干振沉管擠密砂樁穿透硬土層的工藝改進(jìn)

張法智，孟志浩，李亞偉

(1.山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250100； 2.中電建振沖建設(shè)工程股份有限公司，北京 100000)

0 引言

干振沉管擠密砂樁法是指利用振動(dòng)或沖擊沉管方式，在軟弱地基中成孔后，填入砂并將其擠壓入孔中，形成較大直徑的、由中粗砂構(gòu)成的密實(shí)樁體的地基處理方法[1]。

干振沉管擠密砂樁，在加固軟弱地基方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因造價(jià)經(jīng)濟(jì)、材料要求不高且來(lái)源廣泛，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于火電廠附屬及輔助生產(chǎn)建筑物及其他電力工程的地基處理中，主要用于提高地基土的承載力、減少地基土的固結(jié)沉降，以及用來(lái)消除砂土因?yàn)檎駝?dòng)或地震所產(chǎn)生的液化。但是，由于各地的地質(zhì)條件差異很大，該施工工藝經(jīng)常受到一定限制。本文針對(duì)福建省某火電廠項(xiàng)目施工時(shí)遇到的問(wèn)題，對(duì)沉管擠密砂樁施工過(guò)程中穿透硬土層時(shí)遇到的困難進(jìn)行了探討，對(duì)施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，解決了困難，供同行探討。

1 砂樁的作用原理

根據(jù)地基土的類(lèi)型不同，干振沉管擠密砂樁的作用原理有所不同。

1.1 在松散砂土和粉土地基中的作用

干振沉管擠密砂樁在松散砂土和粉土地基中的作用包括擠密作用、振密作用和抗液化作用。

在砂土和粉土中沉入樁管時(shí)，對(duì)其周?chē)a(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管將地基中等于樁管體積的砂擠向樁管周?chē)耐翆?，使其孔隙比減小，密度增加，此即砂石樁法的擠密作用。

砂樁在施工時(shí)，樁管振動(dòng)能量以波的形式在地基土中傳播，引起地基土振動(dòng)，產(chǎn)生振密作用。

砂樁在成孔和擠密樁體的過(guò)程中，一方面，樁周土在水平和垂直振動(dòng)力作用下產(chǎn)生徑向和豎向位移，使樁周土體密實(shí)度增加。另一方面，土體在反復(fù)振動(dòng)作用下，使土顆粒重新排列、組合，形成更加密實(shí)的狀態(tài)，從而提高了樁間土的抗剪強(qiáng)度和抗液化性能。砂樁振動(dòng)成樁過(guò)程中對(duì)樁間土的多次預(yù)震，以及成樁后砂樁的排水通道作用，也使其抗液化能力得到提高。

1.2 在黏性土地基中的作用

干振沉管擠密砂樁在黏性土地基中，主要起到置換和排水的作用。

砂樁對(duì)黏性土地基的置換作用是將樁管位置的工程性能較差的土擠至四周并以性能較好的中粗砂進(jìn)行置換，形成了一定樁徑、樁長(zhǎng)和間距的樁與樁間土共同組成復(fù)合地基。

砂樁不僅置換了土層，還形成良好的豎向排水通道，縮短了排水距離，從而可以加快地基的固結(jié)速率。

1.3 砂樁施工的局限性

砂樁施工可采用振動(dòng)沉管、錘擊沉管或沖擊成孔等成樁法。當(dāng)用于消除粉細(xì)砂及粉土液化時(shí)，宜用振動(dòng)沉管成樁法。對(duì)可液化的地基，干振沉管擠密砂樁的樁長(zhǎng)應(yīng)按要求處理液化的深度確定。

對(duì)于塑性指數(shù)較高的硬黏土、密實(shí)砂土，因加固后承載力提高不大，不宜采用砂樁復(fù)合地基。

但是，因?yàn)楦鞯氐牡刭|(zhì)條件差異很大，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)內(nèi)經(jīng)常會(huì)遇到硬土層，給施工帶來(lái)了困難。

