某电厂钢筋混凝土烟囱锤击沉管碎石桩处理地基实践

□□

(山西煤销集团 基建部，山西 太原 030024)

引言

某矿区自备电厂钢筋混凝土烟囱高100m，出口直径3m，其直径15m的圆形钢筋混凝土基础埋深4.5m，基底绝对标高517.4m，烟囱总质量达1 650t，设计地基承载力标准值fk=240kPa，工程按抗震烈度8度设防；烟囱主要持力层范围赋存有2.5m厚的饱和细(粉)砂液化层和1.5m厚的饱和粉土液化层，液化指数IIE=7.9，属中等液化地基，液化土层的承载力标准值仅为120kPa。为此，设计要求处理后地基消除液化，承载力达到240kPa，根据地质条件和施工能力，决定采用锤击沉管桩处理烟囱地基。

1 地质条件

烟囱地段系汾河一级阶地，冲、洪积物构成，场地自然地坪标高521.9m，地层自上而下依次为：①层和②层因施工被挖除，已无工程意义；③层为黄土状粉质黏土，厚2.8m，天然孔隙比0.77，a1-2=0.24mPa-1，属中等压缩性，δs=0.015，已不具失陷性，土体呈现硬塑状态，f0=200kPa；④层为粉细砂层，含土量约10%，地下水位于土层下半部512.6m，土质呈中密状态，平均厚度4m，其上部稍湿，饱和度Sr=41%，fk=200kPa，下半部2.5m饱和度Sr=82%，fk=120kPa；⑤层为粉土，约1.5m厚，饱和度达87%，f0=120kPa；⑥层为卵石层，钻10m深未穿透，承载力标准值350kPa，且电厂场区内发育广泛，是理想的桩尖持力层。

2 地基加固原理

(1)采用锤击沉管打桩施工工艺，既能起到振动挤密土层的作用，消除饱和土的液化性，又能起到振冲置换桩的作用，提高软弱土承载力[1]。

(2)利用成孔时打桩机重锤夯击套管将原土挤向桩孔四周和成桩时锤击芯管将石子向桩孔周围挤扩这两个过程的挤密和振动作用，使得土体的结构颗粒得以重新排列、级配改善，在设计上考虑减小桩径，加密桩距的方案。

(3)桩体贯穿③层至⑤层土，落在稳定的⑥层卵石层上，处理后形成复合地基，荷载作用下桩体产生应力集中，并与周围挤密的土体共同承载，从而提高了地基承载力，降低了土层的压缩性。另外，碎石桩在地基加固过程中还起到竖向排水降压通道的作用，促进孔隙水压力的消散，提高了饱和土排水固结的能力。

3 锤击沉管碎石桩的设计与施工

碎石桩采取满堂正三角形布置，设计桩径为Φ450mm，排距为866mm，桩距1 010mm，平均桩长7.5m，进入⑥层卵石层0.5m，置换率为0.18，共设置碎石桩408根，处理范围超出基础边缘≮2m。灌注材料选用粒径2～5cm的碎石和粗砂水泥，桩顶40cm选用纯石子封顶，要求碎石和粗砂的含泥量<10%。

碎石桩施工采用锤击沉管法，以贯入度和充盈系数两项指标双控打桩，这是因为烟囱地基既要提高承载力(贯入度控制)，还要消除液化性(填料量控制)。施工自中心线向左右两侧半排一个循环展开，前后分3段完成，如图1所示。

该工程从1990年5月6日开始打桩至7月31日结束，历时86d，实际施工43d。施打73号桩至92号桩期间发现打桩至5m左右时，桩底普遍坚硬难下，经分析这种情况与第⑤层粉土的分布有关，因勘查时除烟囱中心的S17钻孔外，附近20～50m范围的4个钻孔(或探井)均未揭穿该粉土层，考虑是粉土层局部存在且厚度不一。经协商，决定以最后10锤贯入度均<10mm确定桩底标高，后期施打的316根桩基本为5.1m。打桩结束后基槽普遍隆起，8月上旬验桩后即挖除40cm高的桩顶，换填80cm厚碎石粗砂垫层(体积比为2∶1)。1990年施工烟囱至21m高，1991年末竣工，1992年投入使用，至今使用良好。截至1992年10月的沉降观测结果显示，3个点分别下沉10mm、12mm和12mm，沉降均匀、稳定。

图1 锤击沉管打桩施工分布图

4 碎石桩检测结果

碎石桩共做了3组试验，桩体采用N120超重型动力触探仪测定，桩间土测试采用标准贯入试验、钻孔取样进行测定。

4.1 单桩承载力标准值fpk

采用N120超重动力触探测定的碎石桩最小平均击数为7击，参照有关资料确定fpk=560kPa。

4.2 桩间土承载力fsk

(1)黄土状粉质黏土。该层土加固前后的物理性能见表1。

表1 黄土状粉质黏土加固前后的物理性能

由表1可以看出，第③层土经碎石桩加固后承载力标准值fpk达到300kPa，提高了50%，加固效果明显。

(2)粉细砂层。该层土加固前后标贯试验击数及承载力标准值见表2。

表2 粉细砂层加固前后标贯试验击数及承载力标准值

由表2可以看出，第④层土承载力标准值大幅度提高，上层土由200kPa提高到260kPa，提高了30%；下层土由120kPa提高到250kPa，提高了108%，加固效果非常显著。

(3)粉土层。3个探井的粉土层厚度分别为0m、1.1m和2.1m，标贯击数由6击增加到13击，承载力标准值只达到160kPa。经分析，认为是后期施工中有部分桩体没有落在卵石层所致。

(4)桩间土承载力标准值。桩间各土层承载力标准值变化情况见表3。

表3 桩间各土层承载力标准值变化情况

桩间土以511.5m标高处为界，承载力标准值按厚度加权平均可分为上、下两段，上段517.0～511.5m，fsk=270kPa；下段511.5～510.0m，fsk=160kPa。

4.3 复合地基承载力标准值fspk

按公式fspk=mfpk+(1+m)fsk(m为置换率)计算，上段(517.0～511.5m)地基承载力标准值fspk=320kPa；下段(511.5～510.0m)地基承载力标准值fspk=230kPa。经验算，软弱下卧层满足承载力要求。

4.4 复合地基液化评价

复合地基液化势综合判定如图2所示。

图2 液化势综合判定图

由图2可以看出，复合地基桩间土平均标准贯入锤击数，3个点均位于按GBJ11—89《抗震设计规范》绘制的标贯临界线上方，说明复合地基完全消除了砂土、粉土液化的影响。

5 结语

该工程地基处理的检测结果表明，选择锤击沉管碎石桩处理饱和粉细砂及饱和粉土地基，既能提高承载力，又可消除液化，效果明显；该工程桩基总造价仅14万元，较为经济，值得推广；通过小桩径、密桩距设计，锤击沉管桩起到了振冲挤密桩和振冲置换桩的双重功效。

参考文献：

[1] 王永.锤击沉管碎石挤密桩在地基处理中的探索[J].科技信息，2009(29)：717，677.