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      四川某河道軟土地基治理設(shè)計

      2015-07-18 09:41:05劉玉國中國石油工程設(shè)計有限責任公司西南分公司四川成都610041
      中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2015年12期
      關(guān)鍵詞:卵石粘土淤泥

      劉玉國(中國石油工程設(shè)計有限責任公司西南分公司,四川 成都 610041)

      四川某河道軟土地基治理設(shè)計

      劉玉國
      (中國石油工程設(shè)計有限責任公司西南分公司,四川成都610041)

      本文介紹了某河道軟土地基治理設(shè)計的方法。簡述了一些地基處理方法,并對兩種選用的方法強夯置換和碎石樁進行了對比,給出了設(shè)計和驗算過程。與碎石樁比較強夯具有技術(shù)可靠、施工簡便、經(jīng)濟合理等特點。

      強夯置換;軟基處理;碎石樁;承載力

      1 前言

      人們常將不能滿足建(構(gòu))筑物對地基要求的天然地基稱為軟弱地基或不良地基。在土木工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的軟弱土和不良土主要包括:軟粘土、雜填土、沖填土、飽和粉細砂、濕陷性黃土等等。地基問題主要包括三個方面:(1)地基承載力和穩(wěn)定性問題;(2)沉降、水平位移及不均勻沉降等變形問題;(3)滲流問題。地基處理方法有八大類四五十種之多,每種方法均利用不同的原理,適合于不同的地基土。四川某河道下伏厚達20m~35m的淤泥或淤泥質(zhì)粘土,因此地基處理是本工程的關(guān)鍵,而提高地基承載力以及盡可能減少工后沉降就是該地基處理的重點。本工程要求的相關(guān)設(shè)計參數(shù):

      地基承載力:fk≥100kPa(按照上部構(gòu)筑物基底的最大壓應(yīng)力)。

      地基處理后的差異沉降:△s≤5cm(參照建筑物地基變形允許值)。

      2 工程概況及治理方案簡述

      2.1 工程概況。四川某河為某城市工業(yè)園區(qū)中的唯一的河道,每年汛期,洪水均漫過現(xiàn)狀河岸并淹沒兩岸農(nóng)田,致使農(nóng)戶莊稼歉收、經(jīng)濟受損。加之現(xiàn)狀河道彎道較多、彎曲半徑較小,淤積日益嚴重。為配合工業(yè)區(qū)建設(shè),擬對現(xiàn)狀進行整治,并為城區(qū)造景、美化環(huán)境,達到山、水、人、城自然融洽的目的。規(guī)劃區(qū)內(nèi)整治河道總長6569.15m,其中主河道2+578.79~3+869.33共1290.54m為一期整治工程范圍。該廠區(qū)內(nèi)谷底為典型的丘間緩慢流動水條件下淤積而成,地表以下為15~36m深的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、細砂土、粉土等典型的軟土層,物理力學(xué)參數(shù)低。以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為例,容許承載力為50kPa,壓縮模量為2.13MPa,其中細砂土,粉土屬液化土,所以天然地基不能作為擋土結(jié)構(gòu)的地基,須進行地基處理,處理后地基承載力達100kPa以上。河道地質(zhì)橫斷面剖面圖如圖1 所示。

      2.2 可行的地基處治方案概述。(1)藍派方案:由南非傳入國內(nèi)的一種地基處理方法,是在基底開挖后,在基底鋪砂卵石,利用藍派設(shè)備的強大沖擊能,把砂卵石沖擊壓入淤泥質(zhì)粘土中,壓入厚度2m。藍派地基處理技術(shù)主要適用于淺埋基礎(chǔ),其沖擊壓實的作用范圍一般在2m左右,對于較厚的軟基礎(chǔ)的處治效果不是很好。(2)換填方案:將基底超挖2m,再分層碾壓換填砂卵石。但挖填的方量較大,施工期長,投資大。(3)粉噴樁方案:該方案很好的解決了護岸邊坡及河床下淺埋粉砂液化層的穩(wěn)定,但施工難度大,周期長,投資很高。(4)強夯置換:先在河床底拋石擠淤,再鋪設(shè)砂卵石墊層后強夯,強夯過程中在夯坑中填卵石置換軟土,夯實深度3m~6m。此方案施工快捷,投資較省,能明顯提高地基承載力及減小地基沉降變形。(5)砂石樁:砂石樁法是指利用振動或沖擊方式,在軟弱地基中成孔后,填入砂、礫石、卵石、碎石等材料并將其擠壓入土中,形成較大直徑的密實砂石樁的地基處理方法。主要包括砂樁(置換)法、擠密砂樁法和沉管碎石樁法等。

