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碎石樁快速加固超軟弱地基試驗(yàn)研究

2012-02-28　來源：作者：楊飛 來源：中國鳴網(wǎng)

 1、前言

　　振沖碎石樁作為復(fù)合地基的一種，在快速提高地基穩(wěn)定性方面，有著很大的優(yōu)勢。該技術(shù)在80年代末被引進(jìn)到珠江三角洲地區(qū)以來，先后成功加固了番禺蓮花山碼頭、新會(huì)天馬港、荷塘碼頭、珠江電廠等多個(gè)工程。并在國內(nèi)首次成功地進(jìn)行了現(xiàn)場直剪試驗(yàn)，初步取得了碎石樁及復(fù)合地基的抗剪指標(biāo)。這些工程的地基強(qiáng)度大都在10KPa左右，最低的僅5~8KPa。雖然振沖碎石樁技術(shù)取得了大量成功加固經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)外也開展了不少科學(xué)研究。但是對(duì)振沖碎石樁法，仍然缺乏足夠權(quán)威的理論、計(jì)算公式、參數(shù)指標(biāo)、檢驗(yàn)手段供設(shè)計(jì)、施工采用。通過西江下游航道整治橫坑段工程，對(duì)振沖碎石樁的機(jī)理、適用范圍、參數(shù)指標(biāo)、檢驗(yàn)手段等多個(gè)方面的問題進(jìn)行研究。

　　2、工程概況

　　試驗(yàn)前對(duì)西江下游航道整治工程橫坑碎石樁試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了補(bǔ)充勘察。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置了鉆探孔兩個(gè)，靜力觸探及十字板剪切原位測試各四孔。

　　根據(jù)鉆探資料，場區(qū)巖土層自上而下分布為：

　　①、素填土（Qml）：棕褐、土褐色，主要由山坡土堆填組成，頂部混有少量花崗巖碎石、濕，稍壓實(shí)狀，厚0.80-0.90m。

　?、凇⒂倌噘|(zhì)粉質(zhì)粘土：（Qal）：深灰、灰黑色，粘粒為主，含少量粉砂和腐殖物，局部夾薄層粉砂和粉質(zhì)粘土，很濕-飽和，軟塑-流塑，厚11.10-12.20m。天然含水量W0均值為45.2%，孔隙比e均值為1.3，內(nèi)聚力c均值為8.5kPa，內(nèi)摩擦角φ均值為7.6o，該層土為碎石樁處理的主要對(duì)象。

　　③、粘土（Qal）：顏色雜，一般上部呈棕褐色、黃褐色，中部為雜色斑狀，下部灰白混黃褐色，粘粒為主，不含或含微量粉砂，濕，可塑，局部硬塑和軟塑，厚6.00-8.20m。天然含水量W0均值為28.3%，孔隙比e均值為0.9，內(nèi)聚力c均值為36.5kPa，內(nèi)摩擦角φ均值為10.2o。

　?、?、粉質(zhì)粘土（Qal）：棕紅色混黃褐、灰白色條紋，為粉砂質(zhì)泥巖風(fēng)化殘積土，粘粒為主，含10-20%石英質(zhì)粉砂，粘塑性一般，局部較好，濕-稍濕，可塑-硬塑，鉆孔揭露厚度2.30-11.80m。天然含水量W0均值為35.1%，孔隙比e均值為1.0，內(nèi)聚力c均值為27.5kPa，內(nèi)摩擦角φ均值為25.8o。

　　根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)及標(biāo)貫、靜力觸探、十字板剪切原位測試資料統(tǒng)計(jì)，各主要巖土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

　　3、碎石樁設(shè)計(jì)

　　近年來隨著振沖加固技術(shù)的發(fā)展，也逐漸應(yīng)用到抗剪強(qiáng)度小于20kPa的軟粘土地基中，并取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)。但其加固機(jī)理及設(shè)計(jì)、施工參數(shù)尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。表1所示本次試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的軟土層平均十字板抗剪強(qiáng)度僅13.6kPa，屬于軟弱粘土。在這種地基上施工碎石樁，樁體必須有一定的密實(shí)度，只有樁徑擴(kuò)充到一定程度后才能達(dá)到水平激振力與樁周土反力的平衡，滿足密實(shí)度要求。根據(jù)以往處理這種軟土的經(jīng)驗(yàn)，確定本次試驗(yàn)的樁徑為1.0m。設(shè)計(jì)采用樁間距為2.0m，正三角形布置，相應(yīng)的置換率僅為22.7%，樁土之間的共同作用相對(duì)較小。因此本試驗(yàn)方案增加了一組間距為1.5m的樁，以進(jìn)一步為設(shè)計(jì)提供參考指標(biāo)。根據(jù)地質(zhì)條件，碎石樁應(yīng)穿過軟土層并進(jìn)入粘土層50cm。因此設(shè)計(jì)樁長13~15米，實(shí)際施工時(shí)可根據(jù)成孔電流值來判斷。

