基于管井降水的強(qiáng)夯技術(shù)在粉質(zhì)砂土地基處理工程中的應(yīng)用

賀志貞

(浙江省正邦水電建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051)

近些年來(lái)，隨著科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的蓬勃發(fā)展，各種新技術(shù)與材料、新設(shè)備與工藝被不斷應(yīng)用于工程施工實(shí)踐中，帶動(dòng)了水利工程施工技術(shù)的飛躍進(jìn)步。水利工程地質(zhì)情況復(fù)雜多樣，不同地質(zhì)條件的地基處理技術(shù)也不盡相同。粉質(zhì)砂土地基的特點(diǎn)是土層顆粒松散，滲透系數(shù)大，受水淹沒(méi)后液化嚴(yán)重，土層強(qiáng)度低?；诠芫邓膹?qiáng)夯技術(shù)是指通過(guò)管井降水可快速降低地基處理范圍內(nèi)一定深度的地下水位，消除土層液化狀態(tài)，然后采用經(jīng)選型的強(qiáng)夯設(shè)備，以強(qiáng)大的沖擊能量垂直夯擊地基，迫使地基土層的水分受壓縮而排入降水管井，使土體中的液化予以消除，達(dá)到提高地基土的承載力和受壓強(qiáng)度的目的。配以科學(xué)的施工工藝技術(shù)和質(zhì)量檢測(cè)與控制方法，可以成功解決含水層粉質(zhì)砂土地基處理的技術(shù)難題。本文以該技術(shù)在汾河太原段綜合治理三期工程第十三標(biāo)段中的應(yīng)用為實(shí)例，闡述基于管井降水的強(qiáng)夯法施工技術(shù)在粉質(zhì)砂土地基處理工程中的應(yīng)用機(jī)理，提出施工工藝流程和質(zhì)量檢測(cè)與控制方法要點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)踐運(yùn)用分析，闡明該技術(shù)在粉質(zhì)砂土地基處理施工中的可行性和優(yōu)越性。以期今后對(duì)該技術(shù)成果更廣泛的應(yīng)用和提高有所借鑒[2]。

1 工程應(yīng)用實(shí)例

1.1 工程概況

汾河太原段綜合治理三期工程十三標(biāo)位于太原市小店區(qū)，是山西省重點(diǎn)項(xiàng)目，也是太原市承辦全國(guó)第二屆青運(yùn)會(huì)的重點(diǎn)配套項(xiàng)目。工程主要任務(wù)是城區(qū)防洪與排澇、河道蓄水，以及為兩岸景觀建設(shè)搭建平臺(tái)[3]。工程屬于一級(jí)堤防，處于汾河河道中心樁號(hào)Z10+800～Z11+770段東西兩岸，長(zhǎng)970m，東西向?yàn)楝F(xiàn)狀西大堤至新建東大堤，河道寬440～450m。主要水工建筑物為鋼筋混凝土暗涵，暗涵斷面4m×6m，長(zhǎng)度1940m。本文主要闡述管井降水與強(qiáng)夯法施工技術(shù)在暗涵粉質(zhì)砂土地基處理中的應(yīng)用。

1.2 暗涵地基水文地質(zhì)條件

暗涵地基為粉細(xì)砂，局部為中砂圓礫，靜水位埋深2.50～6.50m。基坑支護(hù)及開(kāi)挖影響深度范圍內(nèi)，地基土自上而下依次分為：雜填土層→砂土層→粉土層→砂土層。地基主要含水層為砂土層，滲透系數(shù)為20.0m/d。

由此可見(jiàn)，暗涵基礎(chǔ)土層顆粒松散，滲透系數(shù)大，受水淹沒(méi)后液化嚴(yán)重，土層強(qiáng)度低。必須采取有效措施對(duì)地基土進(jìn)行處理，以提高地基土的強(qiáng)度和承載能力，確保上部暗涵結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性與質(zhì)量安全。本項(xiàng)目采用了基于管井降水的強(qiáng)夯法施工技術(shù)進(jìn)行地基處理[4]。

2 管井降水

暗涵建基面以下設(shè)計(jì)要求水位降深為6m，確保地層土體消除液化。根據(jù)本工程擬建場(chǎng)地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，經(jīng)過(guò)方案比選，確定采用管井降水施工方案。

