基于實際工程對振沖碎石樁的研究

梁 雨

(內蒙古路橋集團有限責任公司 呼和浩特市 010050)

0 引言

在地基處理方法中有預壓真空法、換填法、強夯法、振沖法、水泥攪拌法等，振沖碎石樁[1-2]適用于處理砂土、粉質粘土、粉土等，具有施工工藝簡單，造價低等特點。許多研究學者對該方法進行了大量的研究，其中王兆利等[3-4]對振沖碎石樁在漁港工程中的施工工藝及地基處理效果進行研究，研究表明水下振沖碎石復合地基與在道路、建筑等工程的應用存在許多差異；黎桂香[5]用過研究提出振沖碎石樁復合地基的承載力計算新公式；陳自榮等[6]通過研究，表明振沖碎石樁在港口工程中應用也具備經濟性及安全性，可推廣使用。

在現有的研究基礎上，基于理論與實踐相結合的研究方法，對實際水工工程振沖碎石樁進行研究。

1 工程概況

1.1 地質情況介紹

本工程位于某游輪碼頭，根據地勘資料顯示其鉆孔的標高為-5.90～-7.85m之間，地勢較為平緩，研究區域內的土層從上到下依次為淤泥，標貫擊數≥1擊，厚度為2.4～5.8m；淤泥質粉質黏土，標貫擊數≥1擊，厚度為5.0～7.2m；粉砂，該層分布最廣其厚度為1.2～4.2m；粉質粘土分布較為均勻，厚度為0.9～4.0m，在粉質黏土層下面的土層為強風化輝綠巖、中風化輝綠巖、強風化板巖和中風化板巖。

1.2 基礎處理

本工程考慮到成本等問題，決定采用碎石樁作為地基處理方法，將其進行處理，主要處理的地質土層包括淤泥層、粉砂層及粉質粘土層，各土層原地基承載力特征值為40kPa、100kPa及160kPa，碎石樁采用正三角布置，直徑為1.2m，樁與樁的中心間距為1.7m，碎石樁需達到粉質黏土層并進入≥1.2m，成樁后在樁頂面設置1.0m的碎石作為墊層，分層對其填充并壓實。

2 振沖碎石樁的監測方法

2.1 土壓力監測方法

在對振沖碎石樁進行檢測時，對樁間土壓力的檢測是一個關鍵的指標，為了解上部結構施工過程中關鍵點位置的土壓力變化，本工程分別在兩個沉箱前后趾設置土壓力盒作為監測點，具體的布置圖見圖1所示。

圖1 土壓力監測點平面布置圖

2.2 土壓力監測結果

分別取相對應的部分測點進行統計分析，結果如表1所示。

從表1中可知，隨著時間的推移(組別按時間順序進行記錄)，該土體的樁間土趨于穩定，各測點的壓力值均保持在50kPa左右，說明該土樣的樁間土屬于正常狀態。

表1 土壓力測點監測結果表

2.3 孔隙水壓力監測方法

土體中的孔隙水水壓力變化不僅可以用于土體固結度的計算，還能作為土體強度增長的判斷依據，也可用于施工堆載的控制依據。本工程中在布設孔隙水壓力檢測點時從上表面土層到承載力土層每隔2～3m布置一個孔隙水壓力測頭，并且為保證測點的有效性，當儀器埋設完成后立馬對其進行檢測，當所測的孔壓力值穩定后作為孔壓監測點的初始值。本工程中的孔隙監測點布置見圖2所示。

圖2 孔隙水壓力測點布置圖

2.4 孔隙水壓力監測結果

分別取相對應的部分測點進行統計分析，結果如表2所示。

表2 孔隙水壓力測點監測結果表

從表2中可知，隨著時間的推移，孔隙水壓力的超孔隙壓力消散并逐步趨于穩定，說明當上部結構完成后，上部荷載與空隙水壓力的關系不大，主要是由碎石樁與樁間土承擔上部荷載。

3 振沖碎石樁承載力計算

3.1 碎石樁置換率及等效直徑計算

復合地基單樁等效圓直徑及面積置換率的計算可根據下列公式進行計算：

de1=1.05S1

(1)

de2=1.13S2

(2)

(3)

式中：de1、de2分別為等邊三角形和正方形布置時單樁等效圓的直徑(m)；S1、S2分別為等邊三角形和正方形布置時相鄰樁的中心距(m)；m為面積置換率；d為單樁設計的直徑(m)；de為單樁等效圓直徑(m)。

本工程根據1.2小節中碎石樁的布置方法，相應的單樁等效直徑及置換率計算結果如下所示：

de1=1.05S1=1.05×1.7=1.785m

(4)

(5)

3.2 基底應力計算

(1)結構及土層自重

自重計算表見表3。

表3 自重計算表

表3中：第一層土自重=第一層土浮重度×體積，第一層上部自重累計和=第一層土自重+上部結構自重；第二層土自重=第一層土自重+第二層土浮重度×體積，以此類推。

(2)基底應力

應力計算表見表4。

表4 應力計算表

表4中：最大應力與最小應力=(上部結構傳至基礎頂的豎向力+基礎及上部結構自重)/基礎底面積±作用于基礎底面力矩/基礎底面的抵抗矩。

3.3 碎石樁應力計算

上部荷載由樁間土及碎石樁承擔。因此樁間土與樁加權平均為地基平均應力：

(1-0.452)σ土+0.452σ樁=σ

樁間土σ土為51.63kPa，基底應力為118.55kPa，因此可以求得σ樁=199.68kPa。

3.4 振沖碎石樁施工工藝及施工注意事項

振沖碎石樁在施工時主要涉及到的機械設備包括振沖器、水泵及操作振沖器吊機，其原理是通過電機旋轉帶動偏心塊運動，偏心塊運動產生水平向的頻率和振幅，使土地得到擠壓，空心豎軸將壓力水通過振沖器下端高速噴出，成孔。振沖碎石樁施工的過程主要包括施工前準備階段、儀器安裝就位對中、成孔及清空、加密振密階段、關閉振沖器并撤出施工區等幾個過程。振沖碎石樁在施工前應先進行試成樁；在施工的過程中，應對不同分區內機械設備參數進行設置，以保證不同設備達到相同的施工要求；需對施工機械設備進行定期檢測，保證施工設備性能良好。對于水下工程除了滿足基本的要求外，還應根據地質條件進行調整，如當水下存在厚度不一的淤泥等土層，并且在水下不易成孔時，可以在成孔時加大水量進行沖孔，并且在加密過程中為防止碎石顆粒間的粘土，可以加大加密水壓將其沖出，還可以通過提高加密速度，以保證碎石樁的樁體成樁質量。

4 結論

基于理論與實踐相結合的研究方法，對實際水工工程振沖碎石樁進行研究，通過對孔隙水壓力及土壓力的數據進行分析計算，研究結果表明：振沖碎石樁在水工工程中的應用及計算與工民建工程中振沖碎石樁的應用及計算公式相似，處理后的復合地基承載力有所提高。