的變形，造成地基破壞。因此，在遇到該種類型的地基時，需要對天然地基進(jìn)行加固處理，提高地基承載力以滿足工程要求。常用的軟土地基加固方法包括預(yù)壓法[1-2]、置換法[3-4]、化學(xué)加固[5]、樁基處理法[6-9]等。目前，軟土地基加固效果的研究方法主要包括物理模擬、理論計(jì)算、數(shù)值分析等。朱楠等[10]結(jié)合離心機(jī)物理模擬試驗(yàn)對湖泊相軟土固結(jié)進(jìn)行研究，從而對地基加固效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明真空預(yù)壓法較水泥攪拌樁法具有更好的加固效果。黃朝煊[11]通過理論分析對預(yù)壓法在軟土地基加固中的應(yīng)用進(jìn)行研究。劉少增[12]使用數(shù)值模擬方法對CDM在軟土地基加固中的效果進(jìn)行研究。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，以遼寧省沿海地區(qū)某軟土地基加固為例，對擠密樁法在近水軟土地基加固中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 軟土地基加固常用方法比選

軟土地基加固方法眾多，不同方法具有不同的適應(yīng)性。通過對現(xiàn)場進(jìn)行水文、地質(zhì)調(diào)查，工程區(qū)內(nèi)軟土可分為5層，結(jié)合室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，獲取各層巖土體強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 巖土體強(qiáng)度參數(shù)

從表1可知，各層巖土體強(qiáng)度參數(shù)較低，天然地基難以滿足承載力要求。因此，可采用樁基礎(chǔ)對軟土地基進(jìn)行加固處理，不同類型樁基礎(chǔ)比選見表2。綜合工程安全、投資預(yù)算、施工環(huán)境等條件，選擇擠密砂樁作為軟弱地基加固方案。

表2 樁基比選

3 擠密砂樁加固機(jī)理及施工工藝

3.1 加固機(jī)理

擠密砂樁法需在待處理地基中使用振動或者沖擊荷載成孔，將砂土擠入軟土地基中，提高天然地基的密實(shí)度同時形成砂土柱體，提高天然地基承載力。擠密砂樁加固機(jī)理如下：

1) 擠密作用。軟土自身密實(shí)度較低，在外加荷載作用下，極易產(chǎn)生變形，從而造成建筑物的破壞。使用擠密砂樁進(jìn)行基礎(chǔ)處理時，在一定程度上降低了天然地基的孔隙比，地基土在擠密、壓實(shí)作用下強(qiáng)度將有所提高。

2) 排水作用。水是造成軟土地基變形的主要誘發(fā)因素，當(dāng)軟土地基中含水量過高時，將會造成地基土有效應(yīng)力降低，從而造成天然地基產(chǎn)生變形破壞。擠密砂樁可作為地基中的排水通道，可以迅速排出地基中的地下水，從而迅速降低地基中的超孔隙水壓力。

3) 置換作用。擠密砂樁可以替換部分軟土地基，形成復(fù)合地基，且砂樁將會承擔(dān)更大的荷載，從而提高地基的承載力，減少地基變形量。

4) 墊層作用。擠密砂樁是地基中相鄰兩層巖土體之間的墊層，將地基應(yīng)力重分布，避免局部出現(xiàn)應(yīng)力集中。

3.2 施工工藝

3.2.1 施工工序

擠密砂樁施工工序?yàn)椋孩黉佁畈⒄缴皦|層；②安裝并調(diào)試機(jī)械；③試樁；④樁位定點(diǎn)放樣；⑤砂樁機(jī)械就位；⑥插管、灌砂、留振；⑦振動拔管并補(bǔ)砂；⑧砂樁施打；⑨進(jìn)行下一樁位施工。施工流程見圖1。

3.2.2 施工方法

1) 砂墊層施工。選擇具備良好透水性且含泥量小于4%的中細(xì)砂作為墊層材料，材料的細(xì)度模數(shù)不應(yīng)小于2.3，干密度大于1.5×103kg/m3，處理應(yīng)超出設(shè)計(jì)地基處理邊線1.0 m。

