振沖碎石樁在飽和軟土地基處理中的應用研究

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碎石樁復合地基是處理軟土地基的一種迅速而有效的方法。但是，《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79－91）第六章第一節(jié)第6.1.1條“……振沖置換法適用于不排水抗剪強度不小于20KPa的粘性土、粉土、飽和黃土和人工填土等地基。……”，其他教科書等也認為振沖碎石樁不適應于不排水抗剪強度低于20KPa的軟粘土中。
    本文詳細介紹了汕頭市某廠房內地坪成功采用振沖碎石樁的設計及施工方法，并結合廣州地區(qū)近年來振沖碎石樁工程設計與施工實例進行技術評價，說明在不排水抗剪強度低于20KPa的軟土地基完全可采用振沖碎石樁進行處理，關鍵是施工中應認真執(zhí)行有關設計施工操作規(guī)范，并進行必要的經濟分析，以確定最優(yōu)處理方案。
    2、某廠房內地坪振沖碎石樁設計實例
    2.1工程概況
    汕頭市某廠房內地坪用來承放高精密度機械設備，承載力要求僅為50KPa，但該機械設備對不均勻沉降非常敏感，初步設計采用架空地坪，即地坪與樁承臺連為一體?？墒羌芸盏仄涸靸r太高且對機械設備的后期改良不利。應業(yè)主邀請，筆者建議采用振沖碎石樁復合地基進行處理，并就振沖碎石樁復合地基有關計算和施工參數進行了設計。共完成了振沖碎石樁3470根，39558米，填料量37185m3，碎石墊層約5000m3。
    2.2 場地土層情況
    場地土層自上而下為①素填土、耕作土；②淤泥：底面埋深為-12.56~-10.26,γ=15.9kN/m3,十字板抗剪強度多為10~13KPa，fk=40KPa；③粗砂：平均厚4.9m，γ＝20.2 KN/m3,fk=220 KPa；④淤泥：平均厚16.5m，γ=16.4KN/m3,            
    fk=50KPa；⑤粉質粘土：平均厚3.0m，γ＝18.5 KN/m3,fk=110 KPa。
    場地地下水位高（±0.00），處理對象為上部②淤泥。③粗砂具一定厚度，且承載能力高，可作一般樁基持力層，但下臥④淤泥厚度大且強度低應對其作承載力和變形驗算。
    2.3設計計算
    2.3.1確定加固范圍及復合地基承載力
    加固范圍取樁承臺內8×8m 范圍，設計布樁14根，樁徑1.0m，三角形布樁，樁距2.50m,，行距2.20m，素填土及耕作土視作淤泥看待，加固深度11.4m至③粗砂層頂面，樁頂鋪設30cm碎石墊層。由fspk=［1+m(n-1)］fsk，m=d2/de2=0.14，fsk＝40KPa，n取4，計算得：fspk=56.8KPa。
    2.3.2計算假設
    a)加固深度內全部為淤泥，地基土為各向同性；b)承臺內8×8m 地坪范圍等效為矩形面積上均布荷載作用下的剛性基礎；c)樁長達硬層；d)無相鄰荷載影響。
    2.3.3地基受壓層計算深度
    按《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ7－89）計算，Zn=b(2.5－0.4Inb)=8×(2.5－0.4In8)=13.4m。
    2.3.4地基土自重應力計算
    бcz1 = (15.9－10) ×11.4=67.26Kpa
    бcz2 =(20.2－10)×(13.4－11.4)+бcz1=87.7 KPa 
    2.3.5附加應力計算
    бz0=50KPa
    l/b=1,z/b=3.35，查規(guī)范附表10－1得ac＝0.037
    бz1= 4acб0=4×0.037×50=7.4KPa
    2.3.6下臥層承載力及變形驗算
    бz1+бcz2=87.7+7.4=95.1KPa
    粗砂平均厚為4.9m，fk=220KPa＞95.1KPa，且бz1=7.4＜0.1бcz2=8.77KPa。對于軟土，基礎底面中心O點下深度Z處的附加應力бz等于同一深度Z處的自重應力бcz的0.1倍時，此深度即為地基受壓深度Zn，說明粗砂具足夠強度，Zn=13.4m也符合變形計算深度要求。
    2.3.7基礎中點下天然地基沉降量S
    粗砂變形可忽略不計，假定計算深度范圍內全部為淤泥。規(guī)范公式簡化為：  
    S=ΨsPo(Z1  a1)/Es1
    Ψs－沉降計算經驗系數，由Es查表得；
    Po－基底面處的附加應力，取50Kpa；
    Z1－為13.4m；
    a1－查范附錄十:附表10-2“矩形面積上均布荷載作用下角點的平均附加應力系數 a”,按應力疊加原理l/b=4/4＝1.0，z1/b=13.4/4=3.35，查表得  a=0.12695，a1=4   a=0.508。
    Es1＝1.74Mpa；
    Es＝∑Ai/(∑Ai/ Esi), A1= z1 (a0+ a1)/2 , A2= (z2 －z1)(a1+ a2)/2，因為加固范圍內全部為淤泥，故Es＝Es1＝1.74Mpa。查表內插得Ψs＝1.45,計算：s=283.6mm
