袋装砂井在公路工程软基处理中的应用

朱广幸 魏荣华 韩 燕

袋装砂井在公路工程软基处理中的应用

朱广幸 魏荣华 韩 燕

结合袋装砂井的作用机理,以佛山市和顺—北滘公路主干线工程为例,介绍了袋装砂井在公路工程软基处理中的应用,分别阐述了袋装砂井的沉降和稳定计算、施工工艺及质检方法,以期指导实践。

袋装砂井,公路工程,软土地基

袋装砂井加固软土地基法属于垂直排水加固地基法,是在砂井和砂桩的基础上发展而来的。普通砂井在处理软土地基时,如果地基变形过大或施工质量稍差,就会出现砂井被挤断,不能保持砂井在软土中排水通道的畅通,影响加固效果;由于袋装砂井改善了普通砂井在处理软土地基时的弊端,而且施工简单,加快了地基的固结,因此得以广泛采用,并取得良好的经济和社会效益。

1 袋装砂井的作用机理

在软土地基上填土时,软土地基在荷载的作用下失去了原有的平衡,饱和软粘土随着孔隙水压力的消散,地基就会产生排水固结,孔隙比会减小,从而抗剪强度会得到相应的提高。因此通常在预压时先在地基中设置砂井之类的排水体,将土内的水分排除,尽快地提高地基强度。

2 工程概况

佛山市和顺—北滘公路主干线某合同段,K 4+596～K4+728软基处理采用袋装砂井 +砂垫层+土工格栅 +吹填砂预压的方式,该段特殊路基设计平均处理深度为 8.0m,经勘测主要地质条件为亚粘土 0.6m～1m,含水量 35%～40%,孔隙比 1～1.2,压缩模量 4.0MPa～5.0MPa;淤泥质粉质粘土 7m～9m,含水量 58%～60%,孔隙比 1.7～1.9,压缩模量 5.0MPa～7.0MPa,标贯击数3击 ～5击,该层较松散,夹淤泥质亚粘土夹层;淤泥质亚粘土 7m～17.5m,含水量 42%～55%,孔隙比 1.3～1.4,压缩模量 3.0MPa～5.0MPa,标贯击数 1击 ～3击;中粗砂层在 17.5m以下。袋装砂井采用正三角形均布,直径 70mm,间距为 1.3m。砂砾垫层厚为50 cm。

3 沉降和稳定计算

3.1 沉降计算

总沉降包括瞬时沉降 Sd、固结沉降 Sc和次固结沉降 Ss三部分。本段软土为单一软土层,因此其主固结沉降量可由公式计算：

其中,e0为软土压实前孔隙比;ei为固结后空隙比,由 e—logp曲线求得;H为软基压实层层厚。由于本段软土地基的下卧层为粘土,故软土层的固结排水属于单面排水情况。

由上式计算得 Sc=59 cm,Sd=8 cm,沉降量 S=Sc+Sd=67 cm。

其中,Ur为径向排水固结度;Th为径向排水固结度的时间因素,其值为：Th=(Ch/d2e)t,Ch为水平向固结系数,n为井径比;de为每一个砂井有效影响范围的直径,dw为砂井直径。

利用Ur和 Th的关系曲线图计算出固结度达到 80%时所需的时间为 290 d。

工后剩余沉降量由公式 ΔS=S-St=(1-U)S计算,ΔS=S-St=(1-U)S=22 cm。

3.2 稳定计算

利用条分法对打砂井前后的路基滑动面进行稳定验算,比较其安全系数。路基滑动破坏安全系数由下式计算：

经计算,打砂井前后路基滑动破坏最小安全系数分别为1.38和 1.06,说明打砂井后路基是稳定的。

4 袋装砂井施工

4.1 机具设备

机具为导管式振动打桩机,在行进方式上普遍采用的有轨道门架式、履带臂架式、吊机导架式等。灌砂采用自制的灌砂架。

4.2 材料

袋装砂井的砂袋选用聚丙烯或其他适用的编织料制成,抗拉强度应能保证承受砂袋自重,装砂后砂袋的渗透系数应不小于砂的渗透系数。砂袋中的砂采用渗水率较高的中、粗砂,大于 0.5mm的砂的含量宜占总重的 50%以上,含泥量不应大于 3%,渗透系数不应小于 5×10-3cm/s。

4.3 施工工艺

在完成清表后,清理平整路基,使之具有合格的平整度和路拱度 2%。用自卸汽车将质量合格的中粗砂运至施工试验路段,选用适宜的机具按设计厚度 30 cm分层整平、压实。砂垫层施工过程中,严防尘土、泥土和杂物污染,对受到污染的部分必须返工或更换。砂垫层的高程、厚度、干密度、平整度渗透系数也应必须符合设计要求。

