振冲碎石桩在饱和软土地基处理中的应用研究

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

碎石桩复合地基是处理软土地基的一种迅速而有效的方法。但是，《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－91）第六章第一节第6.1.1条“……振冲置换法适用于不排水抗剪强度不小于20KPa的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基。……”，其他教科书等也认为振冲碎石桩不适应于不排水抗剪强度低于20KPa的软粘土中。
    本文详细介绍了汕头市某厂房内地坪成功采用振冲碎石桩的设计及施工方法，并结合广州地区近年来振冲碎石桩工程设计与施工实例进行技术评价，说明在不排水抗剪强度低于20KPa的软土地基完全可采用振冲碎石桩进行处理，关键是施工中应认真执行有关设计施工操作规范，并进行必要的经济分析，以确定最优处理方案。
    2、某厂房内地坪振冲碎石桩设计实例
    2.1工程概况
    汕头市某厂房内地坪用来承放高精密度机械设备，承载力要求仅为50KPa，但该机械设备对不均匀沉降非常敏感，初步设计采用架空地坪，即地坪与桩承台连为一体。可是架空地坪造价太高且对机械设备的后期改良不利。应业主邀请，笔者建议采用振冲碎石桩复合地基进行处理，并就振冲碎石桩复合地基有关计算和施工参数进行了设计。共完成了振冲碎石桩3470根，39558米，填料量37185m3，碎石垫层约5000m3。
    2.2 场地土层情况
    场地土层自上而下为①素填土、耕作土；②淤泥：底面埋深为-12.56~-10.26,γ=15.9kN/m3,十字板抗剪强度多为10~13KPa，fk=40KPa；③粗砂：平均厚4.9m，γ＝20.2 KN/m3,fk=220 KPa；④淤泥：平均厚16.5m，γ=16.4KN/m3,            
    fk=50KPa；⑤粉质粘土：平均厚3.0m，γ＝18.5 KN/m3,fk=110 KPa。
    场地地下水位高（±0.00），处理对象为上部②淤泥。③粗砂具一定厚度，且承载能力高，可作一般桩基持力层，但下卧④淤泥厚度大且强度低应对其作承载力和变形验算。
    2.3设计计算
    2.3.1确定加固范围及复合地基承载力
    加固范围取桩承台内8×8m 范围，设计布桩14根，桩径1.0m，三角形布桩，桩距2.50m,，行距2.20m，素填土及耕作土视作淤泥看待，加固深度11.4m至③粗砂层顶面，桩顶铺设30cm碎石垫层。由fspk=［1+m(n-1)］fsk，m=d2/de2=0.14，fsk＝40KPa，n取4，计算得：fspk=56.8KPa。
    2.3.2计算假设
    a)加固深度内全部为淤泥，地基土为各向同性；b)承台内8×8m 地坪范围等效为矩形面积上均布荷载作用下的刚性基础；c)桩长达硬层；d)无相邻荷载影响。
    2.3.3地基受压层计算深度
    按《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）计算，Zn=b(2.5－0.4Inb)=8×(2.5－0.4In8)=13.4m。
    2.3.4地基土自重应力计算
    бcz1 = (15.9－10) ×11.4=67.26Kpa
    бcz2 =(20.2－10)×(13.4－11.4)+бcz1=87.7 KPa 
    2.3.5附加应力计算
    бz0=50KPa
    l/b=1,z/b=3.35，查规范附表10－1得ac＝0.037
    бz1= 4acб0=4×0.037×50=7.4KPa
    2.3.6下卧层承载力及变形验算
    бz1+бcz2=87.7+7.4=95.1KPa
    粗砂平均厚为4.9m，fk=220KPa＞95.1KPa，且бz1=7.4＜0.1бcz2=8.77KPa。对于软土，基础底面中心O点下深度Z处的附加应力бz等于同一深度Z处的自重应力бcz的0.1倍时，此深度即为地基受压深度Zn，说明粗砂具足够强度，Zn=13.4m也符合变形计算深度要求。
    2.3.7基础中点下天然地基沉降量S
    粗砂变形可忽略不计，假定计算深度范围内全部为淤泥。规范公式简化为：  
    S=ΨsPo(Z1  a1)/Es1
    Ψs－沉降计算经验系数，由Es查表得；
    Po－基底面处的附加应力，取50Kpa；
    Z1－为13.4m；
    a1－查范附录十:附表10-2“矩形面积上均布荷载作用下角点的平均附加应力系数 a”,按应力叠加原理l/b=4/4＝1.0，z1/b=13.4/4=3.35，查表得  a=0.12695，a1=4   a=0.508。
    Es1＝1.74Mpa；