    2.3.8復合地基總沉降量（沉降折減法）
    Ssp＝βS
    β為沉降折減系數，0＜β＜1，β＝1/［1+m(n-1)］,
    m為置換率 ，n為樁土應力比；
    S為天然地基沉降總量；
    Ssp為復合地基總沉降量。
    計算得：β＝0.70。
    Ssp＝βS =0.70×283.6=198.5mm
    2.3.9復合地基沉降穩(wěn)定時間
    振沖碎石樁復合地基變形的組成包括樁體自身沉降和樁間土的變形兩部分。樁體自身沉降是以樁柱體在荷載作用下的壓脹變形為主，對于樁間土的變形則是以壓縮變形為主。本工程設計復合地基置換率為0.14，即壓脹變形忽略不計，因此，變形可近似由樁頂變形和樁間土表面變形構成。
    施工期間車輛碾壓、樁頂碎石墊層施工的碾壓作用和后繼填土施工時的碾壓作用、以及依靠墊層的流動補償性，樁頂變形和樁間土表面變形能在施工期間迅速均勻地進行。經測試結果表明，軟土在施工30天后排水固結完成，強度得到恢復，故振沖碎石樁復合地基一般在地基處理完后的30天即可完成80％沉降，剩下20％的沉降在加載后樁間土強度改善過程中完成（約三個月），半年后沉降趨于穩(wěn)定。
    2.4設計要求
    2.4.1設計控制標準
    a)據填土荷載及機械荷載要求，復合地基承載力標準值不小于50Kpa。
    b)根據機械設備的工藝要求,工后沉降控制在25－30mm,且不出現差異沉降。
    2.4.2振沖碎石樁技術要求
    a)按內地坪單元布樁，單元規(guī)格為8500×8500、8500×9000和9000×9000三種，每個單元布樁14根。樁徑φ1000，樁距2.50m，行距2.20m，樁長以達相對硬層粗砂層為準，平均長11.4m。
    b)碎石樁施工采用ZCQ-30型振沖器，施工后樁頂鋪設碎石墊層，厚度為30cm。
    c)碎石材料采用未風化φ30~80cm碎石，含泥量不大于5％。
    d)內地坪處理范圍外加一排護樁，距外軸線2.0m布樁，護樁樁徑φ1000，樁距3.0m。
    e)密實電流暫定為45~50A，留振時間10~15S，具體施工參數經試樁后確定。
    f)其他項目參照有關規(guī)范、規(guī)程。
    2.4.3設計檢測方法
    a)復合地基承載力標準值采用單樁復合地基載荷試驗確定，試驗按《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79－91）附錄一“復合地基載荷試驗要點”進行。
    b)埋設沉降觀測桿和位移觀測樁，振沖碎石樁施工完后進行觀測。觀測時間為一年，并根據觀測資料的分析，預測后期沉降和最終沉降。
    2.4.4施工注意事項
    a)施工前應平整場地，鏟除雜草等，為方便施工，應先鋪設50cm厚中砂墊層，施工平面不得低于地下水位。
    b)振沖碎石樁施工水壓不小于500KPa，水量不小于30m3/h。
    c)施工順序按“由外到里、兩邊往中間”的原則同時推進施工。
    d)單位填料量不少于理論填料量，擴散系數按1.2計，即0.785×1.2＝0.94m3，保證復合地基置換率。
    e)有關碎石樁施工允許偏差還應符合《公路軟土地基路堤設計與施工技術規(guī)范》（JTJ017－96）中相關規(guī)定。
    2.5試   樁
    樁長為11.0m，施工密實電流45~50A，留振時間10S，單樁耗碎石13.5m3，單位填料量約1.23m3/m，說明施工參數與設計樁徑相匹配。最后由設計、監(jiān)理、質監(jiān)、施工單位及業(yè)主共同確定按原設計參數即：密實電流45~50A，留振時間10~15S進行大面積施工。
    2.6處理效果
    2.6.1施工監(jiān)測
    在施工過程中，筆者使用了廣東有色地勘局九三二隊曹志明等研制的DC-3振沖監(jiān)測系統(tǒng)（一種帶數字分析模型的施工監(jiān)控與分析系統(tǒng)）對成孔與制樁進行全程監(jiān)控，重點監(jiān)測振沖三要素：密實電流、留振時間和填料量。其中填料量計算方法采用每個振密段長（0.5m）對應的成孔電流、密實電流和施工時間（該段成孔時間與振密制樁時間）聯立方程求解所得，對比人工記錄的填料量和總體耗填料量，誤差較小。將收集的數據按施工位置平均分四組，再從這四組數據中隨機抽樣另組成一組數據，對此五組數據進行綜合分析，成果包括施工電流變化特征曲線、施工狀態(tài)分析和處理效果評述等。五組數據表明，振沖三要素基本一致（達到設計要求），平均樁徑φ115，場地整體施工狀況較為均一，處理效果良好。三要素統(tǒng)計結果見表1：
    表1    DC-3   振沖三要素統(tǒng)計數據分析結果
        要素     組號    平均密實電流     I（A）  平均留振時間 S（s）  每米填料量 （m3）
 
