淺談振動擠密砂樁在軟基處理中的具體應用

文∕姚勛

1 前言

振動擠密砂樁法（以下簡稱擠密砂樁）是指在樁管中裝填砂料，通過特定的機械設(shè)備將樁管壓入軟弱土地基中。樁管內(nèi)的砂料在振動的過程中，形成密實的樁體。這種處理方法利用砂料和土質(zhì)在透水性上的差異性，通過對軟弱土地基的擠壓、排水、固結(jié)，提高軟弱土的物理性能，它的可靠性已經(jīng)在工程實踐中的大范圍應用得到了驗證。本文通過實例項目淺析擠密砂樁在軟基處理中的具體應用。

2 工程概況及工程地質(zhì)

2.1 工程概況

實例項目位于平潭綜合實驗區(qū)金井灣片區(qū)，項目所處區(qū)域周邊地塊正處于建設(shè)過程，沿途所經(jīng)現(xiàn)狀地形地勢起伏較小，且此地塊原為灘涂地后經(jīng)填海而成，目前道路沿線主要地貌為基建工地及魚塘，項目為二級公路兼城市支路，道路紅線寬20m，兩側(cè)布置非機動車道及人行道，道路下方布置有電氣、雨污等管網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計速度為30km／h，軟基處理采用擠密砂樁（平均樁長15m）+堆載預壓結(jié)合土工格柵的方式。

2.2 工程地質(zhì)

據(jù)地勘報告中鉆孔揭示，本實例項目地質(zhì)地層主要有：素填土、淤泥質(zhì)土、中砂層、黏土層、花崗巖風化層等。

素填土①：主要由場地整平堆填砂為主，成分主要為石英顆粒，中粗砂含量約75%～80%，礫粒含量約10%，夾有大量貝殼碎片，質(zhì)地以松散為主，局部呈現(xiàn)稍密狀。

淤泥質(zhì)土②：灰色、污手，場地均有分布，揭示厚度4.6～40.8m，夾有少量的貝殼屑，局部零星薄層粉細砂，成分以粘粒為主，流塑狀，局部為軟塑，為欠固結(jié)土層。

中砂②-1：灰黑色，稍密，有腥臭味，質(zhì)地飽和，僅有少部分鉆孔有揭示，揭示厚度1.4～2m，中砂含量約60%%，分選性一般，充填泥，其主要成分由石英顆粒構(gòu)成。

黏土②-2：灰色，可塑，濕，以黏粉為主，僅少部分鉆孔有揭示，揭示厚度2.9～5.4m，未發(fā)現(xiàn)搖振及光澤反應，質(zhì)純。

黏土③：灰黃色、灰綠色，可塑-硬塑。該層在大部分段落均有揭示，揭示厚度3～6.9m，以黏粉為主，韌性中等，修正后標貫擊數(shù)平均為7.2 擊，未發(fā)現(xiàn)搖振及光澤反應。

以下土層依次為全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖，此處不做贅述。節(jié)選部分具段落地質(zhì)縱斷如圖1。

圖1 地質(zhì)縱斷

3 軟基處理概況和計算分析

3.1 軟基處理標準

實例項目為二級公路兼城市支路，不同類型的構(gòu)筑物與路基連接需采取相對應的容許沉降標準，以保證路基沉降量滿足要求。本實例項目無橋涵等構(gòu)造物，依據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》要求，其允許工后沉降值采取一般路段的規(guī)范允許值，即≤0.5m。

工后沉降基準期：15年。

穩(wěn)定安全系數(shù)：采用固結(jié)有效應力法不考慮固結(jié)安全穩(wěn)定系數(shù)為1.1[1]。

實例項目有布設(shè)雨污管線、檢查井等，其要求的地基承載力不小于120kpa，故復合地基承載力亦按此要求控制。

3.2 設(shè)計時軟基處理方案的選用分析

從比較籠統(tǒng)的角度看，依據(jù)成樁材料不同、加固原理不同軟基處理主要分為三大類：混凝土類樁、水泥土類樁、散體土類樁。

根據(jù)現(xiàn)有地勘報告，實例項目所處區(qū)域內(nèi)均含淤泥，淤泥深度4.6～4.8m，淤泥層太厚，現(xiàn)有工藝很難將淤泥層打穿。顯然如CFG 樁、預制管樁這類混凝土類樁并不適合這樣的地質(zhì)，即使靠樁身的摩擦力和端部承載力達到設(shè)計的沉降要求，其經(jīng)濟性也極不合理；再如水泥攪拌樁這類樁，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，正常情況下其有效處理深度最好不超過15m。若超過此深度，受施工工藝和其他因素影響，其樁體通常呈現(xiàn)上粗下細，質(zhì)量可能達不到要求。