      3 地基處理方案

      由河床下臥土層按照分類應(yīng)屬于軟粘土,它是第四紀后期形成的河流沖積物,其天然含水量大于液限,天然孔隙比大于1.0。當天然孔隙比大于1.5時,稱為淤泥;當天然孔隙比界于1.0與1.5之間時,稱為淤泥質(zhì)土。這類土的特點是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小。在荷載作用下,軟粘土地基承載力低,地基沉降變形大,容易產(chǎn)生較大的不均勻沉降。針對本工程特定的地質(zhì)條件,選定兩種地基處理方案作為比較對象,加以詳述。

      表1 地基主要處理土層物理力學(xué)指標建議值表

      表2 強夯置換法加固地基實例

      圖1 河道地質(zhì)橫斷面剖面圖

      3.1 強夯置換法。普通強夯法的工程實踐證明,該方法加密軟土地基效果不明顯,且施工很困難,夯擊2~3錘夯坑就達1m~2m,夯錘往往拔不出來。強夯置換法不是利用強夯來加密軟土,而是利用強夯作為置換軟土的手段,即利用強夯排開軟土,夯入塊石、碎石、砂或其它粗顆粒材料,最終形成塊(碎)石墩(樁),塊(碎)石墩(樁)與周圍混有砂石的夯間土形成復(fù)合地基。經(jīng)強夯置換法處理的地基,既提高了地基強度,又改善了排水條件,有利于軟土的固結(jié)。強夯置換的加固原理相當于下列三者之和:強夯(加密)+碎石墩+特大直徑排水井。因強夯置換在兩遍夯擊之間不必留出孔隙水壓消散的時間,從而施工速度快,目前已成為處理軟土地基(河道、沼澤等)的一種好方法。強夯及強夯置換法加固地基的相關(guān)實例及其加固后的效果見表2:

      3.1.1強夯置換法設(shè)計施工要點。(1)強夯夯擊能量:從效率及經(jīng)濟角度考慮,對于本工程可采用2000kN·m~3000kN·m的單位夯擊能,夯錘可選用直徑為2.5m的錘。(2)夯點間距:建議4.5m~6m,第二遍可適當加密。(3)夯點的布置:正方形布置,隔行跳打。(4)夯擊次數(shù)及遍數(shù):每個夯擊點夯擊次數(shù)7~12次,夯完一次后在夯坑中填入卵礫石,再夯下一次,同時滿足最后兩擊的夯沉量不大于50mm;夯擊2遍,最后一遍以800kN·m能量滿夯。(5)處理深度及寬度:通過邊坡形式與地基的整體穩(wěn)定性驗算,得出其合適的處理深度為4m,寬度為24m。

      3.1.2 強夯置換法加固地基后的參數(shù)變化。下面給出ZK18詳細計算過程(計算簡圖如圖2)。如圖2 所示0.5m厚的淤泥粉質(zhì)粘土,γ=15.8kN/ m3,Es1=3.87MPa;下面是2.5m的粉砂,γ=17.5kN/m3,Es2=3.2MPa;第三層為淤泥粉質(zhì)粘土,γ=15.8kN/m3,Es3=3.87MPa?;氐膲毫?70kPa,基地附加應(yīng)力=70-γ×0.5=62.1kPa?;A(chǔ)寬度b=3.4m,暫取基礎(chǔ)寬度L=10.88m?;A(chǔ)埋深為0.5m。

      (1)地基受壓層計算深度Zn

      Zn=b(2.5-0.4lnb)Zn=3.4(2.5-0.4ln3.4)=6.8m

      通常對于多分類任務(wù)解決的基本思路是將多分類問題拆解為多個二分類任務(wù)進行求解。具體來說,是先對多分類問題進行拆分,然后為拆出的每個二分類任務(wù)訓(xùn)練一個分類器;在測試時,對這些分類器的預(yù)測結(jié)果進行集成以獲得最終的多分類結(jié)果。通常采用兩種經(jīng)典且容易實現(xiàn)的拆分策略,即一對一(OVO)和一對多(OVA)。

      L/b z/b a 3.2 z0/b=0/3.4=0 1.000 3.2 z1/b=3/3.4=0.882 0.834 3.2 z2/b=5.5/3.4=1.618 0.654 3.2 Z3/b=6.8/3.4=2 0.584

      (2)a取值(3)求ψS由

      A1=(1+0.834)×3/2=2.751

      A2=(0.834+0.654)×2.5/2=1.86 A2=(0.654+0.584)×1.3/2=0.805 ψS=1.40-0.1×1.111/1.5=1.326 (4)沉降量S

      =1.326×62.1×[0.834×3/3.87+ (0.654×5.5-0.834×3)/3.2+ (0.584×6.8-0.654×5.5)/3.87]=8.9cm。

