柱錘沖擴樁結合排水固結在填海場區地基處理中的應用

隋孝民,周麗華

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 工程概況

東北地區某鐵路車站場區位于半拉海海邊,為近2年開山填海形成的場地,鐵路路堤設計填高1～3 m。

場地表層為素填土,松散狀態,潮濕～飽和,層厚為4.0～6.7 m,由石英砂巖,泥灰巖,石灰巖礫石組成,粒徑大小不均,最大粒徑100 mm,由于填筑時間較短且未經壓實處理,土層仍處于松散狀態；下部為海相沉積淤泥層,流塑狀態,含腐殖質,厚7.4～12.8 m,主要物理力學指標為,天然快剪指標：γ=16.1 kN/m3,c=8.0 kPa,φ=10.40°；三軸壓縮試驗指標：Ccu=14.0 kPa,φcu=12.9°，C′=16.0 kPa,φ′=14.5°,Cu=4.0 kPa,φu=1.4°,無側限抗壓強度qu=6.0 kPa。淤泥層強度低、滲透性差、壓縮性高。再下為粉質黏土,褐黃色,硬塑,層厚1.3～3.7 m；局部分布有粉砂,褐黃色,稍密,飽和,層厚0.2～5.5 m；底部為石灰巖,灰色,弱風化,節理裂隙較發育,巖溶不發育。

2 方案設計

本場區表層為新近堆填的素填土,可壓縮性高,沉降大。下部淤泥層厚,強度低,易失穩,經計算天然地基沉降超過1.0 m,最大達到了1.5 m,作為天然地基易失穩,且沉降大,需進行地基處理后方可作為車站場地。針對這種上硬下軟的復合地層,設計時提出了3個可行方案。

方案一：砂樁復合地基方案。砂樁既能擠密表層素填土,又能加速下部淤泥層的排水固結,是一種最為適合的可選方案；

方案二：柱錘沖擴樁結合塑料排水板的方案。即深層淤泥層采用塑料排水板加速排水固結,表層素填土采用柱錘沖擴樁擠密加固,在夯錘夯擊的同時對下部淤泥層產生夯擊動能,加速其排水固結；

方案三：預應力管樁方案。采用預應力管樁對素填土及淤泥層同時進行加固。

站內地基加固面積為63 904 m2,各方案投資見表1。

表1 各方案投資比較

方案優缺點分析如下。

方案一：優點是砂樁復合地基既能解決場地的穩定和沉降問題,且投資較方案三低2 100萬元；缺點是地基固結時間最長,且投資較高,較方案二增加投資1 609萬元；

方案二：將排水固結和復合地基兩種措施結合起來,表層素填土通過柱錘沖擴樁處理、深部淤泥層通過造價較低的塑料排水板加速排水固結處理,同時在柱錘沖擴樁施工過程中通過夯錘的擠擴、夯擊加速淤泥層排水,這就構成了靠柱錘沖擴樁的動力加速排水板排水固結條件,形成所謂的動力排水固結方案,其最大優點是造價最低,且能解決場地的穩定和沉降問題；但缺點是較方案三固結時間長。

方案三：優點是剛性樁加固地基,能很好地解決場地的穩定和沉降問題,且施工后很短時間內路基就能填筑；缺點是投資過高,較方案二增加投資3 709萬元；

綜上所述,在方案設計中既要使方案在技術上可行,又要在經濟上合理,常規的剛性樁、砂樁地基加固的方法均能滿足技術要求,但投資普遍較高。柱錘沖擴樁結合塑料排水板方案同樣能解決場地的穩定和沉降問題,且當地開山料豐富,投資可大大節省,其投資僅是管樁和砂樁方案的14%和27%,該項目投資緊張,所以選擇了方案二作為推薦方案,即柱錘沖擴樁結合塑料排水板的動力排水固結方案。具體方案如下。

柱錘沖擴樁夯錘直徑0.377 m,成孔直徑0.5 m,夯后直徑0.6 m,沖擴樁間距2.0 m,正方形布置,樁長4～6.0 m,樁底距素填土層底不小于0.5 m,柱錘沖擴樁在施工中應嚴格控制打設深度,絕不能穿透素填土層。塑料排水板間距1.0 m,正方形布置,塑料排水板需穿透素填土和淤泥層,板頂設0.5 m厚的中粗砂墊層。塑料排水板應布置在柱錘沖擴樁樁位中間,詳見圖1、圖2。

圖1 地基加固橫斷面示意(單位：m)

