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[摘要] :通过振冲碎石桩技术在沿海地区某地基处理工程中的应用,介绍其工艺原理、特点及施工注意事项,结合试验结果初步探讨了振冲法地基处理效果,具有一定的经济实用价值。
[关键词]:振冲碎石桩;地基处理;承载力
[abstract] : through the vibro-replacement stone column technology in coastal areas a ground treatment engineering application, introduces the process principle, characteristics and construction attention, with the test results discusses the vibration blunt method foundation treatment effect, has certain economic practical value.
[key words] : vibro-replacement stone column; Foundation treatment; Bearing capacity
中图分类号:TU47文献标识码:A文章编号:
为了保证国家石油的战略储备,中石化正在大规模的兴建原油码头及其配套设施工程,作为配套设施工程之一的储油罐多布置在沿海地区,该地区基础工程地质条件较差,具有回填土及软土层较厚、含水量高、压缩性大及抗剪强度低的地质特性。为了满足基础工程对地基承载力的要求应对原地基土进行处理。一般的处理方法用时较长,而且工后沉降较大;如果采用桩基础,施工较为困难,容易造成土层液化,且经济费用较高;而振冲碎石桩复合地基由于其充分利用桩间土和桩共同作用,具有施工速度快及工程造价较低等特点,故在沿海地区地基处理工程中得到了广泛的应用。
1 基本原理
振冲碎石桩是一种经济有效的地基土体加固措施。它以潜水电机带动偏心块,使振冲器产生高频振动,同时通过振冲器尖端喷嘴喷射出高压水流,在边振边冲的联合作用下,将振冲器沉到土中的设计深度。经清孔后,从地面向孔中分段填入适量碎石,每段填料均在振动作用下被振挤密实,达到设计所要求的密实度后提升振冲器,如此重复填料和振密,在土体中由下而上制作成一根大直径密实的碎石桩体,加固后的碎石桩与土体共同作用构成复合地基,从而达到加固土体提高承载力、减少沉降和不均匀沉降、增强地基的稳定性的目的。
在砂性土中,振冲碎石桩主要起密实作用,它一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化,砂颗粒重新排列,孔隙减少,另一方面依靠振冲器的水平振动力通过填料使砂层挤压加密。复合地基设计中,振冲碎石桩施工完毕后应清除其顶部的松散桩体,并在基础与桩和桩间土之间设置一定厚度的褥垫层,通过褥垫层的作用,使桩土共同承担荷载。
振冲碎石桩处理地基可节省三材,施工简单,加固期短,可因地制宜,就地取材,取碎石、卵石等填料,费用较低廉,是一种快速、经济加固地基的方法。在用于砂土、粉土、杂填土以及淤泥质软土等土体的加固处理中均可取得良好的效果。
2 工程概况
曹妃甸原油码头及配套设施工程10万方原油储罐地基处理工程场地经吹填砂土整平后,地形平坦,上部①层吹填砂层为新近吹填,④层土承载力较低,厚度较大,对于10万方油储罐的沉降有一定的影响,产生的沉降比较大。因此本工程地基处理主要是提高①、②、③、④层土的承载力和压缩模量并消除③层土的液化,以减少罐基础沉降。设计采用振冲法碎石桩对地基进行加固处理,圆形布桩,每罐设计桩数1027根,桩长30m,桩间距2.3~2.5m,上部回填砂部分桩径为1.30m,其余桩段直徑为1.20m,振冲碎石桩桩体至④层土,设计复合地基承载力不小于220KPa,桩体重型动力触探击数不低于20击,消除地层中粉细砂层的液化。
