基于管井降水的強夯技術在粉質砂土地基處理工程中的應用

賀志貞

(浙江省正邦水電建設有限公司，浙江 杭州 310051)

近些年來，隨著科技創新驅動的蓬勃發展，各種新技術與材料、新設備與工藝被不斷應用于工程施工實踐中，帶動了水利工程施工技術的飛躍進步。水利工程地質情況復雜多樣，不同地質條件的地基處理技術也不盡相同。粉質砂土地基的特點是土層顆粒松散，滲透系數大，受水淹沒后液化嚴重，土層強度低。基于管井降水的強夯技術是指通過管井降水可快速降低地基處理范圍內一定深度的地下水位，消除土層液化狀態，然后采用經選型的強夯設備，以強大的沖擊能量垂直夯擊地基，迫使地基土層的水分受壓縮而排入降水管井，使土體中的液化予以消除，達到提高地基土的承載力和受壓強度的目的。配以科學的施工工藝技術和質量檢測與控制方法，可以成功解決含水層粉質砂土地基處理的技術難題。本文以該技術在汾河太原段綜合治理三期工程第十三標段中的應用為實例，闡述基于管井降水的強夯法施工技術在粉質砂土地基處理工程中的應用機理，提出施工工藝流程和質量檢測與控制方法要點，并通過實踐運用分析，闡明該技術在粉質砂土地基處理施工中的可行性和優越性。以期今后對該技術成果更廣泛的應用和提高有所借鑒[2]。

1 工程應用實例

1.1 工程概況

汾河太原段綜合治理三期工程十三標位于太原市小店區，是山西省重點項目，也是太原市承辦全國第二屆青運會的重點配套項目。工程主要任務是城區防洪與排澇、河道蓄水，以及為兩岸景觀建設搭建平臺[3]。工程屬于一級堤防，處于汾河河道中心樁號Z10+800～Z11+770段東西兩岸，長970m，東西向為現狀西大堤至新建東大堤，河道寬440～450m。主要水工建筑物為鋼筋混凝土暗涵，暗涵斷面4m×6m，長度1940m。本文主要闡述管井降水與強夯法施工技術在暗涵粉質砂土地基處理中的應用。

1.2 暗涵地基水文地質條件

暗涵地基為粉細砂，局部為中砂圓礫，靜水位埋深2.50～6.50m。基坑支護及開挖影響深度范圍內，地基土自上而下依次分為：雜填土層→砂土層→粉土層→砂土層。地基主要含水層為砂土層，滲透系數為20.0m/d。

由此可見，暗涵基礎土層顆粒松散，滲透系數大，受水淹沒后液化嚴重，土層強度低。必須采取有效措施對地基土進行處理，以提高地基土的強度和承載能力，確保上部暗涵結構的整體穩定性與質量安全。本項目采用了基于管井降水的強夯法施工技術進行地基處理[4]。

2 管井降水

暗涵建基面以下設計要求水位降深為6m，確保地層土體消除液化。根據本工程擬建場地的工程地質與水文地質條件，經過方案比選，確定采用管井降水施工方案。

2.1 降水方案設計

2.1.1降水參數計算

(1)基坑總涌水量

根據施工現場的實際條件，分段開挖條形基坑(槽)，進行逐段降水施工。條形基坑(槽)沿兩邊布井，基坑(槽)分段長度200m。采用現行的JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》中對潛水型非完整井的基坑涌水量的計算方法建立計算模型，如圖1所示。

圖1 基坑涌水量計算示意圖

計算公式為：

(1)

(2)管井單井出水量估算

單井出水量由土層滲水量決定，采用如下經驗公式計算：

q=65πdtK1/3

(2)

式中，d—過濾器半徑，取0.20m；K—過濾器處土層滲透系數，取20.0m/d；t—過濾器工作部分長度，取2.5m。根據公式(2)計算得出管井單井出水量q=5.0m3/d。

(3)管井數量計算

n=1.15Q/q

(3)

式中，Q—基坑涌水量；q—管井單井出水量；計算得出管井數量n=33口/200m。

(4)管井降水水位測算

根據群井干擾理論，暗涵中心線上任意一點水位降低值Si計算如下：

Si=H-{H2-Q[lgR-lg(r1rn)/n]/1.366K}1/2

(4)

式中，Q—基坑降水的總涌水量，3700m3/d；K—滲透系數，20m/d；H—潛水含水層厚度，取20m；R—降水影響半徑，取120m；r1，，rn—計算點至干擾降水井之間的距離。代入式(4)得Si=6.1m，大于設計降深6.0m，能滿足設計要求[6]。

