砂石桩法在某大型水利工程中的应用

王文鹏,杜绪

(1.北京振冲工程股份有限公司,北京 100102;2.河北省地矿局探矿技术研究院,河北燕郊 065201)

1 概述

碎石桩、砂桩和砂石桩统称为砂石桩,是指采用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后,在将砂或碎石挤压入已成的孔中,形成由砂石构成的密实桩体。砂石桩用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土以及杂填土的地基处理。饱和软粘土地基上对于变形控制要求不严的工程也可采用砂石桩置换处理,砂石桩法对于液化地基的处理有较为明显的效果。

砂石桩法用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土以及杂填土,主要是依靠桩的挤密和振动,使桩周土的密实度增加,从而降低土的压缩性,提高地基承载力。对于软土地基的处理,砂石桩较难发挥其挤密效应,主要通过置换作用和软土形成复合地基,砂石桩为软土的固结排水提供通道,加速软土的固结,从而提高软土的地基承载力。

采用砂石桩进行地基处理时,应充分调查砂石料的储量、材料性能、运距,并应了解施工所用的设备和施工方法。对于粘性土地基,应有地基土的不排水抗剪强度指标,对于砂性土和粉土地基应有地基土的天然孔隙比,相对密实度或标准贯入试验锤击数等指标。

2 工程概况

2.1 工程简介

某工程北岸渠道区域为填方渠段,填方高度较大。渠基主要由alQ24砂层组成,表层有0.80～6.0m的砂壤土或壤土,渠基上部地层为粉砂、细砂,呈松散状态,地下水位较高,地基土存在砂土震动液化问题;北岸明渠段桩号9+336.47～10+208段为中等液化区;桩号10+208～12+308段为中等～严重液化区,大部分区域地层的相对密度在0.3～0.7之间,且浅表层砂壤土(壤土)、粉细砂承载能力较低,渠基需采取加固处理。所在区地震烈度为7度。地下水位埋深为3.7～5.3m。

2.2 设计要求

布桩形式:采用正方形布桩形式;桩间距2.5m;渠道基础要求承载力较高,设计砂桩直径800mm,渠间基础设计砂桩直径600mm。

桩长:砂石桩长根据建筑物对地基变形的要求、地层情况、液化土层的埋深因素综合确定,有效施工桩长6.7m。

桩体材料:成桩材料分别为中粗砂混合料,砂料的细度模数2.8以上。

处理后要求:处理后场区不发生液化;处理后砂层相对密度不小于0.7。

2.3 砂石桩施工过程

振动沉管法砂桩的施工过程见下图。

2.4 施工情况简介

φ600、φ800两个施工区桩间距均为2.5m,分别采用DZ60、DZ90型振动锤沉管砂桩桩机设备进行施工。

图1 成桩过程示意图

φ600造孔时间在3～10分钟,正常施工一根桩约20～30分钟不等,以 7.8m桩长为例,填料量为2.4方,充盈系数为1.09,在1.05～1.1之间。底部1.0～1.5m一般反插3次,2.0～4.0m砂土造孔时较困难,因此挤密速度较快;地面以下0.0～2.0m,为①层耕土,②层粉土,原状土物理力学性质较差。整个施工过程中要求加密电流不小于80A,φ600试验桩施工过程中问题不大,施工较顺利。

φ800的试验桩充盈系数在1.05左右,在开始两排施工正常,施工完一个孔约在40分钟左右,后排的桩孔位施工时造孔开始出现困难,说明挤密砂桩施工后对于地基土的挤密作用明显。

3 施工中遇到的问题及原因分析

(1)施工处理后地面比施工前地面下沉10～30cm,在振动作用下土的孔隙比减小,砂土的相对密实度大幅提高。施工后地表沉降是这种挤密效果比较好的宏观表现。φ600桩径区域地面沉降较小,φ800桩径区域地面沉降较大,分析主要原因是该地层可加密性很好。φ800施工用振动锤振动力大,砂桩地基处理的挤密效果比φ600砂桩较好。

(2)根据施工情况及检测结果,本试验采用的施工工艺科学合理,但因施工过程中遇到了后期成孔桩体难以成孔,可见试验施工采用的排打法不适合大面积施工应采取的施工顺序,大面积施工应采取跳打进行。