　　4、碎石樁施工質(zhì)量控制

　　4.1原料控制

　　采用大粒徑碎石，整體性強(qiáng)，可以更好地傳遞振動(dòng)應(yīng)力和荷載應(yīng)力。樁體粒徑大小直接影響加固體的力學(xué)效應(yīng)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，填料粒徑質(zhì)量評(píng)判指標(biāo)可由下式計(jì)算：

　　f=1.7√3/（D50）2+1/（D20）2+7/（D10）2

　　式中D50、D20和D10分別為篩分通過的百分?jǐn)?shù)50、20和10的骨料粒徑，f為質(zhì)量評(píng)判指標(biāo)。當(dāng)f=0~10時(shí)為優(yōu)質(zhì)，f=20~30時(shí)為一般，f>50時(shí)不宜采用。通過計(jì)算，本次試驗(yàn)所采用的碎石粒徑的平均值（d50）約為8.5cm，不均勻系數(shù)Cu=2.5,f值介于0.5~0.85之間。此外，所使用的碎石風(fēng)化程度不能超過弱風(fēng)化，含泥量不能超過10%。

　　4.2施工機(jī)械的選用

　　考慮到試驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，試驗(yàn)采用了最常用的ZQC-30型振沖器。

　　4.3施工流程

　　大粒徑碎石樁的施工流程如下：

　　振動(dòng)器就位對(duì)成孔清孔加料振動(dòng)振動(dòng)上拔繼續(xù)填料、振動(dòng)上拔成樁移位至下一個(gè)樁位。

　　4.4施工質(zhì)量控制參數(shù)

　　碎石樁的施工質(zhì)量主要通過以下四個(gè)參數(shù)來控制：水壓和水量、密實(shí)電流、留振時(shí)間和灌料量。通過碎石樁工藝試樁，對(duì)振沖器型號(hào)、碎石粒徑與級(jí)配、水壓及水量、工作電壓、每次提升高度、密實(shí)電流、留振時(shí)間、填料量和充盈系數(shù)等施工參數(shù)作出評(píng)價(jià)，為后期試驗(yàn)樁和工程樁的施工提供指導(dǎo)性施工參數(shù)。為保證施工參數(shù)的準(zhǔn)確可行，我們?cè)谑┕ぶ斑M(jìn)行了碎石樁施工工藝試驗(yàn)，并經(jīng)過試驗(yàn)確定碎石樁施工參數(shù)如下：a、碎石粒徑以φ5~10cm為主，大于φ5cm占50%以上；b、水壓:550-600Kpa，水量：20-30m3/h；c、造孔速度：1-2m/min；d、清孔次數(shù)：2-3次；e、每次填料量：0.5-0.7m3；f、每次提升高度：0.5m左右；g、留振時(shí)間：10-20s；h、密實(shí)電流：45-55A；i、充盈系數(shù)：大于1.6；j、工作電壓：380±10V。

　　5、碎石樁質(zhì)量檢測

　　碎石樁復(fù)合地基屬于地下隱蔽工程，質(zhì)量檢驗(yàn)較為困難，交通部《港口工程地基規(guī)范》規(guī)定可采用載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探等方法進(jìn)行檢驗(yàn)。鑒于本工程的重要性，本次試驗(yàn)采用了外觀檢測、重（Ⅱ）型動(dòng)力觸探、現(xiàn)場直剪試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)、地質(zhì)雷達(dá)試驗(yàn)等多種手段對(duì)碎石樁及復(fù)合地基進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果分別如下：

　　5.1外觀（樁徑）檢測

　　本次試驗(yàn)共施工碎樁82根，對(duì)其中的15根樁進(jìn)行了樁徑檢測，檢測結(jié)果表明碎石樁的平均樁徑均在1.0m以上，樁的圓度較好，平均成樁直徑約1.1m。

　　5.2碎石單樁重（II）型動(dòng)力觸探測試

　　為了檢測碎石樁樁體密實(shí)度，本試驗(yàn)對(duì)27根樁進(jìn)行了重（II）型動(dòng)力觸探測試，試驗(yàn)操作嚴(yán)格按規(guī)范的要求進(jìn)行，觸探后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。典型動(dòng)探曲線見圖1。從表中可看出，在所檢測的27根樁中，N63.5>10擊共18根，占總數(shù)的67%，7<N63.5<10擊的共9根，占總數(shù)的33%。根據(jù)交通部重慶公路科研所的推薦值N63.5>7擊的碎石樁可以評(píng)定為密實(shí)，本次試驗(yàn)所施工的碎石樁全部為密實(shí)等級(jí)，施工質(zhì)量是良好的。
　　5.3靜載荷試驗(yàn)

　　為了檢驗(yàn)碎石樁對(duì)軟土地基的處理效果，了解單樁及復(fù)合地基相關(guān)的強(qiáng)度和變形指標(biāo)，本試驗(yàn)對(duì)天然地基、φ1.0m單樁、φ1.5m復(fù)合地基和φ2.0m復(fù)合地基進(jìn)行了現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，靜載Q-S曲線具體詳見圖2。

