提要:本文通過(guò)工程實(shí)例論述了振沖法的加固原理,設(shè)計(jì)計(jì)算,施工檢測(cè)及加固效果。只有采用合理的施工工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制,在水電工程中應(yīng)用振沖加固是可行的,且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞:振沖法;復(fù)合地基;軟弱地基加固
一、 前言
振沖法施工在房屋建筑基礎(chǔ)處理中應(yīng)用比較普遍,而在水電站施工中應(yīng)用較少。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,在軟弱地基上修建水工建筑物的情況越來(lái)越多,這種情況不僅在平原地區(qū)普遍,在山區(qū)地區(qū)也常會(huì)遇到。在以往的水電站施工中遇到此類(lèi)情況通常采用置換法,即深挖基礎(chǔ),然后用砼換填。這樣做成本較高,且工期較長(zhǎng)。而采用振沖法施工,不但可以降低工程成本,同時(shí)還可以縮短工期。黑河塘水電站首部樞紐右岸擋水壩段基礎(chǔ)處理采用的振沖法施工,收到了很好的效果。
閘址區(qū)覆蓋層成因及結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜,以沖、洪積堆積的含漂砂卵礫石層和堰塞堆積的粘質(zhì)粉土層為主要特征的結(jié)構(gòu)層次。由于場(chǎng)地內(nèi)淺部地基土的力學(xué)性質(zhì)不能滿足黑河塘電站右岸擋水壩工程需求。故對(duì)場(chǎng)地堰塘堆積的粘質(zhì)粉土層等土層采用振沖碎石樁進(jìn)行加固處理,使其復(fù)合地基承載力滿足fspk≥300Kpa。因此地基問(wèn)題的處理恰當(dāng)與否,關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量、投資和進(jìn)度,因而軟弱地基的處理引起了相關(guān)方面的重視。
振沖法是以起重設(shè)備吊起振沖器,啟動(dòng)潛水電機(jī)后帶動(dòng)偏心塊,使振沖器產(chǎn)生高頻振動(dòng),同時(shí)開(kāi)動(dòng)水泵,高壓水通過(guò)噴嘴噴射高壓水流,邊振邊沖聯(lián)合作用,使飽和松散的砂土顆粒在強(qiáng)烈的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)下重新排列致密,且在振動(dòng)中填入大量粗骨料后,被強(qiáng)大的水平振動(dòng)擠入周?chē)林?,在地基中形成一根大直徑的較為密實(shí)的樁體,使砂土的相對(duì)密度增加,孔隙率降低,干容重和內(nèi)摩擦角增大,砂土的物理力學(xué)性能改善,使地基承載力大幅度提高。本文通過(guò)黑河塘水電站粘質(zhì)粉土層地基加固實(shí)例,經(jīng)試驗(yàn)樁檢測(cè)及建筑物沉降觀測(cè)分析,證明采用振沖法加固軟弱地基是可行的,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
二、工程概況
2.1、工程概況
閘址區(qū)位于羌河溝口下游800m,至磨房溝上游約300m之間的河段上,該河段相對(duì)順直,河道流向由N至S。在1774~1776m高程左右,發(fā)育有長(zhǎng)約200m,寬40~70m的Ⅰ級(jí)階地。兩岸地形坡度變化較大,呈不對(duì)稱(chēng)的“U”谷。。
2.2、地層巖性
閘址區(qū)覆蓋層成因、結(jié)構(gòu)復(fù)雜;河床由于受下游磨房溝泥石流堆積的影響,導(dǎo)致兩次堰塞,形成了以沖、洪積堆積的含漂砂卵礫石層和堰塞堆積的粘質(zhì)粉土層為主要特征的結(jié)構(gòu)層次。按其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和成因由老至新(由下至上)可分七層:
①層為沖積堆積的含漂砂卵礫石(Q2-3al),分布于河床谷底,一般后3~5m,局部厚達(dá)18m。該層以卵礫石為主,磨圓度好,結(jié)構(gòu)密實(shí)。
②層為堰堆積的粘質(zhì)粉土層(Q3fl),粘、粉粒含量不甚均一,河床及右岸分布普遍且穩(wěn)定,厚度一般為20~30m,埋深45.0~50.0m。其顆粒組成以粉粒為主,按顆粒組成屬粉質(zhì)土,按GBJ145-90土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),屬低液限粉土(ML)。滲透性為弱透水性。
根據(jù)地質(zhì)年代測(cè)試,結(jié)合本工程閘基應(yīng)力條件綜合分析,并根據(jù)規(guī)范有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),該層可判斷為不液化土層。