2.1 降水方案設(shè)計(jì)

2.1.1降水參數(shù)計(jì)算

(1)基坑總涌水量

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，分段開(kāi)挖條形基坑(槽)，進(jìn)行逐段降水施工。條形基坑(槽)沿兩邊布井，基坑(槽)分段長(zhǎng)度200m。采用現(xiàn)行的JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)潛水型非完整井的基坑涌水量的計(jì)算方法建立計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 基坑涌水量計(jì)算示意圖

計(jì)算公式為：

(1)

(2)管井單井出水量估算

單井出水量由土層滲水量決定，采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

q=65πdtK1/3

(2)

式中，d—過(guò)濾器半徑，取0.20m；K—過(guò)濾器處土層滲透系數(shù)，取20.0m/d；t—過(guò)濾器工作部分長(zhǎng)度，取2.5m。根據(jù)公式(2)計(jì)算得出管井單井出水量q=5.0m3/d。

(3)管井?dāng)?shù)量計(jì)算

n=1.15Q/q

(3)

式中，Q—基坑涌水量；q—管井單井出水量；計(jì)算得出管井?dāng)?shù)量n=33口/200m。

(4)管井降水水位測(cè)算

根據(jù)群井干擾理論，暗涵中心線上任意一點(diǎn)水位降低值Si計(jì)算如下：

Si=H-{H2-Q[lgR-lg(r1rn)/n]/1.366K}1/2

(4)

式中，Q—基坑降水的總涌水量，3700m3/d；K—滲透系數(shù)，20m/d；H—潛水含水層厚度，取20m；R—降水影響半徑，取120m；r1，，rn—計(jì)算點(diǎn)至干擾降水井之間的距離。代入式(4)得Si=6.1m，大于設(shè)計(jì)降深6.0m，能滿足設(shè)計(jì)要求[6]。

2.1.2設(shè)備選擇及管井布置

(1)降水設(shè)備選用

基坑總涌水量按沿暗涵每200m長(zhǎng)度為一個(gè)降水分段計(jì)算，為3700m3/d×200m，平均分擔(dān)到33口井上，單井每天出水量為120m3/d。查施工手冊(cè)，選用100QJ5—24/6型潛水泵，每口井設(shè)置一臺(tái)。

(2)降水井布置

本工程所需管井?dāng)?shù)量326口，降水井沿暗涵兩側(cè)布置，布井時(shí)避開(kāi)出入口通道，整個(gè)管井系統(tǒng)呈梅花型排列布置。具體布置為：

降水井均布置在地基強(qiáng)夯處理區(qū)外側(cè)，不影響后期的強(qiáng)夯施工。布置兩排管井，排距21.7m，分別位于暗涵中心線兩側(cè)11.0m及10.70m處，管井深度14.0m，間距12m。所有管井的出水口連接到場(chǎng)內(nèi)的排水溝[7]。

2.1.3管井構(gòu)造

管井采用無(wú)砂大孔混凝土管，管井內(nèi)徑為φ400mm，每節(jié)長(zhǎng)1.2m。最下部一節(jié)為有孔濾管，其空隙率為20%～25%。管井構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 降水井構(gòu)造簡(jiǎn)圖

2.2 降水施工工藝流程

降水施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→鉆機(jī)就位→循環(huán)鉆孔→泥漿護(hù)壁→成孔→井管安裝→豆石充填→上部厚土填實(shí)→洗井→安裝潛水泵→抽水。

通過(guò)該降水施工技術(shù)的實(shí)踐，降水后的地下水位維持在建基面以下6.1～6.5m，滿足設(shè)計(jì)提出的水位降深要求。地下水位降低后，隨即進(jìn)入地基強(qiáng)夯階段。

3 地基強(qiáng)夯

3.1 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)

強(qiáng)夯法是用起重機(jī)械將大噸位夯錘起吊到一定高度后自由落下，給地基土以強(qiáng)大的沖擊能量的夯擊，使土中出現(xiàn)沖擊波和很大的沖擊應(yīng)力，迫使土層孔隙壓縮，在夯擊點(diǎn)周圍產(chǎn)生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和氣體逸出，使土料重新排列，經(jīng)時(shí)效壓密達(dá)到固結(jié)，降低土體壓縮性的一種地基加固方法。

