沉管砂石樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及其在軟土地基處理中的應(yīng)用

■林清琳（漳州市路達(dá)工程設(shè)計(jì)有限公司，漳州363005）

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沉管砂石樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及其在軟土地基處理中的應(yīng)用

■林清琳
（漳州市路達(dá)工程設(shè)計(jì)有限公司，漳州363005）

本文根據(jù)工程背景實(shí)際施工條件，針對(duì)本工程的地層巖性的實(shí)際特點(diǎn)，選擇砂石樁法作為地基處理的方法。砂石樁設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括樁徑、樁長、處理范圍等參數(shù)的確定的以及地基承載力的復(fù)核。為提高砂石樁復(fù)合地基的應(yīng)用效果，研究了本工程實(shí)例砂石樁設(shè)計(jì)方法及施工技術(shù)，對(duì)類似工程設(shè)計(jì)及施工具有一定的參考價(jià)值。

軟基處理砂石樁復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工工藝

0前言

沉管砂石樁是指采用振動(dòng)沉管、錘擊沉管或沖擊成孔等方式在軟弱地基中形成孔后，再將砂、碎石或砂石混合料通過樁管擠壓入已成的孔中，在成樁過程中逐層擠密、振密，形成大直徑的砂石體所構(gòu)成的密實(shí)樁體。沉管砂石樁能有效提高粉土、松散砂土等地基的承載能力，降低其壓縮性。合理設(shè)計(jì)沉管砂石樁，以滿足地基承載力要求，對(duì)于此地基處理技術(shù)的推廣，具有非常重要的意義。

1工程概況

1.1項(xiàng)目簡介及地理位置

國省干線聯(lián)六線漳州龍文區(qū)過境公路工程路線起點(diǎn)位于龍文區(qū)朝陽鎮(zhèn)漳濱村，順接規(guī)劃的漳州東環(huán)城路，路線往北沿規(guī)劃的龍文區(qū)藍(lán)田北開發(fā)區(qū)布線，與九龍江防洪堤結(jié)合經(jīng)過科坑村，后路線往西，于登科村附近建朝陽大橋上跨九龍大道，經(jīng)內(nèi)林街，于石井村附近建石井大橋上跨鷹廈鐵路支線，后到達(dá)本項(xiàng)目終點(diǎn)，與國省干線聯(lián)十一線龍文段平交，路線全長約7.5km，如圖1所示。

1.2工程地質(zhì)條件概況

本線路位于福建漳州市東北部，沿九龍江北溪南岸展布。項(xiàng)目走廊帶內(nèi)的主干山脈總體呈南北走向，線路沿九龍江展布，總體地勢南高北低。按地貌基本成因類型劃分，線路經(jīng)過的地形地貌主要有沖海積平原地貌、丘陵地貌，沿線基巖分布主要為燕山晚期花崗巖，局部見閃長紛巖、輝綠巖等巖脈侵入；巖性屬于較硬一硬質(zhì)巖，出露較復(fù)雜，局部發(fā)育有裂隙密集帶等，巖石相對(duì)較破碎，對(duì)公路建設(shè)較不利。

圖1　建設(shè)項(xiàng)目地理位置圖

根據(jù)巖土的地質(zhì)年代、成因類型、工程地質(zhì)性質(zhì)，將地基土劃分為若干個(gè)工程地質(zhì)層組，地層自上而下為第四系上更新統(tǒng)沖海積層（Q4al-m），軟塑狀粉質(zhì)粘土，［fao］= 120KPa；流塑狀淤泥，［fao］=45kPa；稍密狀中砂，［fao］= 180kPa；中密狀卵石，［fao］=400kPa；下伏基巖為燕山晚期入侵花崗巖（γ53）及其風(fēng)化層，［fao］≥350kPa。該區(qū)域地下水主要賦存予第四系沖海積砂、卵石層中的孔隙潛水，水量豐富，接受大氣降水補(bǔ)給。本段上部分布軟塑粉質(zhì)粘土，為軟弱土層，厚度約3～6m，其下為流塑狀淤泥，淤泥質(zhì)黏土，為軟土，工程地址性較差，填筑高度約2.5～9m，其下為流塑狀淤泥、淤泥質(zhì)粘土，為軟土。路基填筑高度為2.5～9m，其地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