③層為沖、洪積堆積的含漂(塊)卵(碎)礫石夾砂、土(Q3al+pl),結(jié)構(gòu)不均一,但尚密實(shí)。一般厚為30~40m,河床部位最厚(38.76~44.45m),向左、右兩岸漸薄。該層以卵礫石為主,磨圓度較好,粗顆粒構(gòu)成骨架,在空隙中多充填有少量的粉土、粘土及中粗砂。該層結(jié)構(gòu)密實(shí),屬密實(shí)卵石層。滲透性為強(qiáng)透水性。
④層為堰塞堆積的粘質(zhì)粉土層(Q4fl),按其顆粒組成和結(jié)構(gòu)可分為上、下兩部分,界面分布高程大致在1766~1769m之間,上部總體上呈黃~灰黃色含礫粘質(zhì)粉土,厚度為1~4m,局部5.45m;下部集中分布于右岸有河床,一般厚3~5m,局部6~8m,總體為灰~深灰色粘質(zhì)粉土和粉質(zhì)粘土,結(jié)構(gòu)相對(duì)單一。滲透性為弱透水性。
根據(jù)地質(zhì)年代測(cè)試,對(duì)土體采取多種方法進(jìn)行液化判定,該層上部為液化土層,下部為不液化土層。綜合分析,故總體上可判斷為液化土層。
⑤層為含漂卵礫石夾土(Q4al),分布于右岸Ⅰ級(jí)階地,具二元結(jié)構(gòu),上部為粉土夾碎礫石,下部為含漂砂卵礫石夾土,厚度一般5~8m。物質(zhì)組成以卵礫石為主,按GBJ145-90土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),屬卵石混合土(SICb)。滲透性為強(qiáng)透水性。
閘址區(qū)覆蓋層各土層物理力學(xué)參數(shù)建議值見(jiàn)下表:
分類(lèi)
名稱(chēng) 天然
密度 允許
承載力 壓縮
模量 滲透
系數(shù) 抗剪指標(biāo) 允許
比降
凝聚力 摩擦角
ρ F[R] Es K20 c Φ
G/cm3 KPa MPa cm/s MPa 度 0.1~0.12
⑦ 含漂砂卵礫石層Q4al 2.2 250~300 20~30 1.0×10-1 27~29 0.07~0.1
⑥ 坡積的塊碎石土Q4dl 2.06 300~350 15~20 1.0×10-1 25~27 0.12~0.15
⑤ 含漂砂卵礫石層Q4al 2.11 500~600 40~50 1.5×10-2 27~29 0.3~0.4
④ 粘質(zhì)粉土Q3fl 1.75 130 5~10 2.5×10-3 0.01 16~18 0.15~0.4
③ 含漂砂卵礫石層Q3al+pl 2.0 400~500 30~40 2.26×10-2 25~27 0.15~0.2
② 粘質(zhì)粉土Q3fl 1.8 150 10~15 1.7×10-5 0.01~0.005 15~17 1.0~1.2
① 砂卵礫石層Q3al 2.25 600~800 50~60 1.5×10-2 27~29 0.1~0.15
三、振沖樁加固方案設(shè)計(jì):
3.1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)
振沖碎石樁加固松砂地基是一項(xiàng)較成熟技術(shù)。本工程設(shè)計(jì)根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件和上部建筑的荷載情況,在填料方面有些新的做法。這些做法經(jīng)建成后觀測(cè)證明效果良好。
1、加固的必要性與加固要求
根據(jù)地質(zhì)資料本工程選用細(xì)砂為持力層,天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值為130kpa。采用單獨(dú)基底時(shí),要求承載力的設(shè)計(jì)值為250kpa,相應(yīng)的基礎(chǔ)埋深1.5米。在該條件下,天然地基承載力設(shè)計(jì)值僅為160kpa,不能滿足設(shè)計(jì)要求,故地基必須進(jìn)行加固。
2、采用振沖法的技術(shù)合理性
根據(jù)國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn),振沖法主要適用于處理砂性土,從粉細(xì)砂到含礫粗砂,只要小于0.005mm的粘粒含量不超過(guò)10%,都可取得擠密效果。
3.2、設(shè)計(jì)要求:
經(jīng)振沖加固處理后形成的復(fù)合地基承載力應(yīng)滿足fspk≥300KpaEs≥25Mpa。
3.3設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)7.2.8-3式:fspk≥[1+m(n-1)]fsk
按最不利組合原則,由第○4層堰塞堆積的粘質(zhì)粉土層承載力標(biāo)準(zhǔn)值fsk=130Kpa代入公式fspk≥[1+m(n-1)]fsk中。
式中:fspk—振沖樁復(fù)合地基承載力特征值(Kpa);
fsk——處理后樁間土承載力特征值(Kpa),宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值,如無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí),可取天然地基承載力特征值;
m—樁土面積置換率;
