□文/陳紅超
沖擊引孔輔助振沖工藝處理復(fù)雜地層液化技術(shù)
□文/陳紅超
為消除處于震區(qū)的某水電站下臥軟弱液化層的危害,工程需要穿透上部深厚漂卵石覆蓋層,對(duì)下部液化砂層進(jìn)行處置。采用沖擊引孔結(jié)合振沖工藝在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析與對(duì)比,驗(yàn)證了該工藝處理復(fù)雜液化地層的可行性。
振沖;液化;復(fù)雜地層;沖擊;引孔
振沖工藝對(duì)碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土及濕陷性土等地基加固處理、各類可液化土的加密和抗液化處理,已經(jīng)在多個(gè)國(guó)家多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。
楊玉光等[1]介紹了振沖碎石樁在大沙河倒虹吸工程中的應(yīng)用,采用ZCQ-75KW振沖器,連續(xù)填料、強(qiáng)迫制樁施工工藝,平均制樁深度為基礎(chǔ)墊層以下5 m,檢測(cè)結(jié)果滿足工程要求。陳東乾[2]介紹了平潭長(zhǎng)江澳風(fēng)電廠振沖地基處理方案,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)9 m,樁徑0.7 m,采用ZCQ-30KW振沖器成樁,消除了砂土液化。許詩(shī)貴[3]介紹了杞麓湖隧道進(jìn)口基礎(chǔ)處理方法,地基為第四系湖積層,系可塑及軟塑狀淤泥質(zhì)粘土,采用ZCQ-50KW振沖器,振沖深度5~12 m,通過(guò)檢測(cè),振沖樁的密實(shí)度、承載力及沉降量均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。林代銳[4]結(jié)合工程實(shí)例介紹了振沖碎石樁在砂土地基處理中的應(yīng)用,主要采用ZCQ-30KW,在粘土和粉細(xì)砂地基中制樁長(zhǎng)度約6 m,檢測(cè)結(jié)果表明加固后地基抗液化性質(zhì)良好。上述工程主要在砂土、淤泥質(zhì)土等相對(duì)單一軟弱層中利用振沖工藝處置,工藝較為成熟,工程質(zhì)量可靠。對(duì)于孤漂卵石層下臥的液化砂層處置,單靠振沖工藝無(wú)法滿足要求。在陰坪水電站首部樞紐工程項(xiàng)目上對(duì)這種復(fù)雜地層液化處置進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
陰坪水電站首部樞紐位于北部文縣弧形構(gòu)造帶、西部岷江—雪山—虎牙斷裂帶和東南部龍門(mén)山斷裂帶所圍限的楔形地塊的中南部,地震頻發(fā)。樞紐地層情況復(fù)雜,地基自上而下分8層,在地基⑦、⑥層中有大量孤漂石及漂木,振沖碎石樁底線應(yīng)穿過(guò)⑤層(液化砂層)底線至少1 m,振沖器無(wú)法直接貫入,利用擊成孔輔助振沖工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
2.1 原始覆蓋層物理力學(xué)性能
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察,試驗(yàn)水電站閘壩區(qū)原始地層性能參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 閘壩區(qū)原始覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)
地層結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜,存在軟弱下臥層,承載力、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度低且存在液化層。
2.2 地層分布
河谷呈不對(duì)稱“U”型,為較典型的橫向谷。河床覆蓋層主要由砂卵礫石、砂及壤土組成,自上而下分為8層。
1)⑧層。褐黃色粉砂質(zhì)壤土層,鉆孔揭示該層厚0~5.92 m。結(jié)構(gòu)疏松,為崩坡積、沖積混合成因。碎礫石主要為二云母石英片巖,土為淺黃色壤土,可見(jiàn)大量植物根系。