2砂石樁適用條件及加固原理

2.1砂石樁適用條件

本工程段的軟基處理區(qū)域面積大，局部段落淤泥較厚，綜合考慮軟土地層分布、填土高度、構(gòu)筑物布置等情況，經(jīng)沉降及穩(wěn)定性驗(yàn)算，設(shè)計(jì)主要采用砂石樁進(jìn)行處理。砂石樁加固地基早期在松散砂土中使用效果顯著，成功經(jīng)驗(yàn)較多，但在軟弱粘性土中，還缺乏經(jīng)驗(yàn)，加固達(dá)不到預(yù)期效果，但也有一定效果。

2.2砂石樁加固作用的原理

砂石樁施工時(shí)由于成樁的方法各不相同，地基土的性質(zhì)不同，因此砂石樁加固作用的原理也不相同。

（1）在松散砂土和粉土地基中作用

在砂石樁成樁施工時(shí)對(duì)周圍砂層或產(chǎn)生擠密作用或同時(shí)也產(chǎn)生振密作用，還有一定的抗液化作用。擠密作用是在采用沖擊法或振動(dòng)法往松散砂土中下沉樁管和一次拔管成樁時(shí)，由于樁管下沉對(duì)周圍松散砂土產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管就將地基中同體積的松散砂土擠向周圍的砂層，使其孔隙比減小，孔隙水排出，有效應(yīng)力增大，密度也增大，地基承載力也隨之提高。

振密作用是在沉管特別是采用垂直振動(dòng)的激振力沉管時(shí)，樁管周圍的土體受到擠壓，同時(shí)，樁管的振動(dòng)能量以波的形式在土體中傳播，引起樁四周土體的振動(dòng)，在擠壓和振動(dòng)的雙重作用下，土的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，孔隙水壓力逐步增大。由于土結(jié)構(gòu)的破壞，土的顆粒重新進(jìn)行排列，并向具較低勢能的位置移動(dòng)，從而使土由較松散狀態(tài)變?yōu)槊軐?shí)狀態(tài)。隨著孔隙水壓力的進(jìn)一步增大，達(dá)到大于主應(yīng)力數(shù)值時(shí)，土體開始液化成流體狀態(tài)，流體狀態(tài)的土變密實(shí)的可能性較小，但如果有排水通道（如砂石樁）時(shí)，土體中的水就能夠沿砂石樁這個(gè)排泄通道排出，達(dá)到消散孔隙水壓力的作用，同時(shí)土的顆粒重新排列、固結(jié)，形成新的結(jié)構(gòu)土體。使土體的孔隙比降低，密實(shí)度增大，從而達(dá)到加固地基之目的。

抗液化作用首先是可液化的土層在受到擠密作用和振密作用后，土層的密實(shí)度增加，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高，從而提高土層本身的抗液化的能力，這可以從標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)的增大而得到驗(yàn)證。其次砂石樁也起到排水通道的作用，能夠加速擠壓和振動(dòng)作用產(chǎn)生的超孔隙水壓力的消散，降低孔隙水壓力上升的幅度，提高樁間土的抗液化能力。

（2）在粘性土地基中的作用

由于粘性土的結(jié)構(gòu)不同于砂土，為蜂窩狀和絮狀結(jié)構(gòu)，顆粒之間的分子有較強(qiáng)的吸引力，而且孔隙很大，但其滲透性很差。對(duì)于非飽和的粘性土，在進(jìn)行沉管時(shí)可以產(chǎn)生一定的擠密作用，對(duì)于飽和粘性土而言，在施工過程中產(chǎn)生的擠壓和振動(dòng)作用的強(qiáng)烈擾動(dòng)，使得土粒之間的結(jié)合力及粘粒、離子、水分子所形成的平衡體系遭到破壞，孔隙水壓力大幅度上升，從而降低了土的強(qiáng)度，增大了土的壓縮性。但在砂石樁施工結(jié)束后，在上覆土壓力作用下，通過砂石樁的良好排水作用，樁間土發(fā)生排水固結(jié)，與此同時(shí)由于粘土、水分子、離子之間重新形成新的平衡體系，使土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度得到恢復(fù)，而且比原土體的強(qiáng)度有所增強(qiáng)。總之，砂石樁和地基土形成的復(fù)合地基后，砂石樁加固軟弱粘性土地基時(shí)主要起到置換作用和排水作用。從而達(dá)到加固軟弱地基的目的。