　　復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度性質(zhì)（C，φ）是整個(gè)工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)指標(biāo)，為了檢測經(jīng)過碎石樁處理后復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度，為設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行堤壩抗滑穩(wěn)定性分析時(shí)提供準(zhǔn)確的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，我們?cè)谠囼?yàn)區(qū)對(duì)φ1000mm單樁、φ1500mm復(fù)合地基以及φ2000mm復(fù)合地基進(jìn)行了現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)。本次試驗(yàn)碎石樁單樁、1.5m復(fù)合地基和2.0m復(fù)合地基的剪切試驗(yàn)成果如表3所示。
　　根據(jù)以上參數(shù)繼續(xù)完善設(shè)計(jì)，在以后的施工過程中岸坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。至目前為止，該工程已投入運(yùn)行10年多，運(yùn)行狀況良好，由此證明大粒徑碎石樁可作為快速提高地基穩(wěn)定性的一種有效手段。

　　5.5地質(zhì)雷達(dá)

　　為對(duì)整個(gè)碎石樁區(qū)的處理情況有一個(gè)詳細(xì)了解，本次試驗(yàn)試圖引進(jìn)地質(zhì)雷達(dá)這一無損傷、低成本的先進(jìn)的物探方法檢測碎石樁區(qū)的成樁情況。圖3是編號(hào)為碎2號(hào)、碎3號(hào)、碎4號(hào)樁的剖面圖。

　　碎2號(hào)平均樁徑0.9m，最大深度12.5m，0~10.5m樁身密實(shí)，10.5~12.5碎石量不足；碎3號(hào)樁平均樁徑0.95m，最大深度12.0m，樁身規(guī)則質(zhì)量比較好；碎4號(hào)樁平均樁徑1.05m，最大深度12.5m，5.5m~12.5m處樁身傾斜?？梢娎锰幚砗蟮牡刭|(zhì)雷達(dá)圖像可以清楚的解釋出碎石樁的形態(tài)，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)檢測碎石樁是一種很好的手段。
　　6、結(jié)論

　　通過工藝試樁及載荷試驗(yàn)、現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)驗(yàn)證大粒徑碎石樁的加固效果，綜合分析可以得出抗剪強(qiáng)度為8~15kPa超軟弱地基上施工大粒徑碎石樁的施工質(zhì)量控制參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)，質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)如下：

　　6.1碎石樁施工質(zhì)量控制參數(shù)：

　　a、振動(dòng)器型號(hào)ZCQ-30；b、碎石粒徑以φ5-10cm為主，大于φ5cm占50%以上；c、水壓:550-600Kpa，水量：20-30m3/h；d、造孔速度：1-2m/min；e、洗孔次數(shù)：2-3次；f、每次填料量：不大于0.5m3；g、每次提升高度：0.3-0.5m；h、留振時(shí)間：10-20s；j、密實(shí)電流：不小于45A；k、充盈系數(shù)：大于1.6；l、工作電壓：380±10V，上述碎石樁施工參數(shù)不應(yīng)孤立理解，應(yīng)綜合考慮。

　　6.2碎石樁設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　承載力設(shè)計(jì)參數(shù)如下：φ1000mm徑碎石樁單樁容許承載力為180kN；φ1500mm復(fù)合地基容許承載力為140kPa；φ2000mm復(fù)合地基容許承載力為90kPa。

　　抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)：φ1000mm徑碎石樁單樁抗剪強(qiáng)度：C=25~30kPa，φ=36~42o；φ1500mm復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度：C=8~10kPa，φ=30~35o；φ2000mm復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度：C=6~8kPa，φ=16~25o。

　　6.3大粒徑碎石樁樁身質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)：

　　由于橫坑碎石樁軟基處理主要是依靠碎石樁來提高復(fù)合地基的抗剪能力，防止堤壩在河道開挖時(shí)出現(xiàn)滑坡，所以現(xiàn)場大型直接剪切試驗(yàn)是檢驗(yàn)橫坑碎石樁質(zhì)量的最有效手段，但由于現(xiàn)場大型直接剪切試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長，對(duì)上部樁體是一種破壞性檢測，因此大規(guī)模用于工程碎石樁的檢測有很大困難。在通常情況下，可采用以下相對(duì)簡便的方法對(duì)樁身質(zhì)量進(jìn)行檢測。

　　①、重（Ⅱ）型動(dòng)力觸探：在不偏孔的前提下檢測深度應(yīng)不小于總樁長的1/2，檢測深度內(nèi)碎石N63.5平均擊數(shù)應(yīng)不小于7擊，最小擊數(shù)不小5擊。

　?、?、單樁及復(fù)合地基的靜載荷試驗(yàn)：單樁及復(fù)合地基的承載力應(yīng)不小于設(shè)計(jì)。

　?、邸⒌刭|(zhì)雷達(dá)檢測：檢測碎石樁的樁徑、樁長、成樁情況是否符合設(shè)計(jì)要求。

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