根据设计图纸的边线坐标,闭合导线点进行放样,采用全站仪,每 30m定出袋装砂井大样,以后用钢尺打袋装砂井的每根桩位。

1)机具定位：根据袋装砂井布置范围及间距,现场采用小木桩或竹板桩准确定出每个砂井的位置,在套管入土时再将其拔掉。定位时要确保桩锤中心与地面定位在同一个点上,并用经纬仪或其他观测办法控制桩锤导向架的垂直度。打桩机底支垫物要平稳牢固。2)裁制砂袋：根据试打后确定的深度,考虑外露长度和两头打结长度,砂袋长度按规范要求裁制。3)灌砂：砂袋内的砂采用自制的灌砂架(简易单柱门架)配合装砂漏斗靠其自重灌入,灌砂架采用 φ100～φ150钢管制成,其净高度应大于设计砂袋砂井长度的一半加装砂漏斗高。漏斗采用钢制,确保其容量不小于 2个 ～4个砂袋灌砂量,漏斗采用 0.5 t卷扬机提升,漏斗底设 4个 φ55漏口与砂袋口(φ70)连接绑扎牢固,砂袋露天堆放应有遮盖,切忌长时间暴晒,以免砂袋老化。4)安装套管与桩尖：套管顶端要有便于起吊的吊钩或吊环,并在套管上划出控制标高的刻度线。如套管接长时,在打设前要试接,要求连接处平顺密封。活瓣式桩尖固定在套管上作为一个整体,套管的定位是利用桩机上的起吊设备使其吊起,上端送入桩帽中,下端扶住准确安插在定位点上。5)套管打入：当套管吊起定位后可开锤施打,开始时落锤要轻缓,防止套管突然偏斜。套管入土深度距设计深度约2m时,控制锤击频率,防止超深,垂直度小于 1.5%,桩位偏差小于 15 cm。6)下砂袋：砂袋运输要用专门的运送工具,严禁在地上拖拉。并防止砂袋发生扭结、缩颈、断裂和磨损。下砂袋时,在套管口设置滚轮或滑槽,将砂袋缓慢顺直地放入套管中。7)振动拔管：砂袋到位后起拔套管,起拔时连续缓慢进行,中途不得放松吊绳,防止砂袋回带及因套管下坠而损坏砂袋。砂袋留出孔口长度保证伸入砂垫层 30 cm,并不卧倒。

5 袋装砂井质量检验及效果

袋装砂井施工质量的好坏直接关系到软基处理的效果,因此,除施工部门要严格遵照施工工艺和施工质量控制的要求操作外,还要不定时的进行抽查。

井径和井长施工完成后检测相对比较困难,常用的方法有挖验法、拔桩法、工程钻探法和冲水拔袋法等。几种检查方法各有优缺点,在进行现场实际比对后决定采用冲水拔袋法,此种方法检验精度可靠,消除了断井现象。

冲水拔袋法的工作原理是用高压水冲袋装砂井内的砂,砂在高压水作用下,泛出地面造成空井,减小土对砂井的握裹力,然后拔出砂袋测定井深,以此来检测施工质量。

6 结语

经过施工对比,袋装砂井相对于普通砂井,有用砂量少、施工方便、快捷,防止砂井在施工过程中被挤断和扭曲,质量容易控制的优点,而且可以增大地基的抗剪强度。另外,为保证砂袋的密实,灌砂时必须采用二次吊振,吊装后空袋用人工二次补灌,以此来达到砂袋的密实,防止塌孔或断井;一般袋装砂井的井间距以1.0m～1.5m为宜。袋装砂井桩管拔出时,拔管速度应控制在1m/m in～1.5m/min,以保证砂桩密实,同时防止带出砂袋,如果出现砂袋带出,分析其原因,若是套管内外压力差的问题,在套管上提前,向套管内注水,注水量视软土地基情况和井深,经试验确定;若是桩靴问题,则更换桩靴。拔管后立即对桩头空袋用人工补灌,并扎好袋口,将砂井周围空隙用砂填实,整理好桩头,用编织袋覆盖,以防编织砂井袋老化。

[1]刘 勇.公路工程软基处理技术探析[J].山西建筑,2009,35(18)：292-293.

On application of bag-sand well in road project's soft foundation treatm ent

ZHU Guang-xing WEIRong-hua HAN Yan

Combining with the working princip le ofbag-sand well,the paper,taking themain line projectof Heshun-Beijiao road in Foshan,introduces the application of bag-sand well in road p roject's soft foundation treatment,and illustrates the settlementand stability calculation,the construction craftand quality checkingmethods of bag-sand well,so as to direct the practice.

bag-sand well,road project,soft-soil foundation

U 416.1

A

1009-6825(2011)03-0158-02

2010-10-12

朱广幸(1978-),男,助教,泰山职业技术学院,山东泰安 271000

魏荣华(1956-),男,讲师,白城师范学院,吉林白城 137000

韩 燕(1981-),女,助教,泰山职业技术学院,山东泰安 271000

桥隧工程