3砂石樁施工工藝

3.1施工工藝

結(jié)合本工程現(xiàn)場實(shí)際條件，砂石樁施工工藝如下：

施工準(zhǔn)備（平整場地、材料進(jìn)場、樁機(jī)進(jìn)場、組裝調(diào)試、繪制樁位平面圖）→實(shí)地布置樁→校驗(yàn)樁位→制樁（樁機(jī)就位、開機(jī)振動(dòng)沉管至設(shè)計(jì)要求深度、自料口灌入砂灌滿為止、開機(jī)邊振邊拔沉管連續(xù)反插至管內(nèi)無料為止、沉管拔出孔口并往孔內(nèi)分批投料、振搗密實(shí)至設(shè)計(jì)標(biāo)高、加壓擠密成樁、關(guān)機(jī)移位）→檢驗(yàn)→交工驗(yàn)收。

3.2施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）機(jī)具就位、樁管沉入

樁管沉入前，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)樁長及（地面）水平測量結(jié)果，將沉管深度用紅油漆標(biāo)示于樁管上，以控制沉管深度，確保樁底達(dá)到設(shè)計(jì)高程。

振動(dòng)沉樁機(jī)就位，將活瓣樁尖的尖點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)砂石樁樁位中心，中心偏差控制在±5cm以內(nèi)；調(diào)整機(jī)架確保樁管垂直，垂直度控制在1%以內(nèi)。啟動(dòng)振動(dòng)器，以2～3m/ min的速度使樁管邊振動(dòng)邊下沉，至設(shè)計(jì)高程（以樁管上的紅油漆標(biāo)記線為準(zhǔn)），控制樁底高程偏差不大于10cm。

考慮到砂石樁振動(dòng)擠密后體積減小，砂頂標(biāo)高下降，因此沉管頂應(yīng)高出地面1m，并灌滿砂。

（2）加砂料

樁體砂采用人工鏟入樁機(jī)自帶的下料斗內(nèi)，通過下料斗送入樁管。灌砂時(shí)砂的含水量應(yīng)加以控制；對(duì)飽和土層，可采用飽和狀態(tài)砂；對(duì)非飽和土或雜填土，或能形成直立的樁孔壁的土層，含水量控制在8%以內(nèi)。

圖2　本工程所處地質(zhì)剖面圖

（3）拔管、樁管下壓

在樁管內(nèi)加入砂料后，邊振動(dòng)邊緩慢拔出樁管，拔管速度控制在0.5m/min以內(nèi)，將落入樁孔內(nèi)的砂壓實(shí)，確保每米灌砂量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

單樁砂石設(shè)計(jì)灌入量q=0.237×h（h為實(shí)際施打樁長）。

當(dāng)灌入砂量沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求（低于設(shè)計(jì)的每米灌砂量）時(shí)，在旁邊補(bǔ)樁一根。樁體在施工中必須確保連續(xù)、密實(shí)。

4沉管砂石樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法

4.1樁直徑和間距對(duì)沉降的影響

模擬樁直徑和間距對(duì)沉降量的影響采用理正軟土地基路堤設(shè)計(jì)軟件，采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算地基總沉降，采用壓縮模量法計(jì)算主固結(jié)沉降，采用直接法計(jì)算超載產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力，沉降計(jì)算考慮超載。沉降修正系數(shù)取1.200，沉降計(jì)算的分層厚度取0.500m，分層沉降輸出點(diǎn)距中線距離為0.000m，壓縮層厚度判斷應(yīng)力比為15.000%，基底壓力計(jì)算方法：按多層土實(shí)際容重計(jì)算，計(jì)算時(shí)考慮彌補(bǔ)地基沉降引起的路堤增高量。

（1）相同直徑不同樁距

本次設(shè)計(jì)采用同一砂石樁直徑為500mm，不同樁距進(jìn)行路基基準(zhǔn)期總沉降量進(jìn)行驗(yàn)算。由圖3可知，在相同樁徑下，沉降隨著樁距增大而增加。