(3)②层下粉细砂层加密效果较好,采用φ800桩径施工,由于施工设备振动影响范围大,加密后后期桩体造孔达到设计深度要求困难,难以施工,为保证工程能正常施工,建议将φ800桩径区域改为φ600,桩距不变,在2.5m正方形中心加设φ600短桩,桩长不少于3m,穿过②层粉土尽可能深的进入③层粉细砂。经过加短桩处理范围内砂桩置换率将不小于φ800桩径的置换率。

(4)表层砂壤土强度低,振密效果较差,该层在上覆压力、侧限压力小的条件下,填料加密后处理效果不明显。

(5)相对密度检测和标准贯入检测均能够进行液化判定,但因砂层取原状样受到取样设备,取样工艺等的限制,相对密度的结果与标准贯入检测存在不符之处,一般相对密度的计算结果比实际小。故同类工程砂层的液化判定应以标准贯入确定为主,相对密度指标为辅。

4 施工效果检测

4.1 桩间土加固效果检测

桩间土处理前,处理后地基土承载力采用标准贯入和静力触探试验确定。检测成果见表1、2。

表1 试验前地基土承载力特征值一览表

表2 试验后地基土承载力特征值一览表

桩间土经砂桩处理后,各土层承载力特征值:粉土为120kPa,粉砂为160kPa,细砂为粉砂170kPa,中砂为180kPa,比天然地基土均有所提高。

4.2 砂土的相对密度

(1)计算公式

处理后的砂层相对密度不小于0.7。相对密度用 D r表示:

式中:e0——砂的天然孔隙比;

ρd——要求的干密度或天然干密度(g/cm3)。

具体计算取值及计算结果见表3。

(2)相对密度的分析评价

表3 处理后砂土相对密度计算表

图2 处理前后相对密度散点图

根据表3分析,本场地经过挤密砂桩处理后,相对密度提高幅度很大,处理后两个试验区域最小的相对密度为0.7722,均满足处理后砂土地基相对密度不小于0.7的设计要求。为了更直观的说明问题,将检测试验中各试件的相对密度都进行了计算并汇总形成表格,绘制成图(图2)。处理前后相对密度散点图。从图中可以看出,在砂桩处理前,取样12件,相对密实度在0.7以上的只有2件,占16.7%;在砂桩处理后,取样20件,相对密实度在0.7以上的达到17件,占85.0%。从单件试样的统计结果也说明了砂桩处理后获得了良好的效果,砂土地基的相对密度整体上得到了提高,而且提高幅度比较大。

4.3 标准贯入试验检测

(1)标准贯入试验检测数据统计

在试验前后,在场地进行了标准贯入试验,总体统计结果见表4。表层粉土提高幅度不明显,在砂土层中击数有明显提高,说明挤密砂桩在该场地中处理效果良好。

(2)砂土液化判定

当饱和砂土的实测标贯击数 N(未经杆长修正)小于其标贯判别的临界贯入击数 Ncr时,应判为可液化土,否则为不液化土。Ncr可采用下式计算

式中:ds——饱和土标准贯入点深度(m);

dw——地下水埋深(m),取 dw=0;

ρc——土的粘粒含量(%)。ρc＜3时,取ρc=3;

N0——液化判别标贯击数基准值,取 N0=6。

采用标准贯入试验评价地基土是否液化,对各钻孔每个标贯点分别进行计算,根据相关抗震规范,对处理前和处理后各标贯段进行了液化判定,处理前后标准贯入击数散点图,见图3。根据图表分析,经过砂桩施工处理后,地层抗液化能力得到了很大程度上的提高。

表4 处理后标准贯入击数统计表

图3 处理前后标准贯入击数散点图

5 结论与建议

从抗液化角度考虑,砂性土地基处理,宜采用振动沉管砂桩法。砂桩复合地基由于桩体对周围土体的挤密作用及自身排水作用明显,周围土体结构强度较大,孔隙水压力迅速消散,经砂桩处理后砂性土层的相对密度满足设计不小于0.7的设计要求,处理深度范围内的砂层消除液化。砂桩复合地基处理大型工程的砂层具有很强的适应性,安全性,经济性。

[1] 常士骠,张苏民.《工程地质手册(第四版)》.北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2] 叶观宝,高彦彬.《振冲法和砂石桩法加固地基》.北京:机械工业出版社,2004.