3 工程地质条件
施工场地属砂质海岸,为海相沉积形成,场地勘察深度内的土层为第四系沉积层,地基处理范围内的地基土自上而下依次为:
①层吹填砂:褐黄色,成分以粉细砂为主,湿~饱和、稍密~中密,局部松散。层厚2.30~4.80m。
②层细砂:灰黄色,颗粒级配均匀,很湿~饱和、稍密~密实。该层分布普遍,层厚2.30~4.80m。
③层粉砂:灰色,软塑,无摇振反应,切面稍有光滑,干强度中等,夹多层粉砂薄层,近互层状。该层下部见粘性土薄夹层。该层分布普遍,层厚6.90~20.50m。在抗震设防等级为7度时判定为液化土层,液化等级为轻微。
④层粉质粘土:灰色,颗粒级配均匀,饱和、稍密~密实。该层下部见粘性土薄夹层。该层分布普遍,层厚7.00~31.70m。
各层土主要物理力学性能指标详见表一。
表一 地基土主要物理力学指标统计表
4振冲碎石桩施工
4.1施工参数及机械选型
本工程采用的施工技术参数为:造孔水压控制在0.4~0.6MPa,造孔电流65~110A,造孔速度1.0~2.0m/min;加密水压控制在0.3~0.5MPa,密实电流≥95A,振密后提升高度0.3~0.5m;填料量1.13~1.24m3/m(桩径 1200mm);留振时间≥8s;重力触探≥20击。在加密对象、加密孔位布置及施工技术参数确定的条件下,振冲器的性能是决定加密效果的决定因素。结合桩长及地层条件的限制,本工程选用大功率130kW振冲器。
4.2施工工艺及施工顺序
施工工艺流程为:定位、成孔、清孔、填料、振密成桩。施工中为了获得更好的处理效果,本工程制桩施工顺序采用围打(帷幕)法,即先制外围2排~3排桩,然后依次向中心制桩,可以有效消除③层细砂的液化性。
4.3振冲桩施工质量保证措施
振冲碎石桩属隐蔽工程,外观不易检查,而桩体质量直接决定地基加固的效果,故施工中应制定完善的质量保证措施:
①质检员对进场材料要加强巡查,填料应经过质量检验合格后方可使用,填料的粒径、含泥量及强度等指标应符合国家、行业规范及设计要求。
②测量放线偏差应符合规范要求,桩位标识应明显、牢固,施工中应经常复核,保证其准确度。
③严格按设计要求、施工技术参数及相关规范要求,采用综合指标法控制施工质量。
④进入层②细砂层,每插入2m应提钻检查是否抱管,其余部位每进尺4m应抽插松动一次,施工中随时检查孔口泛浆情况,同时查看砂浆泵运转情况,发现抱管现象,可适当加大水压和上拔力,严禁采用水冲和气冲措施。
⑤造孔后,提锤清孔直至孔口,清孔时拔管速度1.5/min,提出锤头后向孔内分两次投入3m3石料然后振管插至孔地,确保孔底填料的密实度。
⑥在制桩过程中,造孔垂直度偏差应不大于1.5%,注意不能把振冲器接触填料的瞬间电流当作密实电流,上部直径为1.3m的桩体部位应反复抽插振动头,抽插高度为1.0m ,确保上部吹填区桩体的密实度。
⑦施工中对桩体密实度宜采用动力触探试验进行自检,检测时间为成桩后不少于2天,自检数量不少于桩数的2%。
⑧成桩后立即铺碎石垫层500mm厚,利用铲运车向前投料同时碾压垫层,使之密实。随着施工向前推进,已施工部分可作为碎石堆场进行预压;完成一个施工段后再用40吨带振压路机振压,以利于地基土中水的排出并加快土的固结速度使上部载荷均匀分布,使沉降均匀化。
5 地基处理效果分析
5.1复合地基静载荷试验
施工结束后每罐地基抽取了5点进行单桩复合地基承载力试验,试验结果详见图1。复合地基静载荷试验曲线均平缓光滑,在520KPa最大试验荷载下,各检测点复合地基均未达到破坏。根据比例极限法、相对变形法等方法,确定出各检测点复合地基承载力特征值为260KPa,大于设计要求复合地基承载力特征值220KPa,复合地基承载力提高近1.2倍。每组复合地基最大试验加载压力所对应的沉降量相差不大,说明基底持力层的承载力和压缩模量差别不大。
5.2桩体动力触探试验
