振沖碎石樁在飽和軟土地基處理中的應(yīng)用研究

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碎石樁復(fù)合地基是處理軟土地基的一種迅速而有效的方法。但是，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79－91）第六章第一節(jié)第6.1.1條“……振沖置換法適用于不排水抗剪強(qiáng)度不小于20KPa的粘性土、粉土、飽和黃土和人工填土等地基。……”，其他教科書等也認(rèn)為振沖碎石樁不適應(yīng)于不排水抗剪強(qiáng)度低于20KPa的軟粘土中。
    本文詳細(xì)介紹了汕頭市某廠房內(nèi)地坪成功采用振沖碎石樁的設(shè)計及施工方法，并結(jié)合廣州地區(qū)近年來振沖碎石樁工程設(shè)計與施工實例進(jìn)行技術(shù)評價，說明在不排水抗剪強(qiáng)度低于20KPa的軟土地基完全可采用振沖碎石樁進(jìn)行處理，關(guān)鍵是施工中應(yīng)認(rèn)真執(zhí)行有關(guān)設(shè)計施工操作規(guī)范，并進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)分析，以確定最優(yōu)處理方案。
    2、某廠房內(nèi)地坪振沖碎石樁設(shè)計實例
    2.1工程概況
    汕頭市某廠房內(nèi)地坪用來承放高精密度機(jī)械設(shè)備，承載力要求僅為50KPa，但該機(jī)械設(shè)備對不均勻沉降非常敏感，初步設(shè)計采用架空地坪，即地坪與樁承臺連為一體。可是架空地坪造價太高且對機(jī)械設(shè)備的后期改良不利。應(yīng)業(yè)主邀請，筆者建議采用振沖碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，并就振沖碎石樁復(fù)合地基有關(guān)計算和施工參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計。共完成了振沖碎石樁3470根，39558米，填料量37185m3，碎石墊層約5000m3。
    2.2 場地土層情況
    場地土層自上而下為①素填土、耕作土；②淤泥：底面埋深為-12.56~-10.26,γ=15.9kN/m3,十字板抗剪強(qiáng)度多為10~13KPa，fk=40KPa；③粗砂：平均厚4.9m，γ＝20.2 KN/m3,fk=220 KPa；④淤泥：平均厚16.5m，γ=16.4KN/m3,            
    fk=50KPa；⑤粉質(zhì)粘土：平均厚3.0m，γ＝18.5 KN/m3,fk=110 KPa。
    場地地下水位高（±0.00），處理對象為上部②淤泥。③粗砂具一定厚度，且承載能力高，可作一般樁基持力層，但下臥④淤泥厚度大且強(qiáng)度低應(yīng)對其作承載力和變形驗算。
    2.3設(shè)計計算
    2.3.1確定加固范圍及復(fù)合地基承載力
    加固范圍取樁承臺內(nèi)8×8m 范圍，設(shè)計布樁14根，樁徑1.0m，三角形布樁，樁距2.50m,，行距2.20m，素填土及耕作土視作淤泥看待，加固深度11.4m至③粗砂層頂面，樁頂鋪設(shè)30cm碎石墊層。由fspk=［1+m(n-1)］fsk，m=d2/de2=0.14，fsk＝40KPa，n取4，計算得：fspk=56.8KPa。
    2.3.2計算假設(shè)
    a)加固深度內(nèi)全部為淤泥，地基土為各向同性；b)承臺內(nèi)8×8m 地坪范圍等效為矩形面積上均布荷載作用下的剛性基礎(chǔ)；c)樁長達(dá)硬層；d)無相鄰荷載影響。
    2.3.3地基受壓層計算深度
    按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GBJ7－89）計算，Zn=b(2.5－0.4Inb)=8×(2.5－0.4In8)=13.4m。
    2.3.4地基土自重應(yīng)力計算
    бcz1 = (15.9－10) ×11.4=67.26Kpa
    бcz2 =(20.2－10)×(13.4－11.4)+бcz1=87.7 KPa 
    2.3.5附加應(yīng)力計算
    бz0=50KPa
    l/b=1,z/b=3.35，查規(guī)范附表10－1得ac＝0.037
    бz1= 4acб0=4×0.037×50=7.4KPa
    2.3.6下臥層承載力及變形驗算
    бz1+бcz2=87.7+7.4=95.1KPa
    粗砂平均厚為4.9m，fk=220KPa＞95.1KPa，且бz1=7.4＜0.1бcz2=8.77KPa。對于軟土，基礎(chǔ)底面中心O點下深度Z處的附加應(yīng)力бz等于同一深度Z處的自重應(yīng)力бcz的0.1倍時，此深度即為地基受壓深度Zn，說明粗砂具足夠強(qiáng)度，Zn=13.4m也符合變形計算深度要求。
    2.3.7基礎(chǔ)中點下天然地基沉降量S
    粗砂變形可忽略不計，假定計算深度范圍內(nèi)全部為淤泥。規(guī)范公式簡化為：  
    S=ΨsPo(Z1  a1)/Es1
    Ψs－沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，由Es查表得；
    Po－基底面處的附加應(yīng)力，取50Kpa；
    Z1－為13.4m；
    a1－查范附錄十:附表10-2“矩形面積上均布荷載作用下角點的平均附加應(yīng)力系數(shù) a”,按應(yīng)力疊加原理l/b=4/4＝1.0，z1/b=13.4/4=3.35，查表得  a=0.12695，a1=4   a=0.508。
    Es1＝1.74Mpa；
    Es＝∑Ai/(∑Ai/ Esi), A1= z1 (a0+ a1)/2 , A2= (z2 －z1)(a1+ a2)/2，因為加固范圍內(nèi)全部為淤泥，故Es＝Es1＝1.74Mpa。查表內(nèi)插得Ψs＝1.45,計算：s=283.6mm
    2.3.8復(fù)合地基總沉降量（沉降折減法）
    Ssp＝βS
