沉管砂石桩基础设计方法及其在软土地基处理中的应用

2016-08-10林清琳漳州市路达工程设计有限公司漳州363005

福建交通科技 2016年3期

■林清琳（漳州市路达工程设计有限公司，漳州363005）

■林清琳
（漳州市路达工程设计有限公司，漳州363005）

本文根据工程背景实际施工条件，针对本工程的地层岩性的实际特点，选择砂石桩法作为地基处理的方法。砂石桩设计计算主要包括桩径、桩长、处理范围等参数的确定的以及地基承载力的复核。为提高砂石桩复合地基的应用效果，研究了本工程实例砂石桩设计方法及施工技术，对类似工程设计及施工具有一定的参考价值。

软基处理砂石桩复合地基基础设计施工工艺

0前言

沉管砂石桩是指采用振动沉管、锤击沉管或冲击成孔等方式在软弱地基中形成孔后，再将砂、碎石或砂石混合料通过桩管挤压入已成的孔中，在成桩过程中逐层挤密、振密，形成大直径的砂石体所构成的密实桩体。沉管砂石桩能有效提高粉土、松散砂土等地基的承载能力，降低其压缩性。合理设计沉管砂石桩，以满足地基承载力要求，对于此地基处理技术的推广，具有非常重要的意义。

1工程概况

1.1项目简介及地理位置

国省干线联六线漳州龙文区过境公路工程路线起点位于龙文区朝阳镇漳滨村，顺接规划的漳州东环城路，路线往北沿规划的龙文区蓝田北开发区布线，与九龙江防洪堤结合经过科坑村，后路线往西，于登科村附近建朝阳大桥上跨九龙大道，经内林街，于石井村附近建石井大桥上跨鹰厦铁路支线，后到达本项目终点，与国省干线联十一线龙文段平交，路线全长约7.5km，如图1所示。

1.2工程地质条件概况

本线路位于福建漳州市东北部，沿九龙江北溪南岸展布。项目走廊带内的主干山脉总体呈南北走向，线路沿九龙江展布，总体地势南高北低。按地貌基本成因类型划分，线路经过的地形地貌主要有冲海积平原地貌、丘陵地貌，沿线基岩分布主要为燕山晚期花岗岩，局部见闪长纷岩、辉绿岩等岩脉侵入；岩性属于较硬一硬质岩，出露较复杂，局部发育有裂隙密集带等，岩石相对较破碎，对公路建设较不利。

图1　建设项目地理位置图

根据岩土的地质年代、成因类型、工程地质性质，将地基土划分为若干个工程地质层组，地层自上而下为第四系上更新统冲海积层（Q4al-m），软塑状粉质粘土，［fao］= 120KPa；流塑状淤泥，［fao］=45kPa；稍密状中砂，［fao］= 180kPa；中密状卵石，［fao］=400kPa；下伏基岩为燕山晚期入侵花岗岩（γ53）及其风化层，［fao］≥350kPa。该区域地下水主要赋存予第四系冲海积砂、卵石层中的孔隙潜水，水量丰富，接受大气降水补给。本段上部分布软塑粉质粘土，为软弱土层，厚度约3～6m，其下为流塑状淤泥，淤泥质黏土，为软土，工程地址性较差，填筑高度约2.5～9m，其下为流塑状淤泥、淤泥质粘土，为软土。路基填筑高度为2.5～9m，其地质剖面图如图2所示。

2砂石桩适用条件及加固原理

2.1砂石桩适用条件

本工程段的软基处理区域面积大，局部段落淤泥较厚，综合考虑软土地层分布、填土高度、构筑物布置等情况，经沉降及稳定性验算，设计主要采用砂石桩进行处理。砂石桩加固地基早期在松散砂土中使用效果显著，成功经验较多，但在软弱粘性土中，还缺乏经验，加固达不到预期效果，但也有一定效果。