                    1              50                                 12                         1.0
 
                    2              47                                 14                          1.2
 
                    3               50                                10                          0.92
 
                    4               43                                 12                          1.0  

                    5                55                                 10                          1.1
 
    2.6.2  施工要點：
    飽和軟土地基上施工振沖碎石樁，主要難點是成孔質量問題和成樁時電流及留振時間難以達到設計要求，這都要在施工中采取有效的工藝措施來解決，主要方法有：
    （1）成孔：成孔速度宜慢，振沖器在成孔過程中應保持懸垂狀態(tài)，保證孔壁的完整和孔的垂直度；成孔時水壓不宜小于500kpa，水量不小于30m3/h，保證孔內淤泥及其團塊返出地面，保證填料的暢順，提高施工功效，還能保證樁體的排水固結作用不因樁體含泥量大而影響。為進一步保證成孔質量，終孔后必須進行清孔1-2遍。
    （2）成樁：成樁時電流及留振時間難以達到設計要求，主要原因是碎石難以充分地到達預定位置。為解決這些問題，除成孔質量要保證外，在成樁時還要根據不同的地質條件，采取不同的成樁工藝。飽和軟土中主要解決填料工藝問題，規(guī)范要求采用“間斷填料法”，但在實際施工中，我們都采用“綜合填料法”，即在成樁過程中根據實際情況，有時采用“間斷填料法”，有時采用“不間斷填料法”，更多的是綜合此兩種方法，讓振沖器在孔內不停地上、下串動進行填料、振密和留振。此法能避免飽和軟土振沖碎石樁施工常見的“卡管”和“斷樁”現象，保證樁體連續(xù)性和密實度。
    （3）成樁過程中還應注意密實電流和瞬間電流的區(qū)別，留振時間應是“在穩(wěn)定密實電流下的持續(xù)時間。”
    2.6.3 檢測結果
    復合地基承載力標準值采用單樁復合地基載荷試驗確定，按《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-91）中有關規(guī)定進行，根據碎石墊層在振沖碎石樁復合地基中的作用，要求試驗直接在碎石墊層上進行。本工程共檢測4根樁，檢測結果見表2：
                                         表2      試驗結果匯總表