      (5)當?shù)鼗?jīng)過處理后,Es1=7.11MPa,計算的沉降量為5.1cm,即工后沉降得到了有效的的控制。

      3.2 碎石樁法。該方法全稱振動沉管擠密碎石樁,是指采用沉管或其它方法在地基中設(shè)置碎石樁,在成樁過程中對周圍土層產(chǎn)生擠密,被擠密的樁間土和碎石樁形成復(fù)合地基,達到提高地基承載力和減小沉降的目的。對于飽和土,在碎石樁施工結(jié)束以后,在上覆土壓力作用下,通過碎石樁良好的排水作用,樁間粘性土發(fā)生排水固結(jié),同時由于粘性、水分子、離子之間重新形成新的穩(wěn)定平衡體系,使土的結(jié)構(gòu)強度得以恢復(fù)。因此,從碎石樁和土組成復(fù)合地基角度來看,碎石樁處理飽和軟弱粘土地基,主要有兩個作用。一是置換作用,碎石樁與樁間土共同形成復(fù)合地基,其主要起墊層的應(yīng)力擴散和均布作用,從而提高地基承載力,減小沉降量。地基承載力增大率與沉降量的減小率均和置換率成正比關(guān)系。二是排水作用,不是影響粘性土性質(zhì)的主要因素之一,粘性土地基性質(zhì)的改善很大程度上取決于其含水量的減小。由于碎石樁縮短了排水距離,從而可以加快地基的固結(jié)沉降速率。

      3.2.1 碎石樁設(shè)計施工的要點。(1)樁徑:對于淤泥質(zhì)等飽和土應(yīng)采用較大的直徑,如500mm~800mm,這里取d=800mm。(2)樁長:規(guī)范要求不應(yīng)小于最危險滑面以下2m的深度,一般不小于4m,按照前面強 夯地基的處理深度及搜索的滑面,本工程樁長可定為5m。(3)樁距:均取1.5m,按正方形布置。(4)墊層:樁頂1m范圍內(nèi)應(yīng)碾壓夯實,再鋪設(shè)300 mm~1000mm厚的墊層,并夯實,作為構(gòu)筑物的基礎(chǔ)。

      3.2.2 碎石樁地基加固后參數(shù)變化。對淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土面層:容許承載力50kPa,壓縮模量2.13MPa,內(nèi)聚力1.4kPa,內(nèi)摩擦角4.5度。碎石樁置換率,de為一根樁分擔的地基處理面積的等效圓直徑,對正方形布樁de=1.13s,s為樁距。d=0.8m,de=1.13s=1.13 X1.5=1.695m,按常規(guī)的樁體承載力fak=300-600kPa,安全起見這里取300kPa。參照振沖樁復(fù)合地基承載力計算,樁土應(yīng)力比n=300/50=6,fspk=[1+m(n-1)]fsk≥[1+0.22(6-1)]× 50=105kPa。再按復(fù)合地基公式計算壓縮模量,Esp=[1+m(n-1)]Es≥[1+0.22 (6-1)]×2.13=4.473MPa,雖然處理效果不及強夯明顯,但亦能滿足設(shè)計要求。

      3.3 地基處理方案比選。碎石樁與強夯置換相比,有兩個弱點,一是在浸水地區(qū),其排水固結(jié)作用受到抑制;二是對樁間土的擠密作用不及強夯明顯。因此,從可靠性角度上說,推薦采用強夯置換法進行地基處理。

      結(jié)語

      單就地基承載力而言,砂卵石層經(jīng)夯實后遠大于100kPa的最低要求,因此對于軟弱淤泥質(zhì)土,強夯置換地基處理技術(shù)是可行的。至于沿河道縱橫向的不均勻沉降問題,強夯能夠?qū)⒔^大部分沉降量先期處理掉,使得工后沉降盡可能小,而擠淤后形成的砂卵石墩能約束地基的不均勻沉降以及水平的位移。從技術(shù)分析上看,強夯置換能滿足工程技術(shù)需要,另外強夯法施工機具簡單、節(jié)省材料、工程造價低、施工快捷,所以推薦方案是地基采用強夯置換法處治。

      圖2 計算簡圖

      [1] JGJ79-2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

      [2] GB50021-2001(2009版),巖土工程勘察規(guī)范[S].

      [3]《建筑施工手冊》(第四版)編寫組.建筑施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

      [4]《地基處理手冊》編寫委員會.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

      [5] GB50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

      TU471

      A

      劉玉國,1975.02.08 ,漢,籍貫為四川隆昌,中國石油工程設(shè)計有限責任公司西南分公司,工程師,碩士,巖土工程勘察與設(shè)計。1999年7月畢業(yè)于成都理工大學(xué)建筑工程專業(yè)本科,2007年7月獲得成都理工大學(xué)巖土工程專業(yè)碩士學(xué)位。

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