綜合以上分析，砂樁更適用于實例項目。砂樁成樁后，在堆載預壓下，通過透水性良好的樁體、砂墊層及臨時排水溝等，將軟基中的水分擠壓排出，能夠顯著改善和提高軟基的物理力學性能（預壓完成之后所做的土工試驗亦驗證了此分析，含水率、孔隙比等數(shù)值均有所降低，加固效果顯著）。

3.3 軟基處理方案

采用擠密砂樁+堆載預壓結(jié)合土工格柵的方法進行軟基處理，擠密砂樁處理深度為15m；按等邊三角形布設(shè)，間隔為1.5m，樁直徑為50cm。預壓采用路基土，堆載預壓標高為路基頂設(shè)計標高+1.2m。排水系統(tǒng)由臨時排水溝、底層砂墊層和豎向砂樁構(gòu)成，在素填土、淤泥土層打入砂樁，路基施工結(jié)合堆載預壓一次填筑進行，預壓時間為6 個月。

另外，由于與實例項目銜接的相鄰路口采用CFG樁處理且已施工完成，為協(xié)調(diào)不同處理方式路段的不均勻沉降，在其交界處20m 范圍內(nèi)砂樁間距調(diào)整為1.3m 和1.4m。處理方式如圖2。

圖2 軟基處理橫斷面圖

3.4 計算分析

理正巖土軟件是一款廣泛使用的計算軟件，它通過輸入各項物理參數(shù)，建立模型并計算，可以模擬復雜的巖土結(jié)構(gòu)計算和施工計算，因而它的易操作性在業(yè)內(nèi)受到認可，且在廣大巖土工程師和其他從業(yè)者中得到廣泛使用。

本文通過理正巖土軟件列舉計算采用擠密砂樁時的沉降量、安全穩(wěn)定系數(shù)、復合地基承載力等來驗算其是否能符合相關(guān)規(guī)范要求。路堤寬度為20m，設(shè)計填土高度為3.85m（包含路面結(jié)構(gòu)層0.48m），參考地質(zhì)勘察報告地基土主要指標如表1：

表1 地基土層主要指標

沉降計算依次模擬第1 級加荷（到路床頂）、堆載預壓6 個月及第2 級加荷（路面施工）。其中，第1 級加荷分3 個月逐層施工至路床頂。經(jīng)計算，考慮沉降影響后，路堤的實際計算高度為4.303m；路面竣工時，地基沉降為0.454m；路面竣工后，基準期內(nèi)的殘余沉降為0.016m；基準期結(jié)束時，地基沉降為0.47m，工后沉降值滿足相應設(shè)計的規(guī)范及要求。

穩(wěn)定安全性計算一般可采用固結(jié)有效應力法，第1級加荷、堆載預壓及第2 級加荷在模擬計算中，穩(wěn)定安全系數(shù)依次為1.365、1.312、1.498，均滿足相應設(shè)計的規(guī)范及要求。復合地基承載力為130kPa＞120kPa，滿足相應設(shè)計的規(guī)范及要求。

因采用了懸浮樁，加固土層范圍下有軟弱下臥層，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）要求，同樣需對下臥層的承載力進行驗算。即Pz+Pcz≤faz。

式中：Pz 為相應于作用的標準組合時，軟弱下臥層頂面處的附加應力值（kPa）；Pcz 為軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值（kPa）；faz 為軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值（kPa）[2]。

經(jīng)計算，15m 深度Pz+Pcz=310kPa，修正后的地基承載力特征值為367kPa；33.9m 深度Pz+Pcz=656.3kPa，修正后的地基承載力特征值為1121.2kPa，可滿足上述規(guī)范要求。

4 設(shè)計時的注意事項

4.1 設(shè)計時經(jīng)常遇到無法穿透軟弱土層達到持力層的情況，即懸浮樁型。下臥層地基承載力的計算是設(shè)計時一個不可或缺的環(huán)節(jié)，此時不能忽視軟弱下臥層地基承載力的計算結(jié)果。

4.2 城市道路軟基設(shè)計和雨污管網(wǎng)設(shè)計往往由不同人員完成，因此城市道路的軟基處理需考慮市政管網(wǎng)、檢查井等設(shè)施對工后沉降的要求。

5 結(jié)語

隨著城市化發(fā)展進程的推進，國家投入了大量資金進行基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。實例項目目前已竣工驗收兩年多，根據(jù)按要求所做的監(jiān)測數(shù)據(jù)及整體感觀，沒有出現(xiàn)路基裂縫、邊坡不穩(wěn)定、沉降過大等病害，與設(shè)計前已施工完成的相鄰路口（CGF 樁處理）銜接處也順暢過渡，未出現(xiàn)波浪狀起伏，具有較好的效果。

因此，在面臨軟弱土層厚度深且各類樁型均無法穿透軟弱土層、工期充足的情況下，通過本工程實例中擠密砂樁的具體應用，既能夠滿足相應的技術(shù)要求，又經(jīng)濟合理，對于今后相近工況下軟基處理方式的合理選擇具有借鑒意義。