施工结束后开挖深坑进行动探试验,探坑深5.0m,可以看出桩径不小于1.20m ,绝大部分碎石桩连通在一起。桩体动力触探试验每罐基础抽取了10根桩,分析碎石桩桩体动力触探曲线和动力触探击数分布散点图可以发现(详见图2-6),在约4m以上击数大多低于20击;4m以下击数较高,个别桩段稍低于20击,但数量很少,且不连续。总体来讲,碎石桩桩体约4m以上密实度较差,这与此深度范围内的地层主要为未压实的回填土有关,4m以下密实度较好,连续性、均匀性也较好。
图2:T5-14桩图3:T5-198桩图4:T5-283桩 图5:T5-292桩图6:T5-324桩
5.3桩间土标准贯入试验
为对比地基处理前后桩间土液化情况的变化,完工后,每罐基础布置了5个标准贯入点进行试验,试验结果详见图7-11。综合分析桩间土测试结果,与场地勘察资料對比,判定③层土的液化已经消除,碎石桩桩间土标准贯入击数有明显提高,桩间土的性质已有较大的改善。
图7:T5-14桩图8:T5-198桩 图9:T5-283桩 图10:T5-292桩图11:T5-324桩
6 结论
⑴本工程所采用的振冲碎石桩地基处理的方法,充分的发挥了这种桩优点,使复合地基的承载力得到大幅度的提高,地基变形得以降低和有效的控制,且大大的降低了工程造价。采用该法处理地基可按复合地基设计与施工,当对某种特殊超常规设计,采用大功率的振冲器施工时,可取得特殊的处理效果。
⑵在深厚的低强度、高压缩性层(如松散砂层、淤泥层、软粘土层等)场区,尤其在沿海地区,采用大直径振冲碎石桩工艺处理地基,具有施工速度快、操作简易、成本低、工期短、软基固结快、沉降稳定所需时间短、不受地下水影响、工程质量易保证等优点,对沉降差异要求严格的工程基础而言,是一种很好的地基快速处理方法。
⑶清除桩顶部松散的桩体以及铺设垫层的厚度,直接影响复合地基的桩和桩间土强度的发挥,对提高复合地基整体承载力和减少沉降变形是非常有利的。
⑷本工程为振冲碎石桩复合地基竣工检测提供了静载荷试验、桩体动力触探试验、桩间土标准贯入试验等可靠的检测手段。
参考文献:
水电水利工程振冲法地基处理技术规范(DL/T 5214—2005)
建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)
地基与基础工程施工技术措施(北京土木建筑学会编)
[关键词]:振冲碎石桩;地基处理;承载力
[abstract] : through the vibro-replacement stone column technology in coastal areas a ground treatment engineering application, introduces the process principle, characteristics and construction attention, with the test results discusses the vibration blunt method foundation treatment effect, has certain economic practical value.
[key words] : vibro-replacement stone column; Foundation treatment; Bearing capacity
中图分类号:TU47文献标识码:A文章编号:
为了保证国家石油的战略储备,中石化正在大规模的兴建原油码头及其配套设施工程,作为配套设施工程之一的储油罐多布置在沿海地区,该地区基础工程地质条件较差,具有回填土及软土层较厚、含水量高、压缩性大及抗剪强度低的地质特性。为了满足基础工程对地基承载力的要求应对原地基土进行处理。一般的处理方法用时较长,而且工后沉降较大;如果采用桩基础,施工较为困难,容易造成土层液化,且经济费用较高;而振冲碎石桩复合地基由于其充分利用桩间土和桩共同作用,具有施工速度快及工程造价较低等特点,故在沿海地区地基处理工程中得到了广泛的应用。
1 基本原理
