袋装砂井在市政道路软基处理中的应用探讨

2011-04-04陈铭能

科学之友 2011年14期

陈铭能

（佛山市市政建设工程有限公司，广东佛山 528000）

随着科学技术的发展，工程技术人员开发并应用在处理软土路基时的新技术和新方法越来越多。但是各种新技术及新方法都必须要经历一个验证过程，从而导致诸如施工工艺不够完善、质量难于控制等问题暂时无法解决。由于袋装砂井具有改善普通砂井在处理软土地基时的弊端、施工简单和能够加快地基的固结等特点广泛应用于处理软土路基上。

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，饱和软黏土随着孔隙水压力的消散，地基就会产生排水固结、孔隙比减小，从而抗剪强度得到相应的提高。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，尽快提高地基强度。

1.1 软土的定义及其物理力学指标

软土是指近代水下沉积的饱和黏性土，具有含水量大、渗透性弱、天然强度低、压缩性高等特性。其物理力学指标为：天然含水量：wn≥wl；天然孔隙比：e0＞1.0；压缩模量：Es＜4 000 kPa；渗透系数：k＜1×10－6cm/s；不排水抗剪强度：Cu＜30 kPa。

1.2 袋装砂井的作用

根椐固结理论，软黏土固结所需时间的长短与其相对排水距离的平方成正比。为了加速地基的固结，最有效的方法就是增加土层的排水途径。袋装砂井就是为此目的而设置的。

2 工程概况

佛山市季华西延道路工程在 K0＋130～K1＋800桩号段，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8.0 m，经勘测主要地质条件为亚黏土0.6～1 m，含水量35%～40%，孔隙比1～1.2，压缩模量4.0～5.0 MPa；淤泥质粉质黏土7～9 m，含水量58%～60%，孔隙比1.7～1.9，压缩模量5.0～7.0 MPa，标贯击数3～5击，该层较松散，夹淤泥质亚黏土夹层；淤泥质亚黏土7～17.5 m，含水量42%～55%，孔隙比1.3～1.4，压缩模量3.0～5.0 MPa，标贯击数1～3击；中粗砂层在17.5 m以下。袋装砂井采用正三角形均布，直径70 mm，间距为1.3 m。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：

Sc＝［（e0－ei）/（1＋e0）］H

式中，e0：软土压实前孔隙比；

ei：固结后空隙比，由e—logp曲线求得；

H：软基压实层层厚。

由于本段软土地基的下卧层为黏土，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。

径向平均固结度可根据公式：

式中，Ur：径向排水固结度；

Th：径向排水固结度的时间因素。

其值为：Th＝（Ch/d2e）×tCh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：

△S＝S－St＝（1－U）S 计算，△S＝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0.5 mm的砂的含量宜占总重的50%以上，含泥量小大于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，并按设计厚度50 cm，用压路机或推土机稳压3～4遍分层整平、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30 m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，准备一个比砂井设计长度还要长2 m左右的砂袋，下端放入20～30 cm左右的砂子作为压重。

（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Φ4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（Φ 70）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2 m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。