振冲碎石桩在大面积人工填海地基处理中的工程实践
时间：2022-09-17 05:21:44
摘 要：振冲碎石桩处理地基简单、经济、有效，本文就某集装箱地基处理工程从碎石桩处理加固机理、理论计算以及实际处理效果几个方面进行详细的阐述，进而证明大功率、大直径碎石桩对含有饱和度较高的黏性土、较大碎石的软弱地基处理的效果是显著的。
中图分类号：TU471.8 文献标识码：A
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1 引言
碎石桩通过振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入土孔中，形成大直径的碎石或砂所构成的密实桩体，从而使原来的地基构成复合地基，达到减少地基变形、提高土体抗剪强度，增强地基稳定性的目的,具有操作简单、经济、有效的特点。特别是对于含有饱和度较高的黏性土、较大碎石的人工填海造地形成的软弱地基处理效果尤为显著。
振动水冲法最初于1937年用来挤密砂石地基获得成功，并于20世纪60年代初，开始用来加固粘性土地基，由于用料是碎石，故称为碎石桩。
我国应用振冲法始于1977年，在坝基、道路、桥梁、工业与民用建筑地基处理中得到了广泛的应用。但因振冲碎石桩有泥水污染环境，在城市和已有建筑物地段的应用受到限制，且有软化土的作用。于是从20世纪80年代开始，各种不同的施工工艺相应产生，如锤击法、振挤法、干振法、沉管法、振动气冲法、袋装碎石法、强夯碎石桩置换法等。虽然这些方法的施工不同于振动水冲法，但是，都可以形成密实的碎石桩并达到软基或路基加固。
2 振冲碎石桩地基处理的加固机理
振冲碎石桩是在振动机的震动下将套管打入规定的设计深度，套管入土后，挤密套管周围土体，然后投入砂石，再排砂石于土中，震动密实成桩，多次循环后就形成砂石桩。桩与桩间土形成复合地基，从而提高地基承载力和防止砂土震动液化，增大软弱黏性土的整体稳定性。
由于桩体的压缩模量远大于软弱土，因此通过基础传给复合地基的外加压力随着桩、土的等量变形会逐渐集中到桩上去，从而使软土负担的压力相应减少，与原地基相比，复合地基的承载力有所增高，压缩性也有所降低；对桩体不达到相对硬层的情况，复合土层主要起垫层的作用，将荷载引起的应力向周围横向扩散，使应力分布趋于均匀，从而可提高地基整体承载力，减少沉降量。
另外，复合地基完成之后，一方面随时间的推移原地基土的结构强度有一定程度的恢复，另一方面孔隙水压力向桩体转移消散，使得有效应力增大，强度提高。
3 碎石桩在处理地基中的应用
本文以某港口集装箱中心站工程清洗箱区软基处理为例，从最初方案比选、理论计算至处理后的实际效果分别进行了阐述。
3.1工程概况
清洗箱区场地占地面积为3.1×104m2，为人工填海造地，土层主要为杂填土、淤泥质粉砂、红粘土及石灰岩，工程具有占地面积大，地质条件差的特点。具体各地层详细物理、力学特性如下表所列：
表1 主要地层物理、力学特性
由于上述红粘土层及以上属于松软层，不能直接作为建筑物的基础，因此需要进行地基处理，要求处理后的复合地基承载力不小于180kPa，沉降量不大于20cm。
3.2方案比选
该地区常用地基处理方式为强夯、碎石桩及CFG桩、堆载预压、真空预压等。强夯虽然使用土类较广，但对于饱和度较高的黏性土，处理效果不明显，尤其是对于含有淤泥和淤泥质土的地基效果更差，而且处理深度有限，由于该区域地层中含有饱和土层、较厚的淤泥及淤泥质粉砂以及软塑的红粘土，这些土质在强夯过程中孔隙水压力很难得到及时的释放，挤密压实效果差，在施工过程中容易出现夯坑较深，夯坑周围产生较大隆起的现象，强夯对于该区域的处理效果不明显；CFG桩虽然处理软弱地基效果明显，但由于该地区是人工杂填，地质条件复杂，局部地区含有较大块石，不宜进行CFG桩施工，且CFG桩相对费用较大；堆载预压、真空预压等方案则存在地基处理工期长、需要倒运大量的堆载材料、处理后地基承载力不易达到要求等缺陷。从可行性、经济等方面综合考虑，决定采用碎石桩加固地基。结合该区域的周边无重要大型建筑物、地层含有较大碎石、地基加固深度较深等情况，最终决定采用大功率、大直径的振冲碎石桩进行地基加固处理。