    β為沉降折減系數(shù)，0＜β＜1，β＝1/［1+m(n-1)］,
    m為置換率 ，n為樁土應(yīng)力比；
    S為天然地基沉降總量；
    Ssp為復(fù)合地基總沉降量。
    計算得：β＝0.70。
    Ssp＝βS =0.70×283.6=198.5mm
    2.3.9復(fù)合地基沉降穩(wěn)定時間
    振沖碎石樁復(fù)合地基變形的組成包括樁體自身沉降和樁間土的變形兩部分。樁體自身沉降是以樁柱體在荷載作用下的壓脹變形為主，對于樁間土的變形則是以壓縮變形為主。本工程設(shè)計復(fù)合地基置換率為0.14，即壓脹變形忽略不計，因此，變形可近似由樁頂變形和樁間土表面變形構(gòu)成。
    施工期間車輛碾壓、樁頂碎石墊層施工的碾壓作用和后繼填土施工時的碾壓作用、以及依靠墊層的流動補(bǔ)償性，樁頂變形和樁間土表面變形能在施工期間迅速均勻地進(jìn)行。經(jīng)測試結(jié)果表明，軟土在施工30天后排水固結(jié)完成，強(qiáng)度得到恢復(fù)，故振沖碎石樁復(fù)合地基一般在地基處理完后的30天即可完成80％沉降，剩下20％的沉降在加載后樁間土強(qiáng)度改善過程中完成（約三個月），半年后沉降趨于穩(wěn)定。
    2.4設(shè)計要求
    2.4.1設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)
    a)據(jù)填土荷載及機(jī)械荷載要求，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于50Kpa。
    b)根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工藝要求,工后沉降控制在25－30mm,且不出現(xiàn)差異沉降。
    2.4.2振沖碎石樁技術(shù)要求
    a)按內(nèi)地坪單元布樁，單元規(guī)格為8500×8500、8500×9000和9000×9000三種，每個單元布樁14根。樁徑φ1000，樁距2.50m，行距2.20m，樁長以達(dá)相對硬層粗砂層為準(zhǔn)，平均長11.4m。
    b)碎石樁施工采用ZCQ-30型振沖器，施工后樁頂鋪設(shè)碎石墊層，厚度為30cm。
    c)碎石材料采用未風(fēng)化φ30~80cm碎石，含泥量不大于5％。
    d)內(nèi)地坪處理范圍外加一排護(hù)樁，距外軸線2.0m布樁，護(hù)樁樁徑φ1000，樁距3.0m。
    e)密實電流暫定為45~50A，留振時間10~15S，具體施工參數(shù)經(jīng)試樁后確定。
    f)其他項目參照有關(guān)規(guī)范、規(guī)程。
    2.4.3設(shè)計檢測方法
    a)復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值采用單樁復(fù)合地基載荷試驗確定，試驗按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79－91）附錄一“復(fù)合地基載荷試驗要點”進(jìn)行。
    b)埋設(shè)沉降觀測桿和位移觀測樁，振沖碎石樁施工完后進(jìn)行觀測。觀測時間為一年，并根據(jù)觀測資料的分析，預(yù)測后期沉降和最終沉降。
    2.4.4施工注意事項
    a)施工前應(yīng)平整場地，鏟除雜草等，為方便施工，應(yīng)先鋪設(shè)50cm厚中砂墊層，施工平面不得低于地下水位。
    b)振沖碎石樁施工水壓不小于500KPa，水量不小于30m3/h。
    c)施工順序按“由外到里、兩邊往中間”的原則同時推進(jìn)施工。
    d)單位填料量不少于理論填料量，擴(kuò)散系數(shù)按1.2計，即0.785×1.2＝0.94m3，保證復(fù)合地基置換率。
    e)有關(guān)碎石樁施工允許偏差還應(yīng)符合《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ017－96）中相關(guān)規(guī)定。
    2.5試   樁
    樁長為11.0m，施工密實電流45~50A，留振時間10S，單樁耗碎石13.5m3，單位填料量約1.23m3/m，說明施工參數(shù)與設(shè)計樁徑相匹配。最后由設(shè)計、監(jiān)理、質(zhì)監(jiān)、施工單位及業(yè)主共同確定按原設(shè)計參數(shù)即：密實電流45~50A，留振時間10~15S進(jìn)行大面積施工。
    2.6處理效果
    2.6.1施工監(jiān)測
    在施工過程中，筆者使用了廣東有色地勘局九三二隊曹志明等研制的DC-3振沖監(jiān)測系統(tǒng)（一種帶數(shù)字分析模型的施工監(jiān)控與分析系統(tǒng)）對成孔與制樁進(jìn)行全程監(jiān)控，重點監(jiān)測振沖三要素：密實電流、留振時間和填料量。其中填料量計算方法采用每個振密段長（0.5m）對應(yīng)的成孔電流、密實電流和施工時間（該段成孔時間與振密制樁時間）聯(lián)立方程求解所得，對比人工記錄的填料量和總體耗填料量，誤差較小。將收集的數(shù)據(jù)按施工位置平均分四組，再從這四組數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽樣另組成一組數(shù)據(jù)，對此五組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，成果包括施工電流變化特征曲線、施工狀態(tài)分析和處理效果評述等。五組數(shù)據(jù)表明，振沖三要素基本一致（達(dá)到設(shè)計要求），平均樁徑φ115，場地整體施工狀況較為均一，處理效果良好。三要素統(tǒng)計結(jié)果見表1：
    表1    DC-3   振沖三要素統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析結(jié)果
        要素     組號    平均密實電流     I（A）  平均留振時間 S（s）  每米填料量 （m3）
 
