模塊式振動(dòng)擠密樁技術(shù)在可液化地基中的應(yīng)用

趙統(tǒng)錄，陳為棟，任再永

（1.日照港建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東日照 276826；2.杭州永創(chuàng)基建工程科技股份有限公司，浙江杭州 310020）

引言

傳統(tǒng)的地基處理方法有很多，包括碾壓法、強(qiáng)夯法、振沖法、復(fù)合地基法、排水固結(jié)預(yù)壓法、化學(xué)處理法等，分別對(duì)應(yīng)不同的地質(zhì)情況和地基承載力和沉降要求，可以根據(jù)不同的情況和要求分別采用不同的地基處理方案。但各種地基處理方案也有不同的適應(yīng)情況，往往難以滿(mǎn)足特定地質(zhì)和需求的情況，根據(jù)近年出現(xiàn)的特定地質(zhì)，經(jīng)過(guò)多年研究開(kāi)發(fā)了模塊振動(dòng)擠密新工法，它是最新研究出來(lái)的一種地基處理新工藝，具有施工設(shè)備簡(jiǎn)便、功率大、振幅頻率可調(diào)、施工速度塊、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合處理可液化土質(zhì)地基和碎石等回填料價(jià)格較高的工程。

1 模塊振動(dòng)擠密新工法概述

模塊振動(dòng)擠密新工法利是用大功率振動(dòng)錘配合特制楔形模塊將回填料擠密至地基土中，形成連擠密帶置換的復(fù)合地基。本工法地基處理深度最深可達(dá)9～10 m，如考慮振動(dòng)對(duì)樁尖以下的土層的振動(dòng)力，其影響深度最大可達(dá)到12～15 m。回填材料可以選擇碎石、石渣、建筑廢料等材料，只要不是淤泥土、有機(jī)質(zhì)土等較差的土質(zhì)，均可利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的材料用于回填。較之傳統(tǒng)振沖碎石樁和強(qiáng)夯置換工藝，本工法振動(dòng)錘功率大且振幅和頻率均可調(diào)，楔形模塊具有相對(duì)較強(qiáng)的擠壓和穿透能力，對(duì)可液化砂性土和粉質(zhì)土場(chǎng)地具有特殊的適應(yīng)性。施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1。

圖1 模塊振動(dòng)擠密施工現(xiàn)場(chǎng)

2 模塊振動(dòng)擠密新工法適用范圍

模塊振動(dòng)擠密新工法適用于與傳統(tǒng)的振沖碎石樁和強(qiáng)夯置換適用的類(lèi)似土質(zhì)，如松散粉土、松散砂性土、雜填土、含軟弱夾層砂土地基等。對(duì)于上層存在較硬土層，本工法具有比一般的碎石樁更大的穿透硬層能力，且較強(qiáng)夯置換法具有較小的振動(dòng)力。

沿海地區(qū)地貌多為濱海相沉積地貌單元，場(chǎng)地為濱海填海造地而成，地下水主要類(lèi)型是海洋潮汐水且水量大并具有腐性，砂性土地基液化現(xiàn)象非常常見(jiàn)，且對(duì)于部分改造場(chǎng)地，場(chǎng)地表層由于先期回填塊石等，2～3 m 范圍內(nèi)表層土較硬，一般工法難以穿透。

本工法處理案例為日照港某已建工程場(chǎng)地的內(nèi)增設(shè)控制中心工程停車(chē)樓工程，原場(chǎng)地為回填場(chǎng)地，需進(jìn)行半剛性復(fù)合地基或樁基礎(chǔ)處理。半剛性復(fù)合地基或樁基樁端持力層需穿過(guò)回填場(chǎng)地達(dá)到全風(fēng)化巖或中風(fēng)化巖硬持力層，若構(gòu)筑物荷載較小，上述地基處理方式均造價(jià)較高。模塊振動(dòng)擠密新工法可有效消除可液化地基的不良影響，滿(mǎn)足構(gòu)筑物對(duì)地基承載力要求，同時(shí)具有穿透硬層能力強(qiáng)、加固效果好、施工質(zhì)量容易控制、施工效率高、造價(jià)適中、安全環(huán)保要求等優(yōu)點(diǎn)。見(jiàn)表1。