設(shè)計(jì)要求建基面以下6m深度內(nèi)的液化等級(jí)由嚴(yán)重降為中等，3m深度范圍內(nèi)消除液化。經(jīng)強(qiáng)夯處理后的地基承載力不小于250KPa?；觾?nèi)的強(qiáng)夯點(diǎn)按三排梅花形布設(shè)，縱橫兩個(gè)方向的錘距和行距均為5.0m。通過(guò)強(qiáng)夯試驗(yàn)試夯選擇定設(shè)備規(guī)格與參數(shù)。

3.2 強(qiáng)夯施工

3.2.1強(qiáng)夯參數(shù)

根據(jù)試夯結(jié)論選擇強(qiáng)夯參數(shù)。分三遍夯擊，第一遍點(diǎn)夯單擊能為2500kN·m，第二遍點(diǎn)夯單擊能為2000kN·m，第三遍為滿夯，滿夯單擊能為1000kN·m。第一、第二遍點(diǎn)夯時(shí)間間隔初步定為3d。

3.2.2強(qiáng)夯施工流程

地基強(qiáng)夯總體分為三個(gè)階段，一遍點(diǎn)夯(主夯)→二遍點(diǎn)夯(副夯)→滿夯，分別按照不同的參數(shù)進(jìn)行控制，每遍夯擊的具體流程如下：

標(biāo)出第一遍夯點(diǎn)位置、測(cè)量場(chǎng)地高程→起重機(jī)就位→測(cè)量夯前錘頂高程→夯錘吊到預(yù)定高度自由下落夯擊，測(cè)量錘頂高程→按規(guī)定夯擊次數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)，完成一個(gè)夯點(diǎn)的夯擊→完成第一遍全部夯點(diǎn)的夯擊→用推土機(jī)將夯坑填平，測(cè)量場(chǎng)地高程→間隔3d后，按上述程序完成第二遍夯擊→用低能量滿夯，測(cè)量夯后場(chǎng)地高程→試驗(yàn)檢測(cè)及質(zhì)量檢查驗(yàn)收[8]。

地基夯實(shí)完成后，對(duì)基坑進(jìn)行平整，預(yù)留0.3m的保護(hù)層，待澆筑暗涵混凝土墊層時(shí)再人工開(kāi)挖至設(shè)計(jì)建基面。強(qiáng)夯后的基底高程若低于基礎(chǔ)建基面時(shí)，采用碎石換填至設(shè)計(jì)高程。

3.3 質(zhì)量檢測(cè)

按照該強(qiáng)夯工藝和控制參數(shù)完成強(qiáng)夯施工后，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法進(jìn)行地基承載力及液化指標(biāo)的檢測(cè)[9]。檢測(cè)結(jié)果表明，地基承載力均能達(dá)到250KPa以上，建基面深度3m范圍內(nèi)液化消除，建基面深度3～6m范圍內(nèi)的土層降為中等液化，符合設(shè)計(jì)規(guī)定要求。

4 結(jié)論及建議

該工程實(shí)踐表明，粉質(zhì)砂土地基土層顆粒松散，滲透系數(shù)大，受水淹沒(méi)后液化嚴(yán)重，土層強(qiáng)度低，為更好地解決這一類地基土的基礎(chǔ)加固處理難題，采用管井降水與強(qiáng)夯工藝的組合技術(shù)，能夠達(dá)到良好的預(yù)期效果。該技術(shù)適用地質(zhì)條件范圍廣，不僅適用于粉質(zhì)砂土，也適用于碎石土、黏性土、濕陷性黃土、高填土、雜填土等地基加固工程；經(jīng)處理的地基質(zhì)量可靠，加固效果顯著，一般地基強(qiáng)度可提高2～5倍，加固影響深度可達(dá)6～10m；施工工藝簡(jiǎn)單，工效高，成本低，施工時(shí)對(duì)地基土層及周圍環(huán)境不產(chǎn)生任何污染，是一種環(huán)保型的地基加固處理技術(shù)。建議可在同類工程中予以推廣應(yīng)用。不足的是，強(qiáng)夯施工不得用于不允許對(duì)工程周圍建筑物和設(shè)備有一定振動(dòng)影響的地基加固工程，必須采用時(shí)，建議采取防振、隔振等措施。