干振沉管擠密砂樁穿透硬土層的工藝改進

張法智，孟志浩，李亞偉

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250100； 2.中電建振沖建設工程股份有限公司，北京 100000)

0 引言

干振沉管擠密砂樁法是指利用振動或沖擊沉管方式，在軟弱地基中成孔后，填入砂并將其擠壓入孔中，形成較大直徑的、由中粗砂構成的密實樁體的地基處理方法[1]。

干振沉管擠密砂樁，在加固軟弱地基方面有其獨特的優(yōu)勢，因造價經(jīng)濟、材料要求不高且來源廣泛，已經(jīng)廣泛應用于火電廠附屬及輔助生產(chǎn)建筑物及其他電力工程的地基處理中，主要用于提高地基土的承載力、減少地基土的固結沉降，以及用來消除砂土因為振動或地震所產(chǎn)生的液化。但是，由于各地的地質條件差異很大，該施工工藝經(jīng)常受到一定限制。本文針對福建省某火電廠項目施工時遇到的問題，對沉管擠密砂樁施工過程中穿透硬土層時遇到的困難進行了探討，對施工工藝進行了改進，解決了困難，供同行探討。

1 砂樁的作用原理

根據(jù)地基土的類型不同，干振沉管擠密砂樁的作用原理有所不同。

1.1 在松散砂土和粉土地基中的作用

干振沉管擠密砂樁在松散砂土和粉土地基中的作用包括擠密作用、振密作用和抗液化作用。

在砂土和粉土中沉入樁管時，對其周圍產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管將地基中等于樁管體積的砂擠向樁管周圍的土層，使其孔隙比減小，密度增加，此即砂石樁法的擠密作用。

砂樁在施工時，樁管振動能量以波的形式在地基土中傳播，引起地基土振動，產(chǎn)生振密作用。

砂樁在成孔和擠密樁體的過程中，一方面，樁周土在水平和垂直振動力作用下產(chǎn)生徑向和豎向位移，使樁周土體密實度增加。另一方面，土體在反復振動作用下，使土顆粒重新排列、組合，形成更加密實的狀態(tài)，從而提高了樁間土的抗剪強度和抗液化性能。砂樁振動成樁過程中對樁間土的多次預震，以及成樁后砂樁的排水通道作用，也使其抗液化能力得到提高。

1.2 在黏性土地基中的作用

干振沉管擠密砂樁在黏性土地基中，主要起到置換和排水的作用。

砂樁對黏性土地基的置換作用是將樁管位置的工程性能較差的土擠至四周并以性能較好的中粗砂進行置換，形成了一定樁徑、樁長和間距的樁與樁間土共同組成復合地基。

砂樁不僅置換了土層，還形成良好的豎向排水通道，縮短了排水距離，從而可以加快地基的固結速率。

1.3 砂樁施工的局限性

砂樁施工可采用振動沉管、錘擊沉管或沖擊成孔等成樁法。當用于消除粉細砂及粉土液化時，宜用振動沉管成樁法。對可液化的地基，干振沉管擠密砂樁的樁長應按要求處理液化的深度確定。

對于塑性指數(shù)較高的硬黏土、密實砂土，因加固后承載力提高不大，不宜采用砂樁復合地基。

但是，因為各地的地質條件差異很大，設計樁長內(nèi)經(jīng)常會遇到硬土層，給施工帶來了困難。

2 工程實例

福建省某火電廠項目，擬建廠址區(qū)在Ⅱ類場地條件下，50年超越概率10%的水平向地震動峰值加速度為0.15g(相對應的地震基本烈度為7度)，擬建廠址區(qū)內(nèi)的②中砂、④粉細砂在地震影響烈度達7度時將產(chǎn)生地震液化，液化等級為中等～嚴重。為消除地基液化，采用干振沉管擠密砂樁進行地基處理。

2.1 工程地質條件

砂樁施工區(qū)域的鉆孔地質條件見表1。

表1 砂樁區(qū)鉆孔地質條件表

2.2 干振沉管擠密砂樁的設計

干振沉管擠密砂樁的樁端進入⑤粉質黏土，對⑤層以上土進行加固處理，使處理后的地基承載力和壓縮模量滿足基礎設計要求，要求處理后的砂樁復合地基承載力特征值fspk≥150 kPa，并消除地基土的液化。

沉管擠密砂樁的設計參數(shù)如下，詳見圖1。

布樁方式：正方形布樁；樁徑：D=0.5 m，樁間距為：s=1.5 m。

樁數(shù):117根，填料為中粗砂。有效樁長：16.00 m。

2.3 干振沉管擠密砂樁的施工

為消除地基液化，采用振動沉管工藝施工。綜合考慮地基土的物理力學性質、建筑物對地基承載力的要求、機具造孔能力和制樁深度等因素，選用90 kW的振動器及與其相匹配的輔助設備。

干振擠密樁的填料采用中粗砂，含泥量應低于3%，并滿足規(guī)范的相關要求。

2.4 施工時面臨的困難

從鉆孔地質表可見，16 m樁長范圍內(nèi)的地層并不均勻，存在有③中細砂(中密)，厚度為3.65 m，④-2粉質黏土(可塑)，厚度為1.70 m。穿透該兩層時難度較大，表現(xiàn)為樁機有起抬現(xiàn)象、進尺緩慢、電流過大等現(xiàn)象。