2)⑦層。含漂砂卵礫石層,厚2.83~8.25 m,該層結(jié)構(gòu)較松散,漂(塊)卵礫石粒徑20~30 cm,卵石粒徑5~8 cm、礫石粒徑0.5~1 cm,圓~次圓狀;砂為灰褐色中細(xì)砂。
3)⑥層。深灰色粉砂質(zhì)壤土層,厚0~8.78 m,最小埋深3.15 m。結(jié)構(gòu)較緊密,含水量較高,呈軟塑~流塑狀,含有機(jī)質(zhì)。
4)⑤層。砂層,厚2.37~20.16 m,最小埋深4.9 m,分布較連續(xù),河床附近較厚,向岸坡方向變薄,上游較厚達(dá)18.83~20.16 m,下游變薄僅2.37 m。該層主要為灰褐~黃褐色粉細(xì)砂~中粗砂,二者界限不明顯,以粉細(xì)砂夾中粗砂透鏡體更常見(jiàn)。該層結(jié)構(gòu)較松散,見(jiàn)3~5 cm碎石包含物。
5)④層。深灰色粉砂質(zhì)壤土層,層厚0~8.52 m,最小埋深9.1 m。該層結(jié)構(gòu)較緊密,多呈硬塑狀。
6)③層。塊碎石土層,分布較連續(xù),層厚0~8.47 m,塊石粒徑40~60 cm;碎石粒徑3~10 cm,多呈棱角狀,部分呈次圓狀;礫石粒徑1~2 cm,次棱角狀;土為砂土。
7)②層。深灰色粉砂質(zhì)壤土層,層厚0~18.0 m,該層結(jié)構(gòu)緊密,多呈硬塑狀。
8)①層。含漂砂卵礫石層,分布于河谷底部,該層厚度變化較大,厚0~55.21 m。漂石粒徑30~50 cm;卵石粒徑5~15 cm及2~3c m。
要求處理后的第⑤、⑥層復(fù)合地基壓縮模量和抗剪強(qiáng)度比原土層有較大提高;復(fù)合地基⑤、⑥層分層承載力>0.35 MPa并具有抗液化能力。故采取振沖碎石樁工藝對(duì)地基進(jìn)行處理。
4.1 抗液化
針對(duì)砂性土及少粘性土,振沖法主要是通過(guò)振密、排水減壓以及預(yù)振效應(yīng)增強(qiáng)抗液化能力。
4.2 改善復(fù)合地基工程性態(tài)
針對(duì)復(fù)合地基工程特性,振沖碎石樁主要功能有減少地基的沉降和不均勻沉降,提高地基的承載力與穩(wěn)定性以及發(fā)揮墊層作用。
4.2.1 減少地基的沉降和不均勻沉降
復(fù)合土層的壓縮模量[5]
n——樁土應(yīng)力比,σp/σs=n,σp為樁頂壓力,σs為樁間土上壓力;
Ep——復(fù)合地基中碎石樁的壓縮模量,MPa;
Es——樁間土的壓縮模量,MPa。
由式(1)可知,復(fù)合土層的壓縮模量大于原土的壓縮模量且隨置換率m、樁土應(yīng)力比n的增大而增大,即樁愈密,樁愈強(qiáng)硬,復(fù)合地基的沉降就愈小,相應(yīng)的不均勻沉降也隨之減少。
4.2.2 增大地基承載力與穩(wěn)定性
1)復(fù)合地基的承載力[5]
軟弱層承載力較低,要求作用在頂面處的附加應(yīng)力及自重應(yīng)力之和不超過(guò)此層修正后的承載力。
式中:Pz——軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值;對(duì)于矩形基礎(chǔ)kPa;其中P0為基底平均應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;b為基礎(chǔ)底面寬度,m;l為矩形基礎(chǔ)底邊長(zhǎng)度,m;θ為地基壓力擴(kuò)散角,(°);對(duì)于z<0.25b、θ=0,Pcz為軟弱下臥層頂面處的自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;
faz——軟弱下臥層頂面處的經(jīng)深度修正后地基承載力特征值,kPa;
fak——地基承載力特征值,kPa;
ηb、ηd——基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù);
r、rm——基礎(chǔ)以下土的重度和基礎(chǔ)以上土的加權(quán)平均重度,地下水位以下取浮重度,kN/m3;
d——基礎(chǔ)埋置深度,m。
2)振沖樁復(fù)合地基的承載力[5]
式中:fsp,k——復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值,實(shí)為樁土共同協(xié)調(diào)的承載力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;
m——面積置換率;
n——樁土應(yīng)力比;
fsk——樁間土承載力特征值,kPa;