序號  試驗 點號  復合地基  極限承載力QU(Kpa)   大沉降(mm)  殘余沉降量(mm)   fspk對應沉降量(mm)
                       承載力設計值fspk(kPa) 
 1    2A-9   50          ≥100               14.32               9.37              6.81  
 2    1N-6   50         ≥100                12.57               8.98              5.72
 3    13J-5  50         ≥100                  6.64               3.44              2.50
 4   17C-6  50         ≥100                11.98               6.66              4.32
 
    結果表明，總沉降量小，fspk對應的沉降量極?。ㄆ骄?.83mm），回彈率37.5%，Q—S曲線平緩，S—lgt 曲線呈平行規(guī)則排列，復合地基承載力標準值≥50KPa，完全符合設計標準和滿足工程要求。      
    該廠房地坪處理后，經一年的沉降觀測，沉降在施工完后的三個月就已趨于穩(wěn)定，總沉降量較?。ㄆ骄鶠?51mm,小于設計計算量），各觀測點沉降較均勻。 說明經振沖碎石樁處理后，沉降能很快完成，總沉降量較小，且無差異沉降。比設計預期效果還要好。
    3、振沖碎石樁與樁間土抗剪強度
    3.1工程應用實例
    近幾年來，筆者在珠三角及沿海地區(qū)軟土地基上主持了許多振沖碎石樁的設計和施工項目，滿足了不同建筑類型的承載和變形要求，現列舉如下幾個工程事例：
    3.1.1華南路1標振沖碎石樁工程：設計樁徑為60cm，樁長5m和6m，樁距1.3m，正三角形布樁，密實電流20~24A（實際施工為27~30A），留振時間10~15S（實際施工為3~5S），處理后復合地基承載力標準值不小于120Kpa。處理對象為上部淤泥、淤泥質土，流塑~軟塑狀，Cu平均為9.20KPa。試驗直接在墊層上任取一點進行，試驗表明處理后復合地基承載力標準值為150-205KPa，達到預期效果。試驗結果見表3：試驗結果匯總表。
    表3    試驗結果匯總表
   
序號  試驗 點號  承載力設計值Pa(kPa) 極限承載力QU(Kpa)  大沉降 (mm) 殘余沉降量(mm)  Pa對應沉降量(mm)
  1  試驗   1  １２０  330  15.20  8.64  3.08 
  2  試驗   2  １２０  330  16.07  8.90  3.08
  3  試驗   3  １２０  300  14.42  8.13  2.74
  4  試驗   4  １２０  410  17.29  10.21  2.76
 