振冲碎石桩是一种经济有效的地基土体加固措施。它以潜水电机带动偏心块,使振冲器产生高频振动,同时通过振冲器尖端喷嘴喷射出高压水流,在边振边冲的联合作用下,将振冲器沉到土中的设计深度。经清孔后,从地面向孔中分段填入适量碎石,每段填料均在振动作用下被振挤密实,达到设计所要求的密实度后提升振冲器,如此重复填料和振密,在土体中由下而上制作成一根大直径密实的碎石桩体,加固后的碎石桩与土体共同作用构成复合地基,从而达到加固土体提高承载力、减少沉降和不均匀沉降、增强地基的稳定性的目的。
在砂性土中,振冲碎石桩主要起密实作用,它一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化,砂颗粒重新排列,孔隙减少,另一方面依靠振冲器的水平振动力通过填料使砂层挤压加密。复合地基设计中,振冲碎石桩施工完毕后应清除其顶部的松散桩体,并在基础与桩和桩间土之间设置一定厚度的褥垫层,通过褥垫层的作用,使桩土共同承担荷载。
振冲碎石桩处理地基可节省三材,施工简单,加固期短,可因地制宜,就地取材,取碎石、卵石等填料,费用较低廉,是一种快速、经济加固地基的方法。在用于砂土、粉土、杂填土以及淤泥质软土等土体的加固处理中均可取得良好的效果。
2 工程概况
曹妃甸原油码头及配套设施工程10万方原油储罐地基处理工程场地经吹填砂土整平后,地形平坦,上部①层吹填砂层为新近吹填,④层土承载力较低,厚度较大,对于10万方油储罐的沉降有一定的影响,产生的沉降比较大。因此本工程地基处理主要是提高①、②、③、④层土的承载力和压缩模量并消除③层土的液化,以减少罐基础沉降。设计采用振冲法碎石桩对地基进行加固处理,圆形布桩,每罐设计桩数1027根,桩长30m,桩间距2.3~2.5m,上部回填砂部分桩径为1.30m,其余桩段直徑为1.20m,振冲碎石桩桩体至④层土,设计复合地基承载力不小于220KPa,桩体重型动力触探击数不低于20击,消除地层中粉细砂层的液化。
3 工程地质条件
施工场地属砂质海岸,为海相沉积形成,场地勘察深度内的土层为第四系沉积层,地基处理范围内的地基土自上而下依次为:
①层吹填砂:褐黄色,成分以粉细砂为主,湿~饱和、稍密~中密,局部松散。层厚2.30~4.80m。
②层细砂:灰黄色,颗粒级配均匀,很湿~饱和、稍密~密实。该层分布普遍,层厚2.30~4.80m。
③层粉砂:灰色,软塑,无摇振反应,切面稍有光滑,干强度中等,夹多层粉砂薄层,近互层状。该层下部见粘性土薄夹层。该层分布普遍,层厚6.90~20.50m。在抗震设防等级为7度时判定为液化土层,液化等级为轻微。
④层粉质粘土:灰色,颗粒级配均匀,饱和、稍密~密实。该层下部见粘性土薄夹层。该层分布普遍,层厚7.00~31.70m。
各层土主要物理力学性能指标详见表一。
表一 地基土主要物理力学指标统计表
4振冲碎石桩施工
4.1施工参数及机械选型
本工程采用的施工技术参数为:造孔水压控制在0.4~0.6MPa,造孔电流65~110A,造孔速度1.0~2.0m/min;加密水压控制在0.3~0.5MPa,密实电流≥95A,振密后提升高度0.3~0.5m;填料量1.13~1.24m3/m(桩径 1200mm);留振时间≥8s;重力触探≥20击。在加密对象、加密孔位布置及施工技术参数确定的条件下,振冲器的性能是决定加密效果的决定因素。结合桩长及地层条件的限制,本工程选用大功率130kW振冲器。
4.2施工工艺及施工顺序
施工工艺流程为:定位、成孔、清孔、填料、振密成桩。施工中为了获得更好的处理效果,本工程制桩施工顺序采用围打(帷幕)法,即先制外围2排~3排桩,然后依次向中心制桩,可以有效消除③层细砂的液化性。
4.3振冲桩施工质量保证措施
振冲碎石桩属隐蔽工程,外观不易检查,而桩体质量直接决定地基加固的效果,故施工中应制定完善的质量保证措施:
①质检员对进场材料要加强巡查,填料应经过质量检验合格后方可使用,填料的粒径、含泥量及强度等指标应符合国家、行业规范及设计要求。
②测量放线偏差应符合规范要求,桩位标识应明显、牢固,施工中应经常复核,保证其准确度。
③严格按设计要求、施工技术参数及相关规范要求,采用综合指标法控制施工质量。
