振动沉管挤密砂石桩在涵闸地基加固中的应用

王云飞

(丹东市爱河大洋河河道整治工程建设管理办公室，辽宁 丹东 118000)

水利工程一般规模较大，结构以自重较大的钢筋混凝土为主，对地基承载力要求很高。而河流区域地层大部分以冲积地层为主，抗渗性、承载力均较差，必须进行必要的加固处理后才能布置建设水利工程。振动沉管挤密砂石桩是目前广泛应用的松软地基加固技术，且随着施工工艺的发展，该技术内涵也在逐步扩大，桩体材料也更加广泛等，对环境影响也在逐步减小。

1 工程概况

2017年，辽宁省启动“大洋河干流重点段河道整治工程”，共计治理河道总长53.8km，该河段主要由：岫岩防洪区、沙里寨防洪区、龙王庙防洪区、小甸子防洪区、大孤山防洪区等组成，主要工程任务有：堤防加固43.0km、修建涵闸12座。龙王庙防洪区需修建涵闸3座，其中后河闸因流量及洞径均较大，对地基承载力要求大，但该涵闸所在地段地层均为松散粉细砂层，必须进行加固处理。

2 工程地质条件分析

经地质勘查，龙王庙防洪区地貌单元为河床、漫滩及一级阶地的陆相沉积地层。从上至下地层依次为：粉土(0.3～1.0m)、粉质黏土(0.9～.7m)、粉细砂(1.9～3.3m)、淤泥质粉质黏土(1.0～1.3m)、中粗砂(0.8～1.6m)、细砂(0.5～6.7m)、卵石(0.5～1.5m)。各地层主要物理力学指标见表1。

表1 龙王庙防洪区各地层主要物理力学指标

据调查可知：原有龙王庙防洪区堤基地质为多层结构，后河闸基位置设计坐落于粉细砂层，其承载力特征值为120kPa，渗透系数为10-3数量级，属中等透水，因此需要考虑防渗处理。各结构层发育平缓稳定，抗滑稳定性较好，虽然地层存在软弱淤泥质粉质黏土，但其层位较深，不会有振陷可能[1]。

3 振动沉管挤密砂石桩设计分析

3.1 闸基加固方案比选分析

后河涵闸设计排水量72.40m3/s，为4级建筑物。经计算：场地内粉细砂和细砂在工程建成后7度地震下均为液化土，液化等级严重。依据相关规范，地基中的液化土层处理方法包括：置换、强力夯实、振动水冲、板桩(连续墙)围封或沉井基础等[2]。

其中板桩(连续墙)围封在丹东地区处理闸基液化现象应用比较广泛，具有成熟的施工经验；振冲法(振动沉管桩)适用于砂性土，从粉细砂到含砾粗砂，只要小于0.005的黏粒含量不超过10%，都可以达到显著的挤密[3]。因此对上述两种方案进行对比(见表2)。

表2 闸基加固方案对比

从经济上看，振冲法(振动沉管桩)方案要优越很多；从效果看，虽然板桩(连续墙)围封技术施工成熟，但振冲法也基本都被丹东地区的建筑工地应用过，且处理地基液化效果显著。因此综合考量，本项目设计采用振冲法处理后河闸闸基液化问题。

3.2 现场试验设计

3.2.1 桩体布置设计

低强度混凝土桩是目前振冲法常用桩体类型，其填充物一般为水泥、石子和掺合物(砂、粉煤灰、石灰等)，强度等级可人为控制，范围在C5～C25[4]。为保证施工效果，首先在现场进行试验。在试验场地设计布置6根低强度混凝土管桩，行距设计7.0m，间距为4.5m(如图1所示)。

图1 试验场分布示意图

3.2.2 测压孔布置设计

由于沉管施工时会产生超孔隙水压力，过大时可能造成周围土体隆起或侧向移动等问题，因此需要时刻监测周围土体的水压力值，这是保证施工质量的核心[5]。为了监测超孔隙水压力，在桩体周边布置4个观测孔(1～4#深度分别为4、6、8、10m)，编号和位置如图1所示。

每个观测孔内由下至上依次放置4个压力计，压力计之间用膨润土球填充，其竖向布置如图2所示。在沉管试验前先埋设压力计，观测它们读数变化，待读数稳定并记录后再开始沉管试验。

图2 超孔隙水压力计布置示意图

3.3 桩体施工及静载设计

3.3.1 振动沉管桩施工

本项目采用弹簧振动锤施工，振动频率1050r/min，激振力约为230kN。为避免相互之间影响，振动沉管桩施工顺序为：1#→3#→4#→6#→2#→5#。

沉管至设计深度后向管内填料，之后留振10s左右以1.2～1.5m/min的速度拔管，现场验收成桩合格后便可利用混凝土封桩顶。同时要全程记录压力计示数变化。

3.3.2 静载试验方法设计

为检测加固效果，在桩体完工30d后对桩体和地基进行静载试验，其中对地基检测时，需提前铺设一层20cm厚的碎石垫层[6]。静载试验采用“慢速维持载荷法”进行分级加载和卸载，沉降量由位移传感器监测(精度为0.01mm，布置3个以上)，利用专业仪器采集数据。

3.4 试验结果分析

3.4.1 超孔隙水压力分析

图3记录了观测孔超孔隙水压力累积数值变化，由图可知：①不同位置均存在超孔隙水压力，且最大值均在深度5～6m之间；②随着距离沉管位置越远，其超孔隙水压力累积值会越小；③将各观测孔不同深度超孔隙水压力与上覆土有效应力作比，其最大值出现在1#观测孔4m深度位置，约为0.33，其值远小于1.0，说明本项目地基在沉管下沉时累积超孔隙水压力较小，因此对土体扰动较小，不存在出现隆起或侧移问题。

图3 观测孔超孔隙水压力累积数值变化曲线

3.4.2 单桩静载试验分析

以2#和3#管桩为分析对象，由图4可知：当分别对其加载至240、280kN后，其沉降量超过了45mm(最大量程为50mm)，且卸载后回弹率很低，说明桩体端部地层已经达到承载极限，分别记为240、280kN，但比理论计算数值低50%左右。

图4 单桩静载试验曲线

3.4.3 复合地基静载试验分析

图5表示的是试验区复合地基静载试验曲线图，在沉降量最大允许值范围内(15mm)，4#、5#、6#桩复合地基承载力分别达到了180、230、215kPa，平均为208kPa，相对于天然地基的100～115kPa提高了100%左右，加固效果显著，完全满足实际使用要求(80～100kPa)。

图5 复合地基静载试验曲线图

4 结语

振动沉管挤密砂石桩技术是松软、液化等细砂地基中最常用的处理方法之一，其加固效果显著，满足大多数建筑使用要求，但不可按照单个桩体理论承载数值去设计桩位，应进行现场试验确定。在使用该技术时，一定要结合工程实际，根据不同的承载力要求设计桩体承载力，这样才能达到经济实用的目的。