    Es＝∑Ai/(∑Ai/ Esi), A1= z1 (a0+ a1)/2 , A2= (z2 －z1)(a1+ a2)/2，因为加固范围内全部为淤泥，故Es＝Es1＝1.74Mpa。查表内插得Ψs＝1.45,计算：s=283.6mm
    2.3.8复合地基总沉降量（沉降折减法）
    Ssp＝βS
    β为沉降折减系数，0＜β＜1，β＝1/［1+m(n-1)］,
    m为置换率 ，n为桩土应力比；
    S为天然地基沉降总量；
    Ssp为复合地基总沉降量。
    计算得：β＝0.70。
    Ssp＝βS =0.70×283.6=198.5mm
    2.3.9复合地基沉降稳定时间
    振冲碎石桩复合地基变形的组成包括桩体自身沉降和桩间土的变形两部分。桩体自身沉降是以桩柱体在荷载作用下的压胀变形为主，对于桩间土的变形则是以压缩变形为主。本工程设计复合地基置换率为0.14，即压胀变形忽略不计，因此，变形可近似由桩顶变形和桩间土表面变形构成。
    施工期间车辆碾压、桩顶碎石垫层施工的碾压作用和后继填土施工时的碾压作用、以及依靠垫层的流动补偿性，桩顶变形和桩间土表面变形能在施工期间迅速均匀地进行。经测试结果表明，软土在施工30天后排水固结完成，强度得到恢复，故振冲碎石桩复合地基一般在地基处理完后的30天即可完成80％沉降，剩下20％的沉降在加载后桩间土强度改善过程中完成（约三个月），半年后沉降趋于稳定。
    2.4设计要求
    2.4.1设计控制标准
    a)据填土荷载及机械荷载要求，复合地基承载力标准值不小于50Kpa。
    b)根据机械设备的工艺要求,工后沉降控制在25－30mm,且不出现差异沉降。
    2.4.2振冲碎石桩技术要求
    a)按内地坪单元布桩，单元规格为8500×8500、8500×9000和9000×9000三种，每个单元布桩14根。桩径φ1000，桩距2.50m，行距2.20m，桩长以达相对硬层粗砂层为准，平均长11.4m。
    b)碎石桩施工采用ZCQ-30型振冲器，施工后桩顶铺设碎石垫层，厚度为30cm。
    c)碎石材料采用未风化φ30~80cm碎石，含泥量不大于5％。
    d)内地坪处理范围外加一排护桩，距外轴线2.0m布桩，护桩桩径φ1000，桩距3.0m。
    e)密实电流暂定为45~50A，留振时间10~15S，具体施工参数经试桩后确定。
    f)其他项目参照有关规范、规程。
    2.4.3设计检测方法
    a)复合地基承载力标准值采用单桩复合地基载荷试验确定，试验按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－91）附录一“复合地基载荷试验要点”进行。
    b)埋设沉降观测杆和位移观测桩，振冲碎石桩施工完后进行观测。观测时间为一年，并根据观测资料的分析，预测后期沉降和最终沉降。
    2.4.4施工注意事项
    a)施工前应平整场地，铲除杂草等，为方便施工，应先铺设50cm厚中砂垫层，施工平面不得低于地下水位。
    b)振冲碎石桩施工水压不小于500KPa，水量不小于30m3/h。
    c)施工顺序按“由外到里、两边往中间”的原则同时推进施工。
    d)单位填料量不少于理论填料量，扩散系数按1.2计，即0.785×1.2＝0.94m3，保证复合地基置换率。
    e)有关碎石桩施工允许偏差还应符合《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ017－96）中相关规定。
    2.5试   桩
    桩长为11.0m，施工密实电流45~50A，留振时间10S，单桩耗碎石13.5m3，单位填料量约1.23m3/m，说明施工参数与设计桩径相匹配。最后由设计、监理、质监、施工单位及业主共同确定按原设计参数即：密实电流45~50A，留振时间10~15S进行大面积施工。
    2.6处理效果
    2.6.1施工监测
    在施工过程中，笔者使用了广东有色地勘局九三二队曹志明等研制的DC-3振冲监测系统（一种带数字分析模型的施工监控与分析系统）对成孔与制桩进行全程监控，重点监测振冲三要素：密实电流、留振时间和填料量。其中填料量计算方法采用每个振密段长（0.5m）对应的成孔电流、密实电流和施工时间（该段成孔时间与振密制桩时间）联立方程求解所得，对比人工记录的填料量和总体耗填料量，误差较小。将收集的数据按施工位置平均分四组，再从这四组数据中随机抽样另组成一组数据，对此五组数据进行综合分析，成果包括施工电流变化特征曲线、施工状态分析和处理效果评述等。五组数据表明，振冲三要素基本一致（达到设计要求），平均桩径φ115，场地整体施工状况较为均一，处理效果良好。三要素统计结果见表1：
    表1    DC-3   振冲三要素统计数据分析结果
        要素     组号    平均密实电流     I（A）  平均留振时间 S（s）  每米填料量 （m3）
 