表1 幾種地基處理方案對(duì)比

3 模塊振動(dòng)擠密新工法加固機(jī)理

在動(dòng)剪應(yīng)力作用下，飽和砂土中孔隙水壓力的增長(zhǎng)使抗剪強(qiáng)度降低，當(dāng)土的抗剪強(qiáng)度完全喪失時(shí)，該土體由于其本身的特性則變成粘滯流體，地基失去承載力，工程中稱(chēng)為液化。

從此概念出發(fā)，為防止土體液化，一方面應(yīng)提高土體抗液化能力，這在工程中經(jīng)常采用的是增加密實(shí)度的方法；另一方面是設(shè)法降低動(dòng)剪切應(yīng)力產(chǎn)生的超孔隙水壓力，這在工程中經(jīng)常采用液化層中設(shè)置排水通道的方法。

當(dāng)?shù)叵滤c海洋相通，受潮汐影響其它工法難以達(dá)到排水效果時(shí)，采用模塊振動(dòng)擠密新工法增加土體密實(shí)度效果頗佳。因?yàn)槟K振動(dòng)擠密新工法采用垂直振動(dòng)的激振力將樁管沉入土中，土體擠向四周的同時(shí)，樁管的振動(dòng)能量以波的形式在土中傳播，引起樁周?chē)鼗膹?qiáng)烈振動(dòng)，從而達(dá)到使樁周土體密實(shí)的效果。

在填料過(guò)程中，砂量不足、填充料強(qiáng)度不足或者含水量太高，都會(huì)使樁身密實(shí)度不足。模塊振動(dòng)擠密新工法解決辦法：采用較大振動(dòng)功率，增加投料次數(shù)，反復(fù)振動(dòng)擠壓，同時(shí)保證填充料強(qiáng)度及粒徑。除此之外，還應(yīng)該對(duì)振動(dòng)設(shè)備進(jìn)行定期檢修和保養(yǎng)，保障機(jī)械動(dòng)力。

4 模塊振動(dòng)擠密新工法施工工藝

模塊振動(dòng)擠密新工法施工流程見(jiàn)圖2。以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，對(duì)地基處理范圍進(jìn)行測(cè)設(shè)，主要工藝如下：

圖2 模塊振動(dòng)擠密新工法施工流程圖

1）使用測(cè)量?jī)x器對(duì)地基處理范圍進(jìn)行確定，再對(duì)邊界邊線進(jìn)行標(biāo)注，以樁位布置圖和施工計(jì)劃為基礎(chǔ)，確定砂樁位置，用小木樁和鋼釘進(jìn)行標(biāo)記；

2）楔形模塊沉入樁位前，需對(duì)模塊深度進(jìn)行確認(rèn)，從而達(dá)到控制樁施工現(xiàn)場(chǎng)深度的目的；

3）樁基就位后，對(duì)振動(dòng)模塊擠楔形模塊垂直度及平穩(wěn)度進(jìn)行檢查，確保符合要求；

4）啟動(dòng)機(jī)械，對(duì)楔形模塊下沉過(guò)程進(jìn)行控制，拔出模塊后對(duì)灌料量進(jìn)行控制，直到樁位被灌滿(mǎn)壓實(shí)后再進(jìn)行楔形模塊下沉壓實(shí)。

5 模塊振動(dòng)擠密新工法工程實(shí)例

1）工程簡(jiǎn)述

日照港石臼港區(qū)集裝箱改造三期工程控制中心工程停車(chē)樓，建筑層數(shù)3 層，建筑高度10.35米，占地面積約3 100 平米，建筑面積約6 234 平米，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50 年。

2）地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地貌為濱海相沉積地貌單元，場(chǎng)地為濱海填海造地而成，地形較為平坦，地下水主要類(lèi)型是海洋潮汐水，水量大且有若腐性。根據(jù)地勘報(bào)告，本場(chǎng)地存在表層回填土(含回填碎石)、②-1層粉土、③層粉土、④層粗砂，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010(2016 年版)，經(jīng)初判：②-1 層粉土、③層粉土、④層粗砂均為可能液化層。根據(jù)標(biāo)貫測(cè)試結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)判別，②-1 層粉土、③層粉土均液化，④層粗砂不液化，鉆孔液化指數(shù)在0～4.89。綜合判定場(chǎng)地液化等級(jí)為輕微液化。