2 工程實(shí)例

福建省某火電廠項(xiàng)目，擬建廠址區(qū)在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地條件下，50年超越概率10%的水平向地震動(dòng)峰值加速度為0.15g(相對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為7度)，擬建廠址區(qū)內(nèi)的②中砂、④粉細(xì)砂在地震影響烈度達(dá)7度時(shí)將產(chǎn)生地震液化，液化等級(jí)為中等～嚴(yán)重。為消除地基液化，采用干振沉管擠密砂樁進(jìn)行地基處理。

2.1 工程地質(zhì)條件

砂樁施工區(qū)域的鉆孔地質(zhì)條件見(jiàn)表1。

表1 砂樁區(qū)鉆孔地質(zhì)條件表

2.2 干振沉管擠密砂樁的設(shè)計(jì)

干振沉管擠密砂樁的樁端進(jìn)入⑤粉質(zhì)黏土，對(duì)⑤層以上土進(jìn)行加固處理，使處理后的地基承載力和壓縮模量滿(mǎn)足基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，要求處理后的砂樁復(fù)合地基承載力特征值fspk≥150 kPa，并消除地基土的液化。

沉管擠密砂樁的設(shè)計(jì)參數(shù)如下，詳見(jiàn)圖1。

布樁方式：正方形布樁；樁徑：D=0.5 m，樁間距為：s=1.5 m。

樁數(shù):117根，填料為中粗砂。有效樁長(zhǎng)：16.00 m。

2.3 干振沉管擠密砂樁的施工

為消除地基液化，采用振動(dòng)沉管工藝施工。綜合考慮地基土的物理力學(xué)性質(zhì)、建筑物對(duì)地基承載力的要求、機(jī)具造孔能力和制樁深度等因素，選用90 kW的振動(dòng)器及與其相匹配的輔助設(shè)備。

干振擠密樁的填料采用中粗砂，含泥量應(yīng)低于3%，并滿(mǎn)足規(guī)范的相關(guān)要求。

2.4 施工時(shí)面臨的困難

從鉆孔地質(zhì)表可見(jiàn)，16 m樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的地層并不均勻，存在有③中細(xì)砂(中密)，厚度為3.65 m，④-2粉質(zhì)黏土(可塑)，厚度為1.70 m。穿透該兩層時(shí)難度較大，表現(xiàn)為樁機(jī)有起抬現(xiàn)象、進(jìn)尺緩慢、電流過(guò)大等現(xiàn)象。

喂料時(shí)，由于粉質(zhì)黏土擠入并附著在樁管，導(dǎo)致中粗砂填料在樁管內(nèi)會(huì)擠壓、卡頓，下料緩慢，造成樁的填料不連續(xù)，容易造成斷樁。

3 施工工藝的改進(jìn)

3.1 原有的施工工藝

原有的施工工藝如下：1)移動(dòng)樁機(jī)及導(dǎo)向架，把樁管及樁尖垂直對(duì)準(zhǔn)樁位；2)啟動(dòng)振動(dòng)樁錘，將樁管振動(dòng)沉入土中，達(dá)到設(shè)計(jì)深度；3)從樁管上端的投料漏斗加入砂石料；4)邊振動(dòng)邊拔管直至拔出地面。

施工參數(shù)為：留振時(shí)間：10 s～20 s；反插次數(shù)：每提拔宜1 m～2 m高度反插不少于一次，并視出料順利與否情況增加反插次數(shù)，成樁至地面應(yīng)反插復(fù)振1 m；拔管速度：1.1 m/min～1.5 m/min；施工時(shí)樁位水平偏差不應(yīng)大于0.3倍套管外徑；施工電流為120 A。

3.2 改進(jìn)后的施工工藝

為了解決穿過(guò)③中細(xì)砂和④-2粉質(zhì)黏土層時(shí)鉆進(jìn)難和喂料難的問(wèn)題，采取了以下3項(xiàng)措施進(jìn)行改進(jìn)：改進(jìn)樁靴、樁管加水、調(diào)整工藝。

1)改進(jìn)樁靴：原有的樁靴為平底型。為了更容易穿透黏土層，將樁靴重新加工為錐型，見(jiàn)圖2。樁尖的加工參數(shù)如下：尖頭長(zhǎng)度為200 mm，尖頭角度為30°，鋼板厚度為20 mm。