                    1              50                                 12                         1.0
 
                    2              47                                 14                          1.2
 
                    3               50                                10                          0.92
 
                    4               43                                 12                          1.0  

                    5                55                                 10                          1.1
 
    2.6.2  施工要点：
    饱和软土地基上施工振冲碎石桩，主要难点是成孔质量问题和成桩时电流及留振时间难以达到设计要求，这都要在施工中采取有效的工艺措施来解决，主要方法有：
    （1）成孔：成孔速度宜慢，振冲器在成孔过程中应保持悬垂状态，保证孔壁的完整和孔的垂直度；成孔时水压不宜小于500kpa，水量不小于30m3/h，保证孔内淤泥及其团块返出地面，保证填料的畅顺，提高施工功效，还能保证桩体的排水固结作用不因桩体含泥量大而影响。为进一步保证成孔质量，终孔后必须进行清孔1-2遍。
    （2）成桩：成桩时电流及留振时间难以达到设计要求，主要原因是碎石难以充分地到达预定位置。为解决这些问题，除成孔质量要保证外，在成桩时还要根据不同的地质条件，采取不同的成桩工艺。饱和软土中主要解决填料工艺问题，规范要求采用“间断填料法”，但在实际施工中，我们都采用“综合填料法”，即在成桩过程中根据实际情况，有时采用“间断填料法”，有时采用“不间断填料法”，更多的是综合此两种方法，让振冲器在孔内不停地上、下串动进行填料、振密和留振。此法能避免饱和软土振冲碎石桩施工常见的“卡管”和“断桩”现象，保证桩体连续性和密实度。
    （3）成桩过程中还应注意密实电流和瞬间电流的区别，留振时间应是“在稳定密实电流下的持续时间。”
    2.6.3 检测结果
    复合地基承载力标准值采用单桩复合地基载荷试验确定，按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）中有关规定进行，根据碎石垫层在振冲碎石桩复合地基中的作用，要求试验直接在碎石垫层上进行。本工程共检测4根桩，检测结果见表2：
                                         表2      试验结果汇总表

