振冲法对黏土下卧层加固效果研究

吉春明

1 振冲加固法的特点

振冲法又称振动水冲法,是以起重机吊起振冲器,产生高频振动的同时启动水泵,通过喷嘴喷射高压水流,在边振边冲的共同作用下,将振动器沉到土中的预定深度,经清孔后,从地面向孔内逐段填入碎石,使其在振动作用下被挤密实,在地基中形成一个大直径的密实桩体与原地基构成复合地基,是一种快速、经济有效的地基加固方法;由于其独特的工艺特点,振冲法不仅可以提高地基承载力、增强稳定性、减少沉降量,同时在密实度较差的砂性土层使用时,还可显著地增强其抗震性能,消除液化。

但是振冲碎石桩还有一个作用容易忽略,就是土层置换的作用,尤其是在处理下卧层时,其上的硬壳层如换填,太浪费;若采用深层搅拌法,施工困难。此时采用振冲法能起到加强下卧层承载力及弹性模量的作用。

2 振冲法加固的效果研究

2.1 工程原始条件

某工程地基土主要由上更新统冲、湖积成因的粉质黏土、黏土等组成。勘测深度范围内的地基土层及基础埋深示意图见图1。

2.2 加固目的

根据厂址区地基土的埋藏条件、岩土特性和建(构)筑物结构的特点,对主厂房、烟囱等荷载较大,且对沉降要求严格的建(构)筑物须进行地基处理。其主要目的是对地基⑤号土层进行加固处理,以提高地基承载力及减少沉降。

本工程⑤号土层较深,不宜换填,上部④号土层性状很好但Ip＜25,根据文献[1]11.1.2水泥搅拌桩施工困难不宜采用,经分析比较,确定采用大功率振冲碎石桩浅层加固的复合地基处理方案,此方案既可加固层⑤,又不破坏层④的性状,适合本工程实际情况。

2.3 施工方案

主厂房基础埋深为-4.50 m(相对于主厂房±0.00 m),因此,碎石振冲桩的试验层面标高为-4.50 m。试桩机具的振冲器的功率为75 kW。

基桩设计参数如下:振冲碎石桩的桩径为1 000 mm,Ⅰ试桩区桩距为2 000 mm,Ⅱ试桩区桩距为1 800 mm,均按正方形布桩,桩端深入层⑥黏土与粉质黏土互层1.50 m,并在振冲碎石桩的试验层面标高上预留约1.50 m高的振密效果不佳的桩头,在做载荷试验前挖除。

2.4 施工工艺和施工参数的控制

实际施工中,桩位定位偏差在30 mm～50 mm内,振冲器就位偏差在60 mm～80 mm内,造孔深度偏差在+200 mm内;桩体材料采用含泥量不大于5%的新鲜碎石,粒径为40 mm～150 mm;采用连续投料法,每次投料孔内高度不超过 600 mm,加密段长400 mm～500 mm内,一般为 400 mm;按 1次/m记录振冲器造孔的水压、时间、电流和振密电流、加密水压、留振时间、填料量。

振冲桩施工顺序按直线逐点逐行进行。

施工参数的分析:1)填料量:单桩投料量为10.9 m3,平均每米填料量在1.03 m3～1.07 m3范围内。2)振密电流:95 A;留振时间:15 s;密段长:400 mm～500 mm,振密水压0.4 MPa。3)造孔水压0.6 MPa,造成孔时间大于5 min/m。4)成桩时间:平均为90.2 min,其中造孔时间为60 min,清孔时间为3 min,加密时间为27 min。5)实测桩径:桩径在800 mm～910 mm范围内。试桩结束后,对6根桩进行了人工局部开挖,实测1 m范围内桩径为810 mm～926 mm。对照试桩区地层剖面图分析,这是桩体在层④中的桩径,估计进入层⑤后的桩径大于层④内的,能达到1.0 m。

2.5 荷载试验

本次试验含单桩复合地基、单桩和桩间土静载荷试验各6组(桩间距2.0 m×2.0 m的试验Ⅰ区及桩间距1.8 m×1.8 m的试验Ⅱ区各3组),18组试验均严格按照文献[1]附录A“复合地基载荷试验要点”的要求进行。

2.5.1 荷载试验前期准备

试验加载方式采用慢速维持荷载法,压重平台反力装置(复合地基荷载试验总堆载量为4 000 kN,单桩载荷试验总堆载量为1 500 kN,桩间土载荷试验总堆载量为800 kN)。安装过程中采用水平尺校验主、次梁的水平状况,保证了荷载沿压板中心轴向传递。单桩复合地基加载级差300 kN,最大加载量控制在3 300 kN内;单桩加载级差80 kN～100 kN,最大加载量控制在800 kN内;桩间土加载级差40 kN,最大加载量控制在360 kN内。首级加载加倍。

2.5.2 荷载试验结果汇总

1)复合地基承载力特征值及变形模量见表1。

表1 复合地基承载力特征值及变形模量计算汇总表

表1中的变形模量是按静载荷试验的成果计算得到的,是压板影响深度范围内的复合地基的变形模量,由于本次试验的压板尺寸为2 m×2 m和1.8 m×1.8 m,经计算它们的压缩层厚度分别为 3.6 m和 3.3 m,其最大影响深度仅3.6 m,因此,表 1中的变形模量是层④和厚度约2.5 m的层⑤的综合值,不在影响深度范围的层⑤,它虽经振冲法加固,承载力和变形模量有所提高,但变形模量达不到表中的值。

2)碎石桩和桩间土承载力特征值及变形模量见表2。

表2 碎石桩和桩间土承载力特征值及变形模量计算汇总表

从表2中可见,尽管桩间距不同,但单桩的变形模量及桩间土的变形模量基本一致。

3)桩土应力比较结果见图2,图3。

Ⅰ区桩土应力比在1.16～2.41之间;Ⅱ区桩土应力比在1.56～2.42之间。分析上述图表可见,随荷载的增加,桩土应力比逐步增大,桩承担了更多的压力,桩逐步发挥作用。在Ⅰ区,对应极限荷载时的桩土应力比约2.38;在Ⅱ区,对应极限荷载时的桩土应力比约2.19,表明桩间土的性质较好,同时也说明桩的承载力仍有发挥的余力。

3 结语

1)拟建场地采用振冲碎石桩施工是可行的。2)试验Ⅰ区(桩间距2.0 m×2.0 m):单桩复合地基承载力特征值采用315 kPa,对应的变形模量为27.5 MPa,单桩承载力特征值为640 kPa,桩间土承载力特征值为320 kPa。3)试验Ⅱ区(桩间距1.8 m×1.8 m):单桩复合地基承载力特征值建议采用为330 kPa,对应的变形模量为30.2 MPa,单桩承载力特征值为646 kPa,桩间土承载力特征值为320 kPa。4)桩土应力比试验表明荷载较大时,桩体可承担更大的荷载,有利于减小沉降。5)施工后地基土的承载力特征值及弹性模量均有显著提高,根据后期检测结果主厂房及烟囱地区的沉降均满足要求,达到了预想的加固效果。

[1] JGJ 79-2002,建筑地基处理技术规范[S].

[2] 李鹏远,赵永久.振冲碎石桩在软土挡墙地基处理中的应用[J].山西建筑,2009,35(14):107-108.