振沖碎石樁在提高尾礦庫(kù)壩基承載力中的應(yīng)用

王立彬，劉 碩，蒙 萌，黃粵鑫，田文高，王明明

(1.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河北秦皇島066004；2.銅源國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究有限公司，河北秦皇島066004)

振沖碎石樁是利用振沖器在軟土地基中成孔，再向孔內(nèi)分批填入碎石而形成樁體[1]，適用于擠密處理松散砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、素填土、雜填土等地基，以及處理可液化地基[2]。采用振沖碎石樁處理砂質(zhì)地基的主要目的在于提高地基承載力、減少沉降、防止地震液化等[3]。振沖碎石樁主要用于建筑地基中，最早用于尾礦壩加固的應(yīng)用是在南芬尾礦壩上進(jìn)行的，隨后在招遠(yuǎn)金礦尾礦壩上進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)與應(yīng)用[4]。在之后的發(fā)展中，振沖碎石樁在尾礦壩加固中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)成果[5-8]。在我國(guó)，尾礦庫(kù)多采用“上游式”筑壩法，“上游式”筑壩構(gòu)成的壩體存在多層次、錯(cuò)綜復(fù)雜的礦泥夾層結(jié)構(gòu)，致使壩體浸潤(rùn)線位置高、壩體強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，特別在地震區(qū)筑尾礦高壩，更顯示出“上游式”筑壩潛在著危險(xiǎn)[9]。對(duì)尾礦壩進(jìn)行抗震加固的方法很多，尤以振沖碎石樁效果顯著，也最經(jīng)濟(jì)。碎石樁不僅可增強(qiáng)壩體的密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度，還有利于改善壩體的排水條件，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，用碎石樁加固上游法尾礦壩有廣闊的應(yīng)用前景[10]。本文為采用振沖碎石樁提高尾礦庫(kù)壩基承載力的工程實(shí)例，研究結(jié)果可供相關(guān)工程人員參考借鑒。

1 工程概況

1.1 尾礦庫(kù)概況

某尾礦庫(kù)位于一條呈U字型的山谷內(nèi)，為典型的山谷型尾礦庫(kù)。該尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)總壩高76.0 m，最終堆積標(biāo)高610.0 m，總庫(kù)容200萬m3，等別為三等。目前，該尾礦庫(kù)已堆積至608.0 m標(biāo)高，距離最終設(shè)計(jì)堆積標(biāo)高差2.0 m。為滿足企業(yè)繼續(xù)排尾的需求，對(duì)該尾礦庫(kù)實(shí)施加高擴(kuò)容工程。

該尾礦庫(kù)初期壩距離山谷溝口較近，壩下游無可利用空間，無法采用下游法或中線法加高擴(kuò)容，因此選擇采用上游法加高擴(kuò)容。根據(jù)庫(kù)區(qū)地形條件，將堆積壩從610.0 m 標(biāo)高加高至680.0 m 標(biāo)高，新增總庫(kù)容約1 069.4萬m3，總壩高達(dá)146.0 m，總庫(kù)容約1 269.4萬m3，等別為二等。尾礦庫(kù)總平面布置圖見圖1，剖面圖見圖2。壩體三維滲流分析及動(dòng)力穩(wěn)定分析表明，隨著壩體的加高，壩體中下部浸潤(rùn)線出逸，會(huì)導(dǎo)致壩體失穩(wěn)。因此，采取在初期壩外進(jìn)行廢石壓坡加固措施，但經(jīng)計(jì)算分析，初期壩外地層不滿足承載力要求。

圖1 尾礦庫(kù)總平面布置圖(單位：m)Fig.1 General layout of tailings reservoir(unit:m)

圖2 尾礦庫(kù)剖面圖(單位：m)Fig.2 Profile of tailings reservoir(unit:m)

1.2 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

勘察查明，在鉆探所達(dá)鉆孔深度范圍內(nèi)，初期壩外地層共分2層，地質(zhì)剖面圖見圖3。

圖3 工程地質(zhì)剖面圖(單位：m)Fig.3 Profile of engineering geology(unit：m)