序号  试验 点号  复合地基  极限承载力QU(Kpa)   大沉降(mm)  残余沉降量(mm)   fspk对应沉降量(mm)
                       承载力设计值fspk(kPa) 
 1    2A-9   50          ≥100               14.32               9.37              6.81  
 2    1N-6   50         ≥100                12.57               8.98              5.72
 3    13J-5  50         ≥100                  6.64               3.44              2.50
 4   17C-6  50         ≥100                11.98               6.66              4.32
 
    结果表明，总沉降量小，fspk对应的沉降量极小（平均4.83mm），回弹率37.5%，Q—S曲线平缓，S—lgt 曲线呈平行规则排列，复合地基承载力标准值≥50KPa，完全符合设计标准和满足工程要求。      
    该厂房地坪处理后，经一年的沉降观测，沉降在施工完后的三个月就已趋于稳定，总沉降量较小（平均为151mm,小于设计计算量），各观测点沉降较均匀。 说明经振冲碎石桩处理后，沉降能很快完成，总沉降量较小，且无差异沉降。比设计预期效果还要好。
    3、振冲碎石桩与桩间土抗剪强度
    3.1工程应用实例
    近几年来，笔者在珠三角及沿海地区软土地基上主持了许多振冲碎石桩的设计和施工项目，满足了不同建筑类型的承载和变形要求，现列举如下几个工程事例：
    3.1.1华南路1标振冲碎石桩工程：设计桩径为60cm，桩长5m和6m，桩距1.3m，正三角形布桩，密实电流20~24A（实际施工为27~30A），留振时间10~15S（实际施工为3~5S），处理后复合地基承载力标准值不小于120Kpa。处理对象为上部淤泥、淤泥质土，流塑~软塑状，Cu平均为9.20KPa。试验直接在垫层上任取一点进行，试验表明处理后复合地基承载力标准值为150-205KPa，达到预期效果。试验结果见表3：试验结果汇总表。
    表3    试验结果汇总表
   
序号  试验 点号  承载力设计值Pa(kPa) 极限承载力QU(Kpa)  大沉降 (mm) 残余沉降量(mm)  Pa对应沉降量(mm)
  1  试验   1  １２０  330  15.20  8.64  3.08 
  2  试验   2  １２０  330  16.07  8.90  3.08
  3  试验   3  １２０  300  14.42  8.13  2.74
  4  试验   4  １２０  410  17.29  10.21  2.76
 