3）地基處理要求

地基處理完成后，要求：（1）復(fù)合地基承載力特征值不小于200 kPa。（2）樁間土標(biāo)貫擊數(shù)不小于15 擊。（3）樁體要求填料為密實(shí)（動(dòng)探擊數(shù)大于20 擊）。

4）施工工藝

本工程采用的擠密模塊選用楔型模塊，尺寸為：1.3×1.15×6.5 m，振動(dòng)器型號(hào)為EP400 型，振動(dòng)功率：75 kW，振動(dòng)擠密樁間距3.2 m，置換率約16%，填料采用碎石和建筑廢料，加固深度8-10 m，合計(jì)共施工306 根樁。

5）效果檢驗(yàn)

①采用靜載試驗(yàn)檢測(cè)復(fù)合地基承載力（壓載面積10.24 m2），按照比例做4 處；②采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)樁間土強(qiáng)度（檢測(cè)深度6.5 m），按照比例做6 處；③采用動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)樁身強(qiáng)度（檢測(cè)深度6.5 m），按照比例做6 處。

①靜載試驗(yàn)：通過(guò)4 處?kù)o載試驗(yàn)，加到最大實(shí)驗(yàn)荷載（400 kPa）最小沉降量19.07 mm，最大沉降量23.03 mm，結(jié)果表明實(shí)測(cè)復(fù)合地基承載力達(dá)到200 kPa。②標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：通過(guò)6 處標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，修正后的標(biāo)貫擊數(shù)最小值16.8 擊，最大值21 擊，標(biāo)準(zhǔn)值18.4 擊，滿(mǎn)足15 擊的設(shè)計(jì)要求。③動(dòng)力觸探試驗(yàn)：通過(guò)6 處動(dòng)力觸探試驗(yàn)，修正后的標(biāo)貫擊數(shù)最小值19.7 擊，最大值21.4 擊，標(biāo)準(zhǔn)值20.60 擊，滿(mǎn)足20 擊的設(shè)計(jì)要求。

圖3 典型載荷試驗(yàn)P-S 曲線

圖4 典型標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)

圖5 典型動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)

地基檢測(cè)結(jié)果表明：其復(fù)合地基承載力特征值、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明：各孔標(biāo)貫貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果均顯示滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6）經(jīng)濟(jì)效益和工期節(jié)省

模塊振沖擠密工法造價(jià)低，日照港石臼港區(qū)集裝箱碼頭改造三期工程停車(chē)樓地基處理，若采用傳統(tǒng)的混凝土灌注樁基礎(chǔ)，需多花費(fèi)100 多萬(wàn)元，施工工期需35 天，比計(jì)劃工期延長(zhǎng)15 天，況且質(zhì)量安全難以保證。模塊振沖擠密工法僅僅用了25 天，面對(duì)如此大的環(huán)保壓力，模塊振沖擠密樁噪音低、無(wú)污染，采用的回填料就地取材，減少了材料運(yùn)輸及道路污染，取得了很好的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

模塊振動(dòng)擠密新工法新工法具有造價(jià)低、施工效率高、加固質(zhì)量可控性好、振動(dòng)不利影響較小、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在合適的土質(zhì)條件和加固深度范圍內(nèi)，比樁基基礎(chǔ)具有節(jié)省造價(jià)和工期的優(yōu)點(diǎn)，比普通振沖碎石樁和強(qiáng)夯置換法有減小振動(dòng)、處理深度較大的優(yōu)點(diǎn)。在近海環(huán)境下，可作為一種更經(jīng)濟(jì)的抗液化、提高地基承載力的加固方法，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的樁基或振沖碎石、強(qiáng)夯置換施工。模塊振動(dòng)擠密新工法具有良好的應(yīng)用前景。