圖3　砂石樁沉降影響曲線圖

（2）相同樁距不同直徑

本次設(shè)計(jì)采用同一砂石樁樁距為1800mm，不同樁徑進(jìn)行路基基準(zhǔn)期總沉降量進(jìn)行驗(yàn)算。由圖4可知，在相同距徑下，沉降隨著樁徑增大而減小。

圖4　砂石樁沉降影響曲線圖

綜上可知，砂石樁樁徑及樁距的選擇，要綜合考慮兩者對(duì)沉降的影響。

4.2砂石樁布置選擇

砂石樁按正方形布設(shè)，直徑為50cm，樁打穿淤泥層進(jìn)入下臥層不得小于0.5m。采用振動(dòng)沉樁機(jī)，振動(dòng)沉管工藝施工。在砂石樁施工結(jié)束并檢驗(yàn)合格后，樁頂設(shè)置中粗砂加筋墊層50cm，夾兩層單向鋼塑復(fù)合土工格柵。進(jìn)行堆載預(yù)壓，并經(jīng)監(jiān)測結(jié)果確認(rèn)滿足工后沉降要求后方可卸載進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的施工。施工前必須對(duì)地面構(gòu)筑物、地下管線進(jìn)行調(diào)查、拆移，確認(rèn)無障礙物后方可進(jìn)行場地清理、平整；挖設(shè)臨時(shí)排水溝，疏干地表水，使基面層保持干燥狀態(tài)；根據(jù)設(shè)計(jì)測設(shè)路基中心線及砂石樁樁位，確定地基處理寬度并用石灰線醒目標(biāo)注；布置砂石料存放場，修建作業(yè)場內(nèi)施工便道。

4.3沉管砂石樁間距及直徑的計(jì)算

fa=fspk+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）

式中：fa為修正后地基承載力特征值，需≥150kPa；fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度和埋置深度的地基承載力修正系數(shù)，分別取0，1；γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，取8kN/m3；b為條形基礎(chǔ)底邊的寬度，取5.5m；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，位于地下水位以下的土層取有效重度，取8kN/m3；d為基礎(chǔ)埋置深度，為4.5m。

由式可得fspk≥118kPa。沉管砂石樁采用正方形布樁形式，de=1.13s，s為樁間距（m），則s/d≤2.95。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）第7.2.2條規(guī)定：沉管砂石樁樁徑宜為300～800mm；沉管砂石樁的樁間距，不宜大于砂石樁直徑的4.5倍。則最終確定砂石樁直徑為500mm，樁間距為1800mm，如圖5所示。

圖5　砂石樁布置圖

4.4沉管砂石樁樁長的確定

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）第7.2.2條規(guī)定：樁長不宜小于4m；當(dāng)相對(duì)硬土層埋深較淺時(shí)，可按相對(duì)硬層埋深確定。根據(jù)上述要求及現(xiàn)場地質(zhì)勘查資料，確定砂石樁樁長12m，為使砂石樁復(fù)合地基受力均勻，樁頂需鋪設(shè)500mm厚粒徑20～30mm砂石褥墊層，如圖6所示。

圖6　砂石樁縱斷面圖

4.5砂石樁布置范圍

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）第7.2.2條規(guī)定：地基處理范圍應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性和場地條件確定，宜在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大1～3排樁。

4.6砂石樁的效果檢驗(yàn)

按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）有關(guān)條款的要求，砂石樁成樁后可采用靜載荷試驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)檢驗(yàn)復(fù)合地基的承載能力及其密實(shí)度，這樣與原土質(zhì)相比，可檢驗(yàn)加固效果，這兩種方法比較直觀、實(shí)用。

5結(jié)語

雖然碎石樁復(fù)合地基承載力計(jì)算理論較為成熟，但是碎石樁的很多參數(shù)需要現(xiàn)場試驗(yàn)來確定，比如填料量、樁間距、單樁荷載試驗(yàn)、復(fù)合地基荷載試驗(yàn)。因?yàn)榈鼗恋慕M成不同，碎石樁的參數(shù)要通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定適合本地的數(shù)值，從而達(dá)到真正處理效果。

［1］王妙君，梁維能.軟弱地基處理方法及應(yīng)用［J］.工業(yè)設(shè)計(jì)，2011（07）：202.

［2］蘇睿華，李利平，徐先強(qiáng).松木樁在長興陶家灣水閘軟弱地基處理上的應(yīng)用［J］.浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2013，25（02）：13-16.