2.2砂石桩加固作用的原理

砂石桩施工时由于成桩的方法各不相同，地基土的性质不同，因此砂石桩加固作用的原理也不相同。

（1）在松散砂土和粉土地基中作用

在砂石桩成桩施工时对周围砂层或产生挤密作用或同时也产生振密作用，还有一定的抗液化作用。挤密作用是在采用冲击法或振动法往松散砂土中下沉桩管和一次拔管成桩时，由于桩管下沉对周围松散砂土产生很大的横向挤压力，桩管就将地基中同体积的松散砂土挤向周围的砂层，使其孔隙比减小，孔隙水排出，有效应力增大，密度也增大，地基承载力也随之提高。

振密作用是在沉管特别是采用垂直振动的激振力沉管时，桩管周围的土体受到挤压，同时，桩管的振动能量以波的形式在土体中传播，引起桩四周土体的振动，在挤压和振动的双重作用下，土的结构逐渐破坏，孔隙水压力逐步增大。由于土结构的破坏，土的颗粒重新进行排列，并向具较低势能的位置移动，从而使土由较松散状态变为密实状态。随着孔隙水压力的进一步增大，达到大于主应力数值时，土体开始液化成流体状态，流体状态的土变密实的可能性较小，但如果有排水通道（如砂石桩）时，土体中的水就能够沿砂石桩这个排泄通道排出，达到消散孔隙水压力的作用，同时土的颗粒重新排列、固结，形成新的结构土体。使土体的孔隙比降低，密实度增大，从而达到加固地基之目的。

抗液化作用首先是可液化的土层在受到挤密作用和振密作用后，土层的密实度增加，结构强度提高，从而提高土层本身的抗液化的能力，这可以从标准贯入试验击数的增大而得到验证。其次砂石桩也起到排水通道的作用，能够加速挤压和振动作用产生的超孔隙水压力的消散，降低孔隙水压力上升的幅度，提高桩间土的抗液化能力。

（2）在粘性土地基中的作用

由于粘性土的结构不同于砂土，为蜂窝状和絮状结构，颗粒之间的分子有较强的吸引力，而且孔隙很大，但其渗透性很差。对于非饱和的粘性土，在进行沉管时可以产生一定的挤密作用，对于饱和粘性土而言，在施工过程中产生的挤压和振动作用的强烈扰动，使得土粒之间的结合力及粘粒、离子、水分子所形成的平衡体系遭到破坏，孔隙水压力大幅度上升，从而降低了土的强度，增大了土的压缩性。但在砂石桩施工结束后，在上覆土压力作用下，通过砂石桩的良好排水作用，桩间土发生排水固结，与此同时由于粘土、水分子、离子之间重新形成新的平衡体系，使土结构的强度得到恢复，而且比原土体的强度有所增强。总之，砂石桩和地基土形成的复合地基后，砂石桩加固软弱粘性土地基时主要起到置换作用和排水作用。从而达到加固软弱地基的目的。

3砂石桩施工工艺

3.1施工工艺

结合本工程现场实际条件，砂石桩施工工艺如下：

施工准备（平整场地、材料进场、桩机进场、组装调试、绘制桩位平面图）→实地布置桩→校验桩位→制桩（桩机就位、开机振动沉管至设计要求深度、自料口灌入砂灌满为止、开机边振边拔沉管连续反插至管内无料为止、沉管拔出孔口并往孔内分批投料、振捣密实至设计标高、加压挤密成桩、关机移位）→检验→交工验收。

3.2施工技术要点

（1）机具就位、桩管沉入

桩管沉入前，应根据设计桩长及（地面）水平测量结果，将沉管深度用红油漆标示于桩管上，以控制沉管深度，确保桩底达到设计高程。

振动沉桩机就位，将活瓣桩尖的尖点对准砂石桩桩位中心，中心偏差控制在±5cm以内；调整机架确保桩管垂直，垂直度控制在1%以内。启动振动器，以2～3m/ min的速度使桩管边振动边下沉，至设计高程（以桩管上的红油漆标记线为准），控制桩底高程偏差不大于10cm。