2.1.2設備選擇及管井布置

(1)降水設備選用

基坑總涌水量按沿暗涵每200m長度為一個降水分段計算，為3700m3/d×200m，平均分擔到33口井上，單井每天出水量為120m3/d。查施工手冊，選用100QJ5—24/6型潛水泵，每口井設置一臺。

(2)降水井布置

本工程所需管井數量326口，降水井沿暗涵兩側布置，布井時避開出入口通道，整個管井系統呈梅花型排列布置。具體布置為：

降水井均布置在地基強夯處理區外側，不影響后期的強夯施工。布置兩排管井，排距21.7m，分別位于暗涵中心線兩側11.0m及10.70m處，管井深度14.0m，間距12m。所有管井的出水口連接到場內的排水溝[7]。

2.1.3管井構造

管井采用無砂大孔混凝土管，管井內徑為φ400mm，每節長1.2m。最下部一節為有孔濾管，其空隙率為20%～25%。管井構造簡圖如圖2所示。

圖2 降水井構造簡圖

2.2 降水施工工藝流程

降水施工工藝流程為：施工準備→測量放線→鉆機就位→循環鉆孔→泥漿護壁→成孔→井管安裝→豆石充填→上部厚土填實→洗井→安裝潛水泵→抽水。

通過該降水施工技術的實踐，降水后的地下水位維持在建基面以下6.1～6.5m，滿足設計提出的水位降深要求。地下水位降低后，隨即進入地基強夯階段。

3 地基強夯

3.1 強夯設計

強夯法是用起重機械將大噸位夯錘起吊到一定高度后自由落下，給地基土以強大的沖擊能量的夯擊，使土中出現沖擊波和很大的沖擊應力，迫使土層孔隙壓縮，在夯擊點周圍產生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和氣體逸出，使土料重新排列，經時效壓密達到固結，降低土體壓縮性的一種地基加固方法。

設計要求建基面以下6m深度內的液化等級由嚴重降為中等，3m深度范圍內消除液化。經強夯處理后的地基承載力不小于250KPa。基坑內的強夯點按三排梅花形布設，縱橫兩個方向的錘距和行距均為5.0m。通過強夯試驗試夯選擇定設備規格與參數。

3.2 強夯施工

3.2.1強夯參數

根據試夯結論選擇強夯參數。分三遍夯擊，第一遍點夯單擊能為2500kN·m，第二遍點夯單擊能為2000kN·m，第三遍為滿夯，滿夯單擊能為1000kN·m。第一、第二遍點夯時間間隔初步定為3d。

3.2.2強夯施工流程

地基強夯總體分為三個階段，一遍點夯(主夯)→二遍點夯(副夯)→滿夯，分別按照不同的參數進行控制，每遍夯擊的具體流程如下：

標出第一遍夯點位置、測量場地高程→起重機就位→測量夯前錘頂高程→夯錘吊到預定高度自由下落夯擊，測量錘頂高程→按規定夯擊次數及控制標準，完成一個夯點的夯擊→完成第一遍全部夯點的夯擊→用推土機將夯坑填平，測量場地高程→間隔3d后，按上述程序完成第二遍夯擊→用低能量滿夯，測量夯后場地高程→試驗檢測及質量檢查驗收[8]。

地基夯實完成后，對基坑進行平整，預留0.3m的保護層，待澆筑暗涵混凝土墊層時再人工開挖至設計建基面。強夯后的基底高程若低于基礎建基面時，采用碎石換填至設計高程。

3.3 質量檢測

按照該強夯工藝和控制參數完成強夯施工后，采用標準貫入法進行地基承載力及液化指標的檢測[9]。檢測結果表明，地基承載力均能達到250KPa以上，建基面深度3m范圍內液化消除，建基面深度3～6m范圍內的土層降為中等液化，符合設計規定要求。

4 結論及建議

該工程實踐表明，粉質砂土地基土層顆粒松散，滲透系數大，受水淹沒后液化嚴重，土層強度低，為更好地解決這一類地基土的基礎加固處理難題，采用管井降水與強夯工藝的組合技術，能夠達到良好的預期效果。該技術適用地質條件范圍廣，不僅適用于粉質砂土，也適用于碎石土、黏性土、濕陷性黃土、高填土、雜填土等地基加固工程；經處理的地基質量可靠，加固效果顯著，一般地基強度可提高2～5倍，加固影響深度可達6～10m；施工工藝簡單，工效高，成本低，施工時對地基土層及周圍環境不產生任何污染，是一種環保型的地基加固處理技術。建議可在同類工程中予以推廣應用。不足的是，強夯施工不得用于不允許對工程周圍建筑物和設備有一定振動影響的地基加固工程，必須采用時，建議采取防振、隔振等措施。