樁靴改進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)注意焊接質(zhì)量，確保焊縫的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。焊縫與新增加的尖頭過(guò)渡應(yīng)平穩(wěn)，尖頭部分的鋼板強(qiáng)度和厚度，不應(yīng)低于原樁靴[2]。

2)樁管加水：除改進(jìn)樁靴之外，為了使填料從樁管中下的更快，迅速填滿(mǎn)樁孔，以免黏土造成樁孔的縮頸，采取的措施是：在喂料斗內(nèi)增設(shè)一根25 mm直徑的水管，按照0.5 m3/h的速度加水，詳見(jiàn)圖3。

3)調(diào)整工藝：在黏土層中施工時(shí)，采取“快拔管，少反插”的施工工藝，降低對(duì)黏土層的擾動(dòng)，減少縮孔，有效提高成孔質(zhì)量。砂土層仍采用“慢拔管、多反插”的施工工藝。施工時(shí)應(yīng)時(shí)刻注意電流的變化，不允許超過(guò)120 A，以免燒毀電機(jī)[3]。

3.3 改進(jìn)后的施工效果

改進(jìn)后的單樁施工時(shí)間由原來(lái)的約40 min縮短為約18 min，留振時(shí)間、反插次數(shù)、填料用量和充盈系數(shù)等無(wú)明顯變化。

改進(jìn)前后的比較典型的砂樁施工記錄見(jiàn)表2。

表2 改進(jìn)前后砂樁施工對(duì)比表

3.4 檢測(cè)結(jié)果

1)液化消除情況。施工完成并休止25 d后，現(xiàn)場(chǎng)布置了3個(gè)鉆孔，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)來(lái)判定樁間土的液化消除情況。

根據(jù)本次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果，按照GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)中的公式(4.3.4)進(jìn)行地震液化計(jì)算判別[4]。

其中，N為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值(未經(jīng)桿長(zhǎng)修正)；Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；No為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，本工程取10；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m；dw為地下水位深度，m，宜按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近期內(nèi)年最高水位采用。本工程廠址區(qū)近期內(nèi)年最高水位按照dw=0.00 m計(jì)算；β為調(diào)整系數(shù)，本工程取1.05；ρc為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，均應(yīng)采用3。

當(dāng)N≤Ncr，判為液化土；當(dāng)N>Ncr，判為不液化土。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過(guò)工藝改進(jìn)的干振沉管擠密砂樁施工，樁間土液化已經(jīng)消除。

表3 沉管擠密砂樁區(qū)域的液化判別表

2)復(fù)合地基承載力。施工完成并休止25 d后，現(xiàn)場(chǎng)布置了3個(gè)復(fù)合地基地基靜載試驗(yàn)點(diǎn)，以實(shí)測(cè)復(fù)合地基的承載力。

本次靜載試驗(yàn)采用方形承壓板，壓板面積為單樁處理面積，承壓板面積為2.25 m2，壓板下設(shè)50 mm～150 mm厚中粗砂找平[5]。

試驗(yàn)加載方式：試驗(yàn)采用堆載反力梁裝置，一次性堆至預(yù)估最大試驗(yàn)載荷的1.2倍以上[6]。

根據(jù)試驗(yàn)加載情況，砂樁復(fù)合地基的試驗(yàn)成果如表4所示。

表4 砂樁復(fù)合地基試驗(yàn)成果表

根據(jù)表5數(shù)據(jù)可知，承載力特征值最大值為150 kPa，最小值為150 kPa，平均值為150 kPa，極差小于平均值的30%。

表5 砂樁復(fù)合地基試驗(yàn)結(jié)果分析表

當(dāng)滿(mǎn)足其極差不超過(guò)平均值的30%時(shí)，可取其平均值為復(fù)合地基承載力特征值。因此，砂樁復(fù)合地基承載力特征值為150 kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本次施工工藝改進(jìn)的成本不高，但是單樁的施工時(shí)間由原來(lái)的40 min縮短為18 min，大幅度提高了效率，并且達(dá)到了提高承載力和液化消除的效果，對(duì)于在含有硬層(中密以上砂土、硬塑以上的黏性土層)的砂土地層，采用干振沉管擠密砂樁施工具有一定的參考意義。