圖2 柱錘沖擴樁結合塑料排水板平面布置示意

3 地基處理施工

場地整平后鋪設0.3 m厚砂墊層,施打塑料排水板,施工柱錘沖擴樁,在沖擴樁樁位先將砂墊層挖出后再施工柱錘沖擴樁,成樁檢測合格后再于樁位處回鋪砂墊層,最后鋪設排水板及柱錘沖擴樁頂部的0.2 m厚砂墊層。

3.1 塑料排水板

塑料排水板的施工工序：裝靴—定位—插設—上拔—切斷—移位。塑料排水板的插設深度需穿透淤泥層,且板頂應保證深入砂墊層不小于0.3 m,使其與砂墊層貫通,并將其保護好,以防施工柱錘沖擴樁時受損而影響排水效果。砂墊層采用顆粒組成均勻,不均勻系數應小于4的粗砂,其含泥量不大于3%,滲透系數不小于1×10-2cm/s,且不含有機質,垃圾等雜質,如混有少量礫石,粒徑應小于50 mm。

3.2 柱錘沖擴樁

(1)柱錘沖擴樁施工前應進行工藝性試驗,經檢測合格后確定合適的施工工藝參數,再進行大面積施工。

(2)柱錘沖擴樁施工工藝：測量放線→設備就位→柱錘沖擊成孔→填料→夯擊→測單擊貫入度→再次填料夯擊→測單擊貫入度→成樁。

(3)沖擊成孔

錘重35～40 kN,錘長3～5 m,柱錘直徑采用377 mm,成孔直徑500 mm,夯后直徑600 mm。成孔深度不應小于設計深度,并需嚴格控制打設深度,不能因穿透素填土層而形成懸浮樁。

成孔應采取橫移退打的方式自兩端向中間采用隔排或隔樁跳打法進行施工, 成孔過程中如塌孔或縮頸現象嚴重,無法成孔時,可采用護筒施工,但護筒壁應設觀察口(間距2.0 m),頂部設進料口(觀察口)。

當現場土質松軟,造成柱錘吸力過大,應采取措施排除,不得強行提錘,以防起重設備因超載而傾覆。當成孔至設計孔底高程附近,單擊貫入量大于1.0 m時,可將孔底回填磚瓦或碎石塊并反復擊實,再填土夯擊。

(4)填料夯實

樁身填料采用就地取材的山皮土,使用前應過篩,粒徑宜控制在60～120 mm,填料的有機物含量不應超過5%。每延米填料量不應小于0.42 m3,填料應分層填入樁孔夯實,樁身0～4.0 m每次填料不大于0.15 m3,樁身4.0 m以下每次填料不大于0.3 m3。每次填料錘擊數不小于3擊；前兩擊或兩擊以上落距不小于6 m；最后一擊提錘高度6 m的貫入度應小于0.15 m,否則應繼續夯擊直至滿足要求。成樁至地面時可采取低落距錘多擊數反復夯擊,以地面隆起不超過0.15 m為宜。

4 處理后的效果

地基處理完成后于砂墊層頂面埋設沉降板進行沉降觀測, 2008年11月26日開始地基處理施工,至2009年6月20日填土完成后,施工期間最大沉降13.2 cm。根據觀測數據采用雙曲線法進行沉降預測,預測總沉降為24.6 cm,剩余工后沉降為11.4 cm,滿足設計要求,可以看出,以往的普通排水固結方案施工期沉降較小,而工后沉降偏大,但是本方案因形成了所謂的動力排水固結條件,使得工后沉降小,施工期沉降大。

通過近2年的運營,該車站地基穩定,沒有出現滑移、失穩、沉降過大等現象,達到了預期的處理目的。

5 結語

(1)本工程地基處理中塑料排水板在淤泥中形成排水通道,并在其頂部鋪設疏水砂墊層,排水板施工后再施打柱錘沖擴樁,通過夯錘的擠擴、夯擊加速淤泥層排水,這就構成了靠柱錘沖擴的動力加速排水板排水固結條件,形成所謂的動力排水固結方案。

(2)對這種表層是開山土石新近堆填、下為淤泥的地層地基處理方案選擇時,一方面要考慮表層堆填土的密實問題,另一方面還要考慮淤泥層的穩定及沉降問題。散體擠密樁結合排水固結的復合方案的設計思路可為日后類似工程借鑒。

(3)在地基處理的方案選擇時,應首先提出較多的處理方案,再通過技術、經濟比較,選擇出技術可行、經濟合理的方案,為工程節省投資。

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