                    1              50                                 12                         1.0
 
                    2              47                                 14                          1.2
 
                    3               50                                10                          0.92
 
                    4               43                                 12                          1.0  

                    5                55                                 10                          1.1
 
    2.6.2  施工要點：
    飽和軟土地基上施工振沖碎石樁，主要難點是成孔質(zhì)量問題和成樁時電流及留振時間難以達(dá)到設(shè)計要求，這都要在施工中采取有效的工藝措施來解決，主要方法有：
    （1）成孔：成孔速度宜慢，振沖器在成孔過程中應(yīng)保持懸垂?fàn)顟B(tài)，保證孔壁的完整和孔的垂直度；成孔時水壓不宜小于500kpa，水量不小于30m3/h，保證孔內(nèi)淤泥及其團(tuán)塊返出地面，保證填料的暢順，提高施工功效，還能保證樁體的排水固結(jié)作用不因樁體含泥量大而影響。為進(jìn)一步保證成孔質(zhì)量，終孔后必須進(jìn)行清孔1-2遍。
    （2）成樁：成樁時電流及留振時間難以達(dá)到設(shè)計要求，主要原因是碎石難以充分地到達(dá)預(yù)定位置。為解決這些問題，除成孔質(zhì)量要保證外，在成樁時還要根據(jù)不同的地質(zhì)條件，采取不同的成樁工藝。飽和軟土中主要解決填料工藝問題，規(guī)范要求采用“間斷填料法”，但在實際施工中，我們都采用“綜合填料法”，即在成樁過程中根據(jù)實際情況，有時采用“間斷填料法”，有時采用“不間斷填料法”，更多的是綜合此兩種方法，讓振沖器在孔內(nèi)不停地上、下串動進(jìn)行填料、振密和留振。此法能避免飽和軟土振沖碎石樁施工常見的“卡管”和“斷樁”現(xiàn)象，保證樁體連續(xù)性和密實度。
    （3）成樁過程中還應(yīng)注意密實電流和瞬間電流的區(qū)別，留振時間應(yīng)是“在穩(wěn)定密實電流下的持續(xù)時間。”
    2.6.3 檢測結(jié)果
    復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值采用單樁復(fù)合地基載荷試驗確定，按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-91）中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，根據(jù)碎石墊層在振沖碎石樁復(fù)合地基中的作用，要求試驗直接在碎石墊層上進(jìn)行。本工程共檢測4根樁，檢測結(jié)果見表2：
                                         表2      試驗結(jié)果匯總表