    3.1.2广园东路碎石桩工程：场地地层主要为淤泥、淤泥质土和淤泥质粉砂，含水量高、孔隙比高、具高压缩性、呈流塑或松散状。要求处理后复合地基承载力标准值不小于100KPa，在引道范围不小于130KPa；设计桩长9.0m，桩径80cm，桩间距1.6m，正三角形布桩，软土不排水抗剪强度CU值为2.0~11.0KPa，平均为5.3KPa，天然地基载荷试验结果仅为45KPa。共施工桩数14万多根，约130万延米，施工完后进行单桩复合地基载荷试验检验全部达到设计要求。
    3.1.3其他实例有：顺德新港码头软基工程，顺德大学软基工程，广州东南西环高速公路软基工程等等，总括起来，在珠三角饱和软土地基上振冲碎石桩施工成功的桩数超过100万根之多！
    3.2振冲碎石桩成桩及加固机理
    ⑴振冲碎石桩为散体材料桩，在软土地基中是依靠碎石置换软土，并形成高强度（相对软土）的桩柱体来提高承载力和减小沉降，从而达到加固软土的目的。
    ⑵碎石桩是依靠桩间土的侧限阻力来成桩的，侧限阻力与桩间土的岩土工程性能有关，直接关联的是桩间土的不排水抗剪强度Cu值。
    ⑶由于碎石桩体压缩性明显小于软土，基础传递给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩身上，同时桩身产生侧向变形压迫桩间土，将应力传递给桩间土，使桩、土共同作用将应力向四周扩散，这样就形成一个大型的桩、土协作体。
     ⑷众所周知，土具有两个基本特性，即压硬性和剪胀性，其中压硬性是指土的强度和刚度随压应力的增大而增大。软土在振冲碎石桩施工时受巨大的水平振动力（大于软土的结构破坏压力）扰动，结构强度遭破坏，孔隙水压急剧升高，抗剪强度降低；施工完后，随上部应力的增加，孔隙水压力经桩体消散，桩间土孔隙比变小，土显著压密，抗剪强度又开始恢复并比原来有所提高。故碎石桩体在软土地基中充当排水通道作用，使桩间土排水固结，强度提高，抵抗桩体侧向变形能力更强，桩体应力集中更明显，达到桩、土协调一致，提高了复合地基强度。
    3.3实践总结与分析
    其实在不排水抗剪强度低于20KPa的软土地基上采用振冲碎石桩处理成功的工程实例不胜枚举，如：天津塘沽长芦盐场第二化工厂厂房软基，珠江电厂软弱淤泥地基以及近期广州国际会展中心周边道路1~4标等等。对于上节3.1.1和3.1.2工程实例若按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—91)有关经验公式计算是远远达不到设计要求的，如3.1.1中按规范计算复合地基承载力标准值为：fspk=［1+m(n-1)］fsk，m=d2/de2=0.62/(1.05×1.3)2=0.19，n取4，fsk取60KPa计算：fspk=94.2KPa(<120kpa)。而3.1.2中也是与设计相差悬殊：m=d2/de2=0.82/(1.05×1.6)2=0.23，n取4，fsk取45KPa，计算得： fspk=76KPa(<100KPa)，但是静载结果大多还超过120KPa。笔者在以上及其他同类工程研究总结认为，软弱地基上采用振冲碎石桩关键应做到：精心设计，合理组织，认真施工，严格把关，规范监理。在选择施工队伍时特别是试验桩施工应选择具丰富施工经验的队伍。
    振冲碎石桩是靠振冲器的水平振动力来制桩，桩间土不同的Cu值对应于不同的密实电流、留振时间和桩径。实践证明，只要能达到一定的密实电流和留振时间即桩体和桩间土之间能达成一力学平衡，且不产生“串桩”现象就可采用振冲碎石桩工艺，取舍在于与其他工艺作经济对比是否合理。施工参数一般认为：留振时间3~5S为宜，1米桩径时一般为10S；密实电流多为30~55A，为保证桩体密实度，设计桩径宜大于80Cm。
    4、结语
    （1）实践证明，只要在不排水抗剪强度小于20KPa的软弱地基上能够成桩就可采用振冲碎石桩处理。采用振冲碎石桩时宜计算验证复合地基是否符合承载力和满足沉降要求，并作经济对比核算进行取舍。
    （2） 设计振冲碎石桩可用规范法进行变形验算和采用经验公式计算复合地基承载力标准值，然后用沉降折减法计算复合地基总沉降量。
    （3）规范法进行振冲设计偏于保守，振冲碎石桩理论的研究明显落后于工程实践，亟待新的试验方法对其进行研究。

参考文献
    1、中华人民共和国行业标准:《建筑地基基础设计规范》(GBJ7—89).北京: 中国建筑工业出版社,1989
    2、中华人民共和国行业标准:《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—91).北京: 中国计划出版社,1992
    3、陈希哲.土力学地基基础.第三版.北京:清华大学出版社,1997
    4、蓝 冰.论碎石垫层在振冲碎石桩复合地基中的必要性.岩土工程师,2001,13(1):39~41
    5、沈珠江.理论土力学.第一版.北京:中国水利水电出版社,2000