n—樁土應(yīng)力比;
d—樁身平均直徑(m);
de—一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑;
經(jīng)計(jì)算:當(dāng)n取4時(shí),m=0.44
m=d2/de2 (7.2.8-2)
經(jīng)計(jì)算:當(dāng)fspk=300Kpa,d=1.1m時(shí),de=1.65
布樁方式采用等邊三角形布置:de=1.05s(s為樁間距)
當(dāng)fspk=300Kpa,s=1.80m,排距H=1.56m
當(dāng)代入其它土層承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算時(shí),基本滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4、振沖樁位的布置:
依據(jù)上述設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果,采用等邊三角形布樁(在防滲墻軸線1.5m外布樁,避免碎石樁對(duì)第④層堰塞堆積的粘質(zhì)粉土的擾動(dòng)及以后防滲墻施工的影響),布樁間距為:樁間距為s=1.80m,排距H=1.56m。本工程的布樁平面見(jiàn)圖
四、加固施工方案:
4.1、施工要求
本工程按基礎(chǔ)的埋置深度,將第一層約50cm的砂礫石層挖除,即開(kāi)始在粘質(zhì)粉土層內(nèi)采用振沖碎石樁加固地基。采用加填料的振沖密實(shí)施工方法,填料為碎石,級(jí)配良好。要求造孔電流不大于13A,造孔留振時(shí)間不少于2min,振沖密實(shí)電流為60A,留振時(shí)間一般不少于1min。施工時(shí)水壓不宜過(guò)大,以防砂土流失,使水壓在400~600kpa。振沖施工順序采用間隔進(jìn)行。
4.2、振沖碎石樁試驗(yàn):
施工前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件,在右岸擋水壩段基礎(chǔ)覆蓋處理范圍內(nèi)選擇1個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行振沖碎石樁試驗(yàn),總樁數(shù)為5根,按等邊三角形布置,兩孔之間間距為1.80m,并進(jìn)行人工按ф1.1m深0.8~1.0m取孔,振沖碎石樁長(zhǎng)至第④層礫粘質(zhì)粉土層底部0.5m以上,目的是為:
(1)確定最佳碎石樁樁徑,樁間排距、樁長(zhǎng),填料級(jí)配及數(shù)量等參數(shù)。
(2)確定造孔和成樁的施工機(jī)械,施工工藝,確定施工技術(shù)參數(shù)(每米進(jìn)尺填料量,密實(shí)電流,留振時(shí)間,振沖水壓等)為以后振沖碎石樁施工取得合理的參數(shù)。
4.3、施工工藝流程:
①清理平整施工場(chǎng)地→②布置樁位→③人工樁位取孔(部分)→④造孔→⑤分段填料并振搗密實(shí)直至完成每一樁→⑥重復(fù)上述④⑤直至完成所有振沖施工。
4.4、施工:
1)清理平整場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)。
2)布置樁位并校核。
3)施工機(jī)具就位,使振沖對(duì)準(zhǔn)樁位。
4)啟動(dòng)水泵和振沖器水壓200-600Kpa,水量200-400L/min,使振沖器徐徐沉入土中,直至達(dá)到處理深度并嵌入卵石層,記錄振沖器深度、電流值和時(shí)間,提升振沖器至孔口;
5)重復(fù)上一步驟1-2次,使孔內(nèi)泥沙變稀,然后將振沖器提出孔口;
6)向孔倒入一批填料,將振沖器沉入填料中進(jìn)行振密,此時(shí)電流隨填料的密度而逐漸增大,電流必須達(dá)到80-100A,若達(dá)不到,應(yīng)向孔內(nèi)繼續(xù)填料,振密,記錄這一深度的最終電流量和填料量;
7)將振沖器提出孔口,繼續(xù)施工上部的樁段;
8)重復(fù)步驟(6、7)自下而上施工樁體,直至孔口,并隨樁鋪設(shè)20-30cm厚的褥墊層;
9)關(guān)閉振沖器和水泵。
4.5、關(guān)鍵點(diǎn)控制
1)采用飽和和抗壓大于40Mpa的2-8cm級(jí)配碎石、適量人頭石(粒徑不超過(guò)15cm)及摻入10-20﹪的礫砂,以增強(qiáng)成樁樁體密實(shí)度。
2)施工過(guò)程中,各段樁段應(yīng)符合密實(shí)電流80-100A,留振時(shí)間大于10S和填料量的要求。
3)樁端須進(jìn)入卵石層(壓縮性較低的硬層)。
4)褥墊層厚20-30cm,材料為級(jí)配良好的2-5cm卵石及礫砂,鋪設(shè)寬度為基礎(chǔ)外緣3排保護(hù)樁。
5)施工過(guò)程中,若振沖器在成孔時(shí)遇到孤石,應(yīng)在孤石周邊重新成孔,并加密樁位。
五、復(fù)合地基加固效果檢驗(yàn)