序號  試驗 點號  復(fù)合地基  極限承載力QU(Kpa)   大沉降(mm)  殘余沉降量(mm)   fspk對應(yīng)沉降量(mm)
                       承載力設(shè)計值fspk(kPa) 
 1    2A-9   50          ≥100               14.32               9.37              6.81  
 2    1N-6   50         ≥100                12.57               8.98              5.72
 3    13J-5  50         ≥100                  6.64               3.44              2.50
 4   17C-6  50         ≥100                11.98               6.66              4.32
 
    結(jié)果表明，總沉降量小，fspk對應(yīng)的沉降量極小（平均4.83mm），回彈率37.5%，Q—S曲線平緩，S—lgt 曲線呈平行規(guī)則排列，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值≥50KPa，完全符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和滿足工程要求。      
    該廠房地坪處理后，經(jīng)一年的沉降觀測，沉降在施工完后的三個月就已趨于穩(wěn)定，總沉降量較小（平均為151mm,小于設(shè)計計算量），各觀測點沉降較均勻。 說明經(jīng)振沖碎石樁處理后，沉降能很快完成，總沉降量較小，且無差異沉降。比設(shè)計預(yù)期效果還要好。
    3、振沖碎石樁與樁間土抗剪強(qiáng)度
    3.1工程應(yīng)用實例
    近幾年來，筆者在珠三角及沿海地區(qū)軟土地基上主持了許多振沖碎石樁的設(shè)計和施工項目，滿足了不同建筑類型的承載和變形要求，現(xiàn)列舉如下幾個工程事例：
    3.1.1華南路1標(biāo)振沖碎石樁工程：設(shè)計樁徑為60cm，樁長5m和6m，樁距1.3m，正三角形布樁，密實電流20~24A（實際施工為27~30A），留振時間10~15S（實際施工為3~5S），處理后復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于120Kpa。處理對象為上部淤泥、淤泥質(zhì)土，流塑~軟塑狀，Cu平均為9.20KPa。試驗直接在墊層上任取一點進(jìn)行，試驗表明處理后復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為150-205KPa，達(dá)到預(yù)期效果。試驗結(jié)果見表3：試驗結(jié)果匯總表。
    表3    試驗結(jié)果匯總表
   
序號  試驗 點號  承載力設(shè)計值Pa(kPa) 極限承載力QU(Kpa)  大沉降 (mm) 殘余沉降量(mm)  Pa對應(yīng)沉降量(mm)
  1  試驗   1  １２０  330  15.20  8.64  3.08 
  2  試驗   2  １２０  330  16.07  8.90  3.08
  3  試驗   3  １２０  300  14.42  8.13  2.74
  4  試驗   4  １２０  410  17.29  10.21  2.76
 