3.3处理方案
本工程地基处理最终采用振冲器为130KW，桩体正三角形布置，桩径采用1.1m，桩间距3m，桩长8m。要求桩体材料采用含泥量不大于5%的碎石、卵石等性能稳定的硬质材料，不宜使用风化、易碎的石料，粒径40～150mm。要求处理后复合地基的变形模量达到15MPa，桩体变形模量为23MPa，桩间土变形模量为12.5MPa，相应的桩体承载力特征值为350kPa，桩间土承载力特征值为165kPa以上。并于振冲碎石桩施工完后，根据孔隙水压力消散的时间，进行冲击碾压施工。将基底标高下的松散土层重型碾压密实，随后铺设0.4m厚碎石垫层，中间夹铺土工格栅，强度不小于50kN/m，以加强路基排水和整体的稳定性。
3.4检算分析
3.4.1沉降检算
本文沉降检算采用《建筑地基基础设计规范》推荐的公式与配套方法，称之为应力面积法，应力面积法是在分层总和法原理的基础上发展的一种计算方法，由于它是用积分的方法求得应力面积和平均应力系数，计算时可以不受分层厚度的限制，而且是精确解，给计算带来很大的方便②。
分层应力法的沉降计算公式为
（1）
其中：s —地基最终变形量；
—沉降计算经验系数；
n—地基变形计算深度范围内所划分的土层数；
—对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加应力（kPa）；
—基础底面下第i层土的压缩模量(MPa);
,—基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；
、—基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。
由于周围无相邻荷载影响，且基础宽度为12m，所以地基变形计算深度为
（2）
其中：b—基础宽度
经计算，地基变形计算深度为18m。
计算地基的沉降计算经验系数为0.925，带入公式计算地基最终变形量s=81.87mm，满足设计要求。
3.4.2承载力检算
依据复合地基承载力的计算公式
（3）
其中：—复合地基的承载力特征值；
—桩体单位面积的承载力特征值；
—挤密后桩间土体单位面积的承载力特征值；
经计算=0.12×350+（1－0.12）×165=187.2≥180kPa，满足复合地基承载力要求。
3.5施工工艺及施工注意事项
施工工序：清淤排水、整平场地铺设垫层并碾压放样定孔位启动水泵振冲器振冲器下沉至设计深度记录电流、电压及深度振冲器提至孔口往孔口缓慢倒第一批碎石振冲器下沉振密重复往孔口倒碎石并振密直至孔口。
在正式施工前,先进行试桩,初步得出本场地碎石桩施工参数等,特别是要得出桩底超过淤泥层时的振冲器工作特性,如电机工作电流等。施工顺序应先边部后中部，便于复合地基土体固结程度随时间延长不断深入。
3.6实际施工检测
施工完成后，按照规范要求对该场地进行3个振冲碎石桩及3个桩间土的动力触探试验检测，振冲碎石桩的承载力特征值在200kPa～480kPa之间，局部达到500kPa，桩体连续；桩间土的承载力特征值在120～280kPa之间，局部达到300kPa以上。经对复合地基进行荷载试验，该场地处理后的承载力特征值为180kPa，满足设计要求；地基沉降检测结果也满足规范及设计相关要求。
4 结论
通过上述理论计算及工程实践，可得到如下结论：
(1) 采用大功率、大直径碎石桩对含有饱和度较高的黏性土、较大碎石的软弱地基进行加固是可行的，效果明显。
(2)采用碎石桩加固该类型地基，复合地基承载力可提高2～3倍，沉降变形能明显减小。
参考文献
1.GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》
2.JTS 147-1-2010《港口工程地基规范》
3.龚绍熙 注册结构工程师专业考试教程【M】. 中国建材工业出版社，2006
4.陶明霞. 碎石桩处理软土地基的设计【J】安徽建筑工业学院学报（自然科学版），Vol.15 No.4(2007)