振沖加固施工完成7天以后,由具有檢測(cè)資格的檢測(cè)單位對(duì)復(fù)合地基加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)〈建筑地基處理技術(shù)規(guī)范〉(JGJ79-2002)規(guī)定:
5.1、進(jìn)行靜荷載試驗(yàn);
為進(jìn)一步復(fù)核振沖處理效果,分別對(duì)樁間土和樁體進(jìn)行了物性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)。物性成果表明(表5-2),樁間土平均天然干密度1.29g/cm3,塑性指數(shù)14.9,顆粒級(jí)配組成中,<5mm顆粒含量為100%,<0.075mm細(xì)粒含量為83.93%,<0.005mm粘粒含量為18.5%,分類(lèi)定名為低液限粘土(CL);碎石樁平均天然干密度1.85g/cm3,孔隙比0.47,顆粒級(jí)配組成中,20~60mm碎石含量為13.87%,60~80mm礫石含量為70.44%,<0.075mm細(xì)粒含量為6.02%,<5mm顆粒含量為19.63%,分類(lèi)定名為含細(xì)粒土礫(GF)。
經(jīng)對(duì)2組單樁載荷試驗(yàn)和2組樁間土淺層平板載荷試驗(yàn)(表5-1),樁體承載力特征值為570~620 kPa,樁間土承載力實(shí)測(cè)值為120~140 kPa,復(fù)合地基承載力特征值按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2002確定為301.4~333.4 kPa。
振沖碎石樁復(fù)合地基檢測(cè)
表5-1
試驗(yàn)編號(hào) Z-1 T-1 Z-2 T-2
樁體承載力特征值 fk kPa 570 620
樁間土承載力特征值 fk kPa 120 140
變形模量 E0 MPa 44.1 9.4 53.24 9.9
復(fù)合地基載力特征值 f SPk kPa 301.4 333.4
復(fù)合地基變形模量 ESP MPa 15.08 15.88
沉降量 S cm 0.67 0.46 0.69 0.51
置換率 m 0.403 0.403
為進(jìn)行土層液化判定,對(duì)樁間土布置了3個(gè)孔的標(biāo)貫試驗(yàn),標(biāo)貫校正錘擊數(shù)為6.11,大于錘擊數(shù)臨界值5.4,復(fù)判為不液化土層。
綜上所述,第④層粘質(zhì)粉土經(jīng)處理后,復(fù)合地基承載力、壓縮模量和抗液化能力都得到較好的改善,其面積置換率為0.403,不存在液化問(wèn)題,處理后的地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。
表5-2
5.2、進(jìn)行動(dòng)探試驗(yàn)。
施工完成后,按規(guī)范隨機(jī)抽取了3根樁點(diǎn)進(jìn)行N120動(dòng)力觸探檢測(cè),成果表明,樁體質(zhì)量較試驗(yàn)階段有大幅度提高,兩根樁3—10m范圍內(nèi)部分段修正后平均擊數(shù)為5.5左右,密實(shí)度為稍密,其余深度段樁體平均錘擊數(shù)為7.2~13.5,密實(shí)度為中密~密實(shí),滿足規(guī)程規(guī)范要求。
六、結(jié)語(yǔ)
6.1、振沖碎石樁復(fù)合地基具有承載力提高幅度大,成本低等優(yōu)點(diǎn),地基承載力一般可達(dá)原
土層承載力的2-5倍。山區(qū)松散細(xì)砂軟弱地基采用振沖法加固,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
6.2、振沖樁的布孔方式與密度可依荷載分布情況而定,不必拘于已有的方式,如等邊三角形、正方形等。
6.3、振沖樁應(yīng)嚴(yán)格按照其工藝施工和質(zhì)量控制,才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。在施工中能否完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求是必須通過(guò)檢測(cè)來(lái)證實(shí),所以,復(fù)合地基的載荷試驗(yàn)是振沖法應(yīng)用的關(guān)鍵步驟,應(yīng)加強(qiáng)樁體的試驗(yàn)檢測(cè)工作。
參考文獻(xiàn):
(1)《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》(GB50007-2002)
(2)《建筑地基處理技術(shù)要求》(JGJ79-2002)
(3)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50202-2002)
(4)《巖土工程勘察報(bào)告》
作者簡(jiǎn)介
王敏(1976年-),男,四川邛崍人,項(xiàng)目經(jīng)理,工程師,一級(jí)建造師,從事水利水電工程施工管理與技術(shù)工作。
注:文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。