    3.1.2廣園東路碎石樁工程：場地地層主要為淤泥、淤泥質土和淤泥質粉砂，含水量高、孔隙比高、具高壓縮性、呈流塑或松散狀。要求處理后復合地基承載力標準值不小于100KPa，在引道范圍不小于130KPa；設計樁長9.0m，樁徑80cm，樁間距1.6m，正三角形布樁，軟土不排水抗剪強度CU值為2.0~11.0KPa，平均為5.3KPa，天然地基載荷試驗結果僅為45KPa。共施工樁數14萬多根，約130萬延米，施工完后進行單樁復合地基載荷試驗檢驗全部達到設計要求。
    3.1.3其他實例有：順德新港碼頭軟基工程，順德大學軟基工程，廣州東南西環(huán)高速公路軟基工程等等，總括起來，在珠三角飽和軟土地基上振沖碎石樁施工成功的樁數超過100萬根之多！
    3.2振沖碎石樁成樁及加固機理
    ⑴振沖碎石樁為散體材料樁，在軟土地基中是依靠碎石置換軟土，并形成高強度（相對軟土）的樁柱體來提高承載力和減小沉降，從而達到加固軟土的目的。
    ⑵碎石樁是依靠樁間土的側限阻力來成樁的，側限阻力與樁間土的巖土工程性能有關，直接關聯的是樁間土的不排水抗剪強度Cu值。
    ⑶由于碎石樁體壓縮性明顯小于軟土，基礎傳遞給復合地基的附加應力隨地基的變形逐漸集中到樁身上，同時樁身產生側向變形壓迫樁間土，將應力傳遞給樁間土，使樁、土共同作用將應力向四周擴散，這樣就形成一個大型的樁、土協(xié)作體。
     ⑷眾所周知，土具有兩個基本特性，即壓硬性和剪脹性，其中壓硬性是指土的強度和剛度隨壓應力的增大而增大。軟土在振沖碎石樁施工時受巨大的水平振動力（大于軟土的結構破壞壓力）擾動，結構強度遭破壞，孔隙水壓急劇升高，抗剪強度降低；施工完后，隨上部應力的增加，孔隙水壓力經樁體消散，樁間土孔隙比變小，土顯著壓密，抗剪強度又開始恢復并比原來有所提高。故碎石樁體在軟土地基中充當排水通道作用，使樁間土排水固結，強度提高，抵抗樁體側向變形能力更強，樁體應力集中更明顯，達到樁、土協(xié)調一致，提高了復合地基強度。
    3.3實踐總結與分析
    其實在不排水抗剪強度低于20KPa的軟土地基上采用振沖碎石樁處理成功的工程實例不勝枚舉，如：天津塘沽長蘆鹽場第二化工廠廠房軟基，珠江電廠軟弱淤泥地基以及近期廣州國際會展中心周邊道路1~4標等等。對于上節(jié)3.1.1和3.1.2工程實例若按《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79—91)有關經驗公式計算是遠遠達不到設計要求的，如3.1.1中按規(guī)范計算復合地基承載力標準值為：fspk=［1+m(n-1)］fsk，m=d2/de2=0.62/(1.05×1.3)2=0.19，n取4，fsk取60KPa計算：fspk=94.2KPa(<120kpa)。而3.1.2中也是與設計相差懸殊：m=d2/de2=0.82/(1.05×1.6)2=0.23，n取4，fsk取45KPa，計算得： fspk=76KPa(<100KPa)，但是靜載結果大多還超過120KPa。筆者在以上及其他同類工程研究總結認為，軟弱地基上采用振沖碎石樁關鍵應做到：精心設計，合理組織，認真施工，嚴格把關，規(guī)范監(jiān)理。在選擇施工隊伍時特別是試驗樁施工應選擇具豐富施工經驗的隊伍。
    振沖碎石樁是靠振沖器的水平振動力來制樁，樁間土不同的Cu值對應于不同的密實電流、留振時間和樁徑。實踐證明，只要能達到一定的密實電流和留振時間即樁體和樁間土之間能達成一力學平衡，且不產生“串樁”現象就可采用振沖碎石樁工藝，取舍在于與其他工藝作經濟對比是否合理。施工參數一般認為：留振時間3~5S為宜，1米樁徑時一般為10S；密實電流多為30~55A，為保證樁體密實度，設計樁徑宜大于80Cm。
    4、結語
    （1）實踐證明，只要在不排水抗剪強度小于20KPa的軟弱地基上能夠成樁就可采用振沖碎石樁處理。采用振沖碎石樁時宜計算驗證復合地基是否符合承載力和滿足沉降要求，并作經濟對比核算進行取舍。
    （2） 設計振沖碎石樁可用規(guī)范法進行變形驗算和采用經驗公式計算復合地基承載力標準值，然后用沉降折減法計算復合地基總沉降量。
    （3）規(guī)范法進行振沖設計偏于保守，振沖碎石樁理論的研究明顯落后于工程實踐，亟待新的試驗方法對其進行研究。

參考文獻
    1、中華人民共和國行業(yè)標準:《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GBJ7—89).北京: 中國建筑工業(yè)出版社,1989
    2、中華人民共和國行業(yè)標準:《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79—91).北京: 中國計劃出版社,1992
    3、陳希哲.土力學地基基礎.第三版.北京:清華大學出版社,1997
    4、藍 冰.論碎石墊層在振沖碎石樁復合地基中的必要性.巖土工程師,2001,13(1):39~41
    5、沈珠江.理論土力學.第一版.北京:中國水利水電出版社,2000