fpk——樁體單位截面積承載力特征值,kPa。
3)復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度Ssp為碎石樁體與樁間土抗剪強(qiáng)度共同組成[5]
復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)
式中:CspCs——復(fù)合土體和樁間土的凝聚力;kPa;
μp——應(yīng)力集中系數(shù);
P——復(fù)合地基上作用荷載的平均強(qiáng)度,kPa;
rp——碎石樁密度,kg/m3;
Z——柱條復(fù)合土體的研究點(diǎn)的弧段深度,m;
θ——滑動(dòng)面在地基某深度處的剪切面與水平面的夾角,(°);
φs、φp——樁間土和碎石樁的內(nèi)摩擦角,(°);
m——面積置換率;
n——樁土應(yīng)力比。
5.1 樁孔布置
振沖碎石樁以等邊三角形布置,設(shè)計(jì)成樁直徑為1 m,樁間距為1.5 m,振沖碎石樁底線應(yīng)穿過(guò)⑤層(砂層)底線至少1 m。在試驗(yàn)施工區(qū)鉆5個(gè)檢測(cè)孔,其中JBT1、JBT2做地震波速測(cè)試、樁間土標(biāo)貫、注水試驗(yàn)并取芯,JBZ1、JBZ2、JBZ3做樁身觸探,JBZ2做樁身取芯,檢測(cè)鉆孔布置見(jiàn)圖1。
圖1 試驗(yàn)孔布置
5.2 填料要求
采用具有良好級(jí)配的碎石,其飽和抗壓強(qiáng)度>40 MPa,含泥量(<0.075 mm)≯5%且無(wú)腐蝕性、性能穩(wěn)定,不得使用強(qiáng)風(fēng)化易軟化的石料。材料粒徑20~100 mm,個(gè)別最大粒徑≯120 mm。
5.3 振沖施工參數(shù)
振沖施工參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 振沖施工參數(shù)
5.4 振沖施工流程
振沖施工流程見(jiàn)圖2。
圖2 振沖施工工藝流程
試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3-表6。
表3 振沖試驗(yàn)樁間土標(biāo)貫成果(修正后)
表4 振沖試驗(yàn)區(qū)JBT1鉆孔地震波速砂土液化判別
續(xù)表4
表5 振沖試驗(yàn)樁身(超)重力觸探試驗(yàn)成果
表6 振沖試驗(yàn)區(qū)單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果
1)復(fù)合地基承載力驗(yàn)算滿足工程要求。
2)經(jīng)過(guò)振沖處理后,第5、6層承載力、抗剪強(qiáng)度較原地層明顯提升。
3)通過(guò)前后地震波速數(shù)據(jù)分析,第5、6層經(jīng)振沖工藝處理后基本消除了液化風(fēng)險(xiǎn),滿足了工程需要。
4)通過(guò)試驗(yàn)可知,沖擊鉆引孔輔助振沖工藝,可以有效地克服復(fù)雜地層,處理其下臥軟弱液化層。
[1]楊玉光,魏鳴冬,陳忠文,等.振沖碎石樁在大沙河倒虹吸工程中的應(yīng)用[J].東北水利水電,2005,23(12):25-26.
[2]陳冬乾.振沖碎石樁在平潭長(zhǎng)江澳風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用[J].電力勘察設(shè)計(jì),2005,(6):19-22.
[3]許詩(shī)貴.振沖樁在杞麓湖隧道進(jìn)口基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用[J].云南水力發(fā)電,2006,22(3):29-33.
[4]林代銳.振沖碎石樁在砂土地基處理中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)與管理,2006,(25):16-17.
[5]何廣訥.振沖碎石樁復(fù)合地基[M].北京:人民交通出版社,2001.
TU472
C
1008-3197(2016)06-68-04
10.3969/j.issn.1008-3197.2016.06.023
2016-10-31
陳紅超/男,1981年出生,工程師,中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司,從事工程技術(shù)管理工作。