④进入层②细砂层,每插入2m应提钻检查是否抱管,其余部位每进尺4m应抽插松动一次,施工中随时检查孔口泛浆情况,同时查看砂浆泵运转情况,发现抱管现象,可适当加大水压和上拔力,严禁采用水冲和气冲措施。
⑤造孔后,提锤清孔直至孔口,清孔时拔管速度1.5/min,提出锤头后向孔内分两次投入3m3石料然后振管插至孔地,确保孔底填料的密实度。
⑥在制桩过程中,造孔垂直度偏差应不大于1.5%,注意不能把振冲器接触填料的瞬间电流当作密实电流,上部直径为1.3m的桩体部位应反复抽插振动头,抽插高度为1.0m ,确保上部吹填区桩体的密实度。
⑦施工中对桩体密实度宜采用动力触探试验进行自检,检测时间为成桩后不少于2天,自检数量不少于桩数的2%。
⑧成桩后立即铺碎石垫层500mm厚,利用铲运车向前投料同时碾压垫层,使之密实。随着施工向前推进,已施工部分可作为碎石堆场进行预压;完成一个施工段后再用40吨带振压路机振压,以利于地基土中水的排出并加快土的固结速度使上部载荷均匀分布,使沉降均匀化。
5 地基处理效果分析
5.1复合地基静载荷试验
施工结束后每罐地基抽取了5点进行单桩复合地基承载力试验,试验结果详见图1。复合地基静载荷试验曲线均平缓光滑,在520KPa最大试验荷载下,各检测点复合地基均未达到破坏。根据比例极限法、相对变形法等方法,确定出各检测点复合地基承载力特征值为260KPa,大于设计要求复合地基承载力特征值220KPa,复合地基承载力提高近1.2倍。每组复合地基最大试验加载压力所对应的沉降量相差不大,说明基底持力层的承载力和压缩模量差别不大。
5.2桩体动力触探试验
施工结束后开挖深坑进行动探试验,探坑深5.0m,可以看出桩径不小于1.20m ,绝大部分碎石桩连通在一起。桩体动力触探试验每罐基础抽取了10根桩,分析碎石桩桩体动力触探曲线和动力触探击数分布散点图可以发现(详见图2-6),在约4m以上击数大多低于20击;4m以下击数较高,个别桩段稍低于20击,但数量很少,且不连续。总体来讲,碎石桩桩体约4m以上密实度较差,这与此深度范围内的地层主要为未压实的回填土有关,4m以下密实度较好,连续性、均匀性也较好。
图2:T5-14桩图3:T5-198桩图4:T5-283桩 图5:T5-292桩图6:T5-324桩
5.3桩间土标准贯入试验
为对比地基处理前后桩间土液化情况的变化,完工后,每罐基础布置了5个标准贯入点进行试验,试验结果详见图7-11。综合分析桩间土测试结果,与场地勘察资料對比,判定③层土的液化已经消除,碎石桩桩间土标准贯入击数有明显提高,桩间土的性质已有较大的改善。
图7:T5-14桩图8:T5-198桩 图9:T5-283桩 图10:T5-292桩图11:T5-324桩
6 结论
⑴本工程所采用的振冲碎石桩地基处理的方法,充分的发挥了这种桩优点,使复合地基的承载力得到大幅度的提高,地基变形得以降低和有效的控制,且大大的降低了工程造价。采用该法处理地基可按复合地基设计与施工,当对某种特殊超常规设计,采用大功率的振冲器施工时,可取得特殊的处理效果。
⑵在深厚的低强度、高压缩性层(如松散砂层、淤泥层、软粘土层等)场区,尤其在沿海地区,采用大直径振冲碎石桩工艺处理地基,具有施工速度快、操作简易、成本低、工期短、软基固结快、沉降稳定所需时间短、不受地下水影响、工程质量易保证等优点,对沉降差异要求严格的工程基础而言,是一种很好的地基快速处理方法。
⑶清除桩顶部松散的桩体以及铺设垫层的厚度,直接影响复合地基的桩和桩间土强度的发挥,对提高复合地基整体承载力和减少沉降变形是非常有利的。
⑷本工程为振冲碎石桩复合地基竣工检测提供了静载荷试验、桩体动力触探试验、桩间土标准贯入试验等可靠的检测手段。
参考文献:
水电水利工程振冲法地基处理技术规范(DL/T 5214—2005)
建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)
地基与基础工程施工技术措施(北京土木建筑学会编)