    3.1.2廣園東路碎石樁工程：場地地層主要為淤泥、淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)粉砂，含水量高、孔隙比高、具高壓縮性、呈流塑或松散狀。要求處理后復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于100KPa，在引道范圍不小于130KPa；設(shè)計樁長9.0m，樁徑80cm，樁間距1.6m，正三角形布樁，軟土不排水抗剪強(qiáng)度CU值為2.0~11.0KPa，平均為5.3KPa，天然地基載荷試驗結(jié)果僅為45KPa。共施工樁數(shù)14萬多根，約130萬延米，施工完后進(jìn)行單樁復(fù)合地基載荷試驗檢驗全部達(dá)到設(shè)計要求。
    3.1.3其他實例有：順德新港碼頭軟基工程，順德大學(xué)軟基工程，廣州東南西環(huán)高速公路軟基工程等等，總括起來，在珠三角飽和軟土地基上振沖碎石樁施工成功的樁數(shù)超過100萬根之多！
    3.2振沖碎石樁成樁及加固機(jī)理
    ⑴振沖碎石樁為散體材料樁，在軟土地基中是依靠碎石置換軟土，并形成高強(qiáng)度（相對軟土）的樁柱體來提高承載力和減小沉降，從而達(dá)到加固軟土的目的。
    ⑵碎石樁是依靠樁間土的側(cè)限阻力來成樁的，側(cè)限阻力與樁間土的巖土工程性能有關(guān)，直接關(guān)聯(lián)的是樁間土的不排水抗剪強(qiáng)度Cu值。
    ⑶由于碎石樁體壓縮性明顯小于軟土，基礎(chǔ)傳遞給復(fù)合地基的附加應(yīng)力隨地基的變形逐漸集中到樁身上，同時樁身產(chǎn)生側(cè)向變形壓迫樁間土，將應(yīng)力傳遞給樁間土，使樁、土共同作用將應(yīng)力向四周擴(kuò)散，這樣就形成一個大型的樁、土協(xié)作體。
     ⑷眾所周知，土具有兩個基本特性，即壓硬性和剪脹性，其中壓硬性是指土的強(qiáng)度和剛度隨壓應(yīng)力的增大而增大。軟土在振沖碎石樁施工時受巨大的水平振動力（大于軟土的結(jié)構(gòu)破壞壓力）擾動，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遭破壞，孔隙水壓急劇升高，抗剪強(qiáng)度降低；施工完后，隨上部應(yīng)力的增加，孔隙水壓力經(jīng)樁體消散，樁間土孔隙比變小，土顯著壓密，抗剪強(qiáng)度又開始恢復(fù)并比原來有所提高。故碎石樁體在軟土地基中充當(dāng)排水通道作用，使樁間土排水固結(jié)，強(qiáng)度提高，抵抗樁體側(cè)向變形能力更強(qiáng)，樁體應(yīng)力集中更明顯，達(dá)到樁、土協(xié)調(diào)一致，提高了復(fù)合地基強(qiáng)度。
    3.3實踐總結(jié)與分析
    其實在不排水抗剪強(qiáng)度低于20KPa的軟土地基上采用振沖碎石樁處理成功的工程實例不勝枚舉，如：天津塘沽長蘆鹽場第二化工廠廠房軟基，珠江電廠軟弱淤泥地基以及近期廣州國際會展中心周邊道路1~4標(biāo)等等。對于上節(jié)3.1.1和3.1.2工程實例若按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—91)有關(guān)經(jīng)驗公式計算是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計要求的，如3.1.1中按規(guī)范計算復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：fspk=［1+m(n-1)］fsk，m=d2/de2=0.62/(1.05×1.3)2=0.19，n取4，fsk取60KPa計算：fspk=94.2KPa(<120kpa)。而3.1.2中也是與設(shè)計相差懸殊：m=d2/de2=0.82/(1.05×1.6)2=0.23，n取4，fsk取45KPa，計算得： fspk=76KPa(<100KPa)，但是靜載結(jié)果大多還超過120KPa。筆者在以上及其他同類工程研究總結(jié)認(rèn)為，軟弱地基上采用振沖碎石樁關(guān)鍵應(yīng)做到：精心設(shè)計，合理組織，認(rèn)真施工，嚴(yán)格把關(guān)，規(guī)范監(jiān)理。在選擇施工隊伍時特別是試驗樁施工應(yīng)選擇具豐富施工經(jīng)驗的隊伍。
    振沖碎石樁是靠振沖器的水平振動力來制樁，樁間土不同的Cu值對應(yīng)于不同的密實電流、留振時間和樁徑。實踐證明，只要能達(dá)到一定的密實電流和留振時間即樁體和樁間土之間能達(dá)成一力學(xué)平衡，且不產(chǎn)生“串樁”現(xiàn)象就可采用振沖碎石樁工藝，取舍在于與其他工藝作經(jīng)濟(jì)對比是否合理。施工參數(shù)一般認(rèn)為：留振時間3~5S為宜，1米樁徑時一般為10S；密實電流多為30~55A，為保證樁體密實度，設(shè)計樁徑宜大于80Cm。
    4、結(jié)語
    （1）實踐證明，只要在不排水抗剪強(qiáng)度小于20KPa的軟弱地基上能夠成樁就可采用振沖碎石樁處理。采用振沖碎石樁時宜計算驗證復(fù)合地基是否符合承載力和滿足沉降要求，并作經(jīng)濟(jì)對比核算進(jìn)行取舍。
    （2） 設(shè)計振沖碎石樁可用規(guī)范法進(jìn)行變形驗算和采用經(jīng)驗公式計算復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，然后用沉降折減法計算復(fù)合地基總沉降量。
    （3）規(guī)范法進(jìn)行振沖設(shè)計偏于保守，振沖碎石樁理論的研究明顯落后于工程實踐，亟待新的試驗方法對其進(jìn)行研究。

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