第一層為雜填土(Q4ml，編號(hào)為①)，灰黑色、稍密、稍濕-飽和，以尾細(xì)、中砂為主，局部含大塊塊石及碎石。該層全區(qū)分布，厚度為13.40～18.40 m，層底埋深為13.40～18.40 m，承載力僅為130 kPa。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)》(GB 50021—2001)，取擾動(dòng)樣7組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of standard penetration test

第二層為凝灰質(zhì)礫巖(J3z，編號(hào)為②)，又分為強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)礫巖(J3z，編號(hào)為②1)和中風(fēng)化凝灰質(zhì)礫巖(J3z，編號(hào)為②2)。其中：強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)礫巖呈灰色、凝灰質(zhì)膠結(jié)-硅質(zhì)膠結(jié)，表層風(fēng)化為土狀、礫狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，主要由小于2.00 mm的火山灰組成，該層全區(qū)分布，厚度為1.40～2.60 m，層底埋深為16.00～19.80 m；中風(fēng)化凝灰質(zhì)礫巖呈灰色，凝灰質(zhì)膠結(jié)-硅質(zhì)膠結(jié)，致密堅(jiān)硬、礫狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，主要由小于2.00 mm的火山灰組成，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，該層全區(qū)分布，最大揭露厚度為5.40 m，最大揭露深度25.00 m。

根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)在揭露深度內(nèi)均見地下水，雜填土為其含水層，屬第四系潛水。

2 振沖碎石樁的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)勘察可知，初期壩外地層主要為雜填土，灰黑色、稍密、稍濕-飽和，以尾細(xì)、中砂為主，局部含大塊塊石及碎石，為人工回填形成的平臺(tái)。經(jīng)方案比選，采用振沖碎石樁法加固地基來提高壩基承載力[11-12]。

2.1 碎石樁設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)壩基地層情況，碎石樁以強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)礫巖作為樁端持力層，樁端進(jìn)入持力層1.0 m，確定樁長(zhǎng)為17～21 m。根據(jù)地區(qū)振沖碎石樁施工經(jīng)驗(yàn)和成樁設(shè)備情況，確定碎石樁樁徑為0.8 m，采用75 kW振沖器。

碎石樁采取等邊三角形布樁形式。根據(jù)壩體加固方案，確定不同分區(qū)壩基承載力應(yīng)提高至230 kPa和190 kPa。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)，按式(1)計(jì)算復(fù)fak/kPa 合地基置換率m，然后根據(jù)布樁形式按式(2)確定樁間距s，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 樁間距計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of pile spacing

式中:fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fak為天然地基承載力特征值，kPa；α 為樁間土承載力提高系數(shù)，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，如無經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于松散的砂土、粉土可取1.2～1.5，原土強(qiáng)度低取大值，原土強(qiáng)度高取小值；n為復(fù)合地基樁土應(yīng)力比，無實(shí)測(cè)資料時(shí)，可取1.5～2.5，原土強(qiáng)度低取大值，原土強(qiáng)度高取小值；m 為復(fù)合地基置換率，m=d2；d 為樁身平均直徑，m；de為1根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，m。根據(jù)表2 計(jì)算結(jié)果，Ⅰ區(qū)碎石樁樁間距取1.5 m，Ⅱ區(qū)碎石樁樁間距取2.0 m，碎石樁具體布置形式見圖4。

圖4 碎石樁布置圖(單位：m)Fig.4 Gravel pile layout(unit:m)

2.2 樁體填充材料

樁體材料采用選礦廠甩尾廢石，要求其含泥量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不大于5%，粒徑范圍40～150 mm。碎石樁樁孔內(nèi)的填料量按設(shè)計(jì)樁孔體積乘以充盈系數(shù)確定，充盈系數(shù)取1.3，其實(shí)際填料量應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。若施工中地面有下沉或隆起現(xiàn)象，填料量則應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況予以增減。

2.3 處理范圍及施工順序

根據(jù)壩基處理范圍和場(chǎng)地條件，確定碎石樁外擴(kuò)1 排樁。根據(jù)布樁形式、樁間距以及不同分區(qū)壩基范圍，確定布置5排1.5 m間距和4排2.0 m間距碎石樁，共計(jì)297個(gè)樁。