喂料時，由于粉質黏土擠入并附著在樁管，導致中粗砂填料在樁管內(nèi)會擠壓、卡頓，下料緩慢，造成樁的填料不連續(xù)，容易造成斷樁。

3 施工工藝的改進

3.1 原有的施工工藝

原有的施工工藝如下：1)移動樁機及導向架，把樁管及樁尖垂直對準樁位；2)啟動振動樁錘，將樁管振動沉入土中，達到設計深度；3)從樁管上端的投料漏斗加入砂石料；4)邊振動邊拔管直至拔出地面。

施工參數(shù)為：留振時間：10 s～20 s；反插次數(shù)：每提拔宜1 m～2 m高度反插不少于一次，并視出料順利與否情況增加反插次數(shù)，成樁至地面應反插復振1 m；拔管速度：1.1 m/min～1.5 m/min；施工時樁位水平偏差不應大于0.3倍套管外徑；施工電流為120 A。

3.2 改進后的施工工藝

為了解決穿過③中細砂和④-2粉質黏土層時鉆進難和喂料難的問題，采取了以下3項措施進行改進：改進樁靴、樁管加水、調整工藝。

1)改進樁靴：原有的樁靴為平底型。為了更容易穿透黏土層，將樁靴重新加工為錐型，見圖2。樁尖的加工參數(shù)如下：尖頭長度為200 mm，尖頭角度為30°，鋼板厚度為20 mm。

樁靴改進過程中，應注意焊接質量，確保焊縫的強度滿足要求。焊縫與新增加的尖頭過渡應平穩(wěn)，尖頭部分的鋼板強度和厚度，不應低于原樁靴[2]。

2)樁管加水：除改進樁靴之外，為了使填料從樁管中下的更快，迅速填滿樁孔，以免黏土造成樁孔的縮頸，采取的措施是：在喂料斗內(nèi)增設一根25 mm直徑的水管，按照0.5 m3/h的速度加水，詳見圖3。

3)調整工藝：在黏土層中施工時，采取“快拔管，少反插”的施工工藝，降低對黏土層的擾動，減少縮孔，有效提高成孔質量。砂土層仍采用“慢拔管、多反插”的施工工藝。施工時應時刻注意電流的變化，不允許超過120 A，以免燒毀電機[3]。

3.3 改進后的施工效果

改進后的單樁施工時間由原來的約40 min縮短為約18 min，留振時間、反插次數(shù)、填料用量和充盈系數(shù)等無明顯變化。

改進前后的比較典型的砂樁施工記錄見表2。

表2 改進前后砂樁施工對比表

3.4 檢測結果

1)液化消除情況。施工完成并休止25 d后，現(xiàn)場布置了3個鉆孔，并通過標準貫入試驗來判定樁間土的液化消除情況。

根據(jù)本次標準貫入試驗成果，按照GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范(2016年版)中的公式(4.3.4)進行地震液化計算判別[4]。

其中，N為飽和土標準貫入錘擊數(shù)實測值(未經(jīng)桿長修正)；Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；No為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，本工程取10；ds為飽和土標準貫入點深度，m；dw為地下水位深度，m，宜按設計基準期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近期內(nèi)年最高水位采用。本工程廠址區(qū)近期內(nèi)年最高水位按照dw=0.00 m計算；β為調整系數(shù)，本工程取1.05；ρc為黏粒質量分數(shù)，當小于3或為砂土時，均應采用3。

當N≤Ncr，判為液化土；當N>Ncr，判為不液化土。

試驗結果見表3。由試驗數(shù)據(jù)可知，通過工藝改進的干振沉管擠密砂樁施工，樁間土液化已經(jīng)消除。

表3 沉管擠密砂樁區(qū)域的液化判別表

2)復合地基承載力。施工完成并休止25 d后，現(xiàn)場布置了3個復合地基地基靜載試驗點，以實測復合地基的承載力。

本次靜載試驗采用方形承壓板，壓板面積為單樁處理面積，承壓板面積為2.25 m2，壓板下設50 mm～150 mm厚中粗砂找平[5]。

試驗加載方式：試驗采用堆載反力梁裝置，一次性堆至預估最大試驗載荷的1.2倍以上[6]。

根據(jù)試驗加載情況，砂樁復合地基的試驗成果如表4所示。

表4 砂樁復合地基試驗成果表

根據(jù)表5數(shù)據(jù)可知，承載力特征值最大值為150 kPa，最小值為150 kPa，平均值為150 kPa，極差小于平均值的30%。

表5 砂樁復合地基試驗結果分析表

當滿足其極差不超過平均值的30%時，可取其平均值為復合地基承載力特征值。因此，砂樁復合地基承載力特征值為150 kPa，滿足設計要求。

4 結語

本次施工工藝改進的成本不高，但是單樁的施工時間由原來的40 min縮短為18 min，大幅度提高了效率，并且達到了提高承載力和液化消除的效果，對于在含有硬層(中密以上砂土、硬塑以上的黏性土層)的砂土地層，采用干振沉管擠密砂樁施工具有一定的參考意義。