考虑到砂石桩振动挤密后体积减小，砂顶标高下降，因此沉管顶应高出地面1m，并灌满砂。

（2）加砂料

桩体砂采用人工铲入桩机自带的下料斗内，通过下料斗送入桩管。灌砂时砂的含水量应加以控制；对饱和土层，可采用饱和状态砂；对非饱和土或杂填土，或能形成直立的桩孔壁的土层，含水量控制在8%以内。

图2　本工程所处地质剖面图

（3）拔管、桩管下压

在桩管内加入砂料后，边振动边缓慢拔出桩管，拔管速度控制在0.5m/min以内，将落入桩孔内的砂压实，确保每米灌砂量达到设计要求。

单桩砂石设计灌入量q=0.237×h（h为实际施打桩长）。

当灌入砂量没有达到设计要求（低于设计的每米灌砂量）时，在旁边补桩一根。桩体在施工中必须确保连续、密实。

4沉管砂石桩基础设计方法

4.1桩直径和间距对沉降的影响

模拟桩直径和间距对沉降量的影响采用理正软土地基路堤设计软件，采用经验系数法计算地基总沉降，采用压缩模量法计算主固结沉降，采用直接法计算超载产生的地基附加应力，沉降计算考虑超载。沉降修正系数取1.200，沉降计算的分层厚度取0.500m，分层沉降输出点距中线距离为0.000m，压缩层厚度判断应力比为15.000%，基底压力计算方法：按多层土实际容重计算，计算时考虑弥补地基沉降引起的路堤增高量。

（1）相同直径不同桩距

本次设计采用同一砂石桩直径为500mm，不同桩距进行路基基准期总沉降量进行验算。由图3可知，在相同桩径下，沉降随着桩距增大而增加。

图3　砂石桩沉降影响曲线图

（2）相同桩距不同直径

本次设计采用同一砂石桩桩距为1800mm，不同桩径进行路基基准期总沉降量进行验算。由图4可知，在相同距径下，沉降随着桩径增大而减小。

图4　砂石桩沉降影响曲线图

综上可知，砂石桩桩径及桩距的选择，要综合考虑两者对沉降的影响。

4.2砂石桩布置选择

砂石桩按正方形布设，直径为50cm，桩打穿淤泥层进入下卧层不得小于0.5m。采用振动沉桩机，振动沉管工艺施工。在砂石桩施工结束并检验合格后，桩顶设置中粗砂加筋垫层50cm，夹两层单向钢塑复合土工格栅。进行堆载预压，并经监测结果确认满足工后沉降要求后方可卸载进行路面结构的施工。施工前必须对地面构筑物、地下管线进行调查、拆移，确认无障碍物后方可进行场地清理、平整；挖设临时排水沟，疏干地表水，使基面层保持干燥状态；根据设计测设路基中心线及砂石桩桩位，确定地基处理宽度并用石灰线醒目标注；布置砂石料存放场，修建作业场内施工便道。

4.3沉管砂石桩间距及直径的计算

fa=fspk+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）

式中：fa为修正后地基承载力特征值，需≥150kPa；fspk为复合地基承载力特征值，kPa；ηb、ηd为基础宽度和埋置深度的地基承载力修正系数，分别取0，1；γ为基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，取8kN/m3；b为条形基础底边的宽度，取5.5m；γm为基础底面以上土的加权平均重度，位于地下水位以下的土层取有效重度，取8kN/m3；d为基础埋置深度，为4.5m。

由式可得fspk≥118kPa。沉管砂石桩采用正方形布桩形式，de=1.13s，s为桩间距（m），则s/d≤2.95。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）第7.2.2条规定：沉管砂石桩桩径宜为300～800mm；沉管砂石桩的桩间距，不宜大于砂石桩直径的4.5倍。则最终确定砂石桩直径为500mm，桩间距为1800mm，如图5所示。