施工從近壩腳至遠(yuǎn)壩腳方向，沿排樁逐點(diǎn)逐排進(jìn)行。

3 加固效果檢測(cè)

3.1 檢測(cè)試驗(yàn)

采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)振沖碎石樁樁體質(zhì)量，測(cè)試點(diǎn)布置在增強(qiáng)體的樁體中心附近，檢測(cè)數(shù)量不少于樁孔總數(shù)的2%，連續(xù)3次錘擊數(shù)大于50擊時(shí)，可終止試驗(yàn)。

樁間土含碎石、塊石時(shí)采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)樁間土質(zhì)量，樁間土為尾礦砂時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)樁間土質(zhì)量。檢測(cè)位置在等邊三角形的中心，檢驗(yàn)深度不小于處理地基深度，檢測(cè)數(shù)量不少于樁孔總數(shù)的2%，試驗(yàn)點(diǎn)豎向間距為1 m。當(dāng)錘擊數(shù)已達(dá)50擊，而貫入度未達(dá)到30 cm時(shí)，終止試驗(yàn)，記錄50擊的實(shí)際貫入深度，按規(guī)范換算成30 cm的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測(cè)錘擊數(shù)。

檢測(cè)儀器為DPP-4E-100型汽車鉆、標(biāo)貫器、探頭、N63.5落錘，探桿及其他必備工具。

根據(jù)《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 340—2015)和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)規(guī)定，在振沖碎石樁處理范圍內(nèi)，選取11根碎石樁樁體進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，選取12個(gè)樁間土檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，具體檢測(cè)點(diǎn)位見圖4。

3.2 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 樁體檢測(cè)結(jié)果與分析

碎石樁樁體動(dòng)力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。由表3可看出，復(fù)合地基碎石樁樁體呈密實(shí)狀態(tài)，施工質(zhì)量滿足要求。

表3 碎石樁樁體動(dòng)力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistical results of dynamic sounding test data of gravel pile

3.2.2 樁間土檢測(cè)結(jié)果與分析

樁間土上部2～3 m以碎石為主，充填物為尾礦砂，采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)上部碎石呈中密-密實(shí)狀態(tài)，觸探平均擊數(shù)為31.4擊。下部以尾礦砂為主，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)，Ⅰ區(qū)樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，Ⅱ區(qū)樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表4 Ⅰ區(qū)樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Statistical results of standard penetration test data of soil between piles in zone I

分析表4可知:樁間土處理后，為中密狀態(tài)，密實(shí)程度明顯提高。根據(jù)《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》表7.4.8-1估算，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，I區(qū)樁間土承載力特征值為235 kPa。

表5 Ⅱ區(qū)樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.5 Statistical results of standard penetration test data of soil between piles in zoneⅡ

分析表5可知:樁間土處理后，整體呈中密狀態(tài)、局部呈稍密狀態(tài)，密實(shí)程度明顯提高。根據(jù)《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》表7.4.8-1估算，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，Ⅱ區(qū)樁間土承載力特征值為210 kPa。

4 結(jié) 論

采用振沖碎石樁法加固尾礦庫(kù)壩基，分兩區(qū)布設(shè)振沖碎石樁，共297個(gè)樁，且對(duì)加固后的振沖碎石樁樁體及樁間土進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，得出以下主要結(jié)論。

1)碎石樁樁體重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果表明，碎石樁樁體呈密實(shí)狀態(tài)，施工質(zhì)量滿足要求。

2)樁間土檢測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果表明:I區(qū)樁間土處理后，為中密狀態(tài)，密實(shí)程度明顯提高，錘擊數(shù)平均值由8.0擊提高至18.2擊；Ⅱ區(qū)樁間土處理后，整體呈中密狀態(tài)、局部呈稍密狀態(tài)，密實(shí)程度明顯提高，錘擊數(shù)平均值由8.0擊提高至15.6擊，I區(qū)、Ⅱ區(qū)地基土承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)要求。