2) 砂樁施工。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，選用振動沉管的方法進(jìn)行擠密砂樁的施工。設(shè)計(jì)砂樁直徑為40.0 cm，樁長為10～15.3 m，樁間距為1.80 m，采用梅花型布置。

圖1 施工流程示意圖

4 擠密砂樁加固效果分析

采用數(shù)值模擬方法對加固效果進(jìn)行分析。根據(jù)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行概化。建立FLAC3D數(shù)值模擬模型，見圖2。FLAC是目前最為常用的一種有限元數(shù)值模擬軟件，采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。模型建立后，對主體施工過程中擠密砂樁加固效果進(jìn)行分析。

圖2 FLAC計(jì)算模型

4.1 孔隙水壓力分析

在主體施工過程中，地基巖土體內(nèi)部孔隙水壓力不是穩(wěn)定的，其大小是動態(tài)變化的。數(shù)值模擬監(jiān)測2.0，4.0，6.0，8.0和10.0 m深度孔隙水壓力的變化，見圖3。

圖3 不同深度孔隙水壓力值

從圖3可知，施工初期，孔隙水壓力迅速上升，隨后孔隙水壓力逐漸消散，越接近地表消散速度越快。完成工程建設(shè)后，孔隙水壓力消散也是地基固結(jié)壓縮的過程。

4.2 擠密砂樁與軟土應(yīng)力比分析

樁土應(yīng)力比是擠密砂樁所受荷載作用力與軟土所受荷載作用力的比值。主體工程施工初期，外加荷載相對較小，在軟土承載范圍內(nèi)，樁土應(yīng)力比較??；隨著荷載的增加，樁土應(yīng)力比逐漸增大，最大值為1.83，此時樁土之間的應(yīng)力差值達(dá)到最大，之后應(yīng)力比又逐漸減小。見圖4。

圖4 樁土應(yīng)力比

4.3 側(cè)向位移結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬監(jiān)測結(jié)果可獲取不同深度范圍內(nèi)擠密砂樁旁軟土的側(cè)向位移結(jié)果。施工初期，側(cè)向位移迅速增大，從上至下逐漸產(chǎn)生側(cè)向位移。不同深度最終側(cè)向位移結(jié)果見圖5。在3.0 m處側(cè)向位移最大，此處為1，2層地基巖土體分界部位，但最大位移小于20.0 mm，變形量處于允許范圍內(nèi)，擠密砂樁的側(cè)向變形控制效果較好。

圖5 不同埋深水平位移

4.4 沉降結(jié)果分析

對施工過程中，擠密砂樁與其周圍的軟土沉降量進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見圖6。主體工程施工初期，擠密砂樁、軟土上的外加荷載較小，軟土變形量和砂樁變形量均較小，且兩者差值也較??；隨著工程進(jìn)行，荷載增大，擠密砂樁和軟土沉降量逐漸增大，且軟土沉降量與砂樁沉降量差值越來越大，最大值為5～6 mm。荷載穩(wěn)定后，地基中應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定，擠密砂樁與軟土沉降量逐漸接近，擠密砂樁與軟土變形差值趨于協(xié)調(diào)。

圖6 沉降監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié) 論

1) 通過多種樁基比選，選擇擠密砂樁進(jìn)行軟土地基加固；通過分析擠密砂樁加固作用主要有擠密、置換、排水、墊層4種，并對施工工藝、材料選取進(jìn)行建議。

2) 使用數(shù)值模擬方法對擠密砂樁加固效果進(jìn)行分析。樁土應(yīng)力比與沉降差是協(xié)同變化的關(guān)系，在應(yīng)力比達(dá)到最大至?xí)r沉降差也達(dá)到最大值。通過沉降分析和水平位移分析，擠密砂樁具有較好的沉降和側(cè)向變形控制效果。