柱锤冲扩桩结合排水固结在填海场区地基处理中的应用

隋孝民,周丽华

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 工程概况

东北地区某铁路车站场区位于半拉海海边,为近2年开山填海形成的场地,铁路路堤设计填高1～3 m。

场地表层为素填土,松散状态,潮湿～饱和,层厚为4.0～6.7 m,由石英砂岩,泥灰岩,石灰岩砾石组成,粒径大小不均,最大粒径100 mm,由于填筑时间较短且未经压实处理,土层仍处于松散状态；下部为海相沉积淤泥层,流塑状态,含腐殖质,厚7.4～12.8 m,主要物理力学指标为,天然快剪指标：γ=16.1 kN/m3,c=8.0 kPa,φ=10.40°；三轴压缩试验指标：Ccu=14.0 kPa,φcu=12.9°，C′=16.0 kPa,φ′=14.5°,Cu=4.0 kPa,φu=1.4°,无侧限抗压强度qu=6.0 kPa。淤泥层强度低、渗透性差、压缩性高。再下为粉质黏土,褐黄色,硬塑,层厚1.3～3.7 m；局部分布有粉砂,褐黄色,稍密,饱和,层厚0.2～5.5 m；底部为石灰岩,灰色,弱风化,节理裂隙较发育,岩溶不发育。

2 方案设计

本场区表层为新近堆填的素填土,可压缩性高,沉降大。下部淤泥层厚,强度低,易失稳,经计算天然地基沉降超过1.0 m,最大达到了1.5 m,作为天然地基易失稳,且沉降大,需进行地基处理后方可作为车站场地。针对这种上硬下软的复合地层,设计时提出了3个可行方案。

方案一：砂桩复合地基方案。砂桩既能挤密表层素填土,又能加速下部淤泥层的排水固结,是一种最为适合的可选方案；

方案二：柱锤冲扩桩结合塑料排水板的方案。即深层淤泥层采用塑料排水板加速排水固结,表层素填土采用柱锤冲扩桩挤密加固,在夯锤夯击的同时对下部淤泥层产生夯击动能,加速其排水固结；

方案三：预应力管桩方案。采用预应力管桩对素填土及淤泥层同时进行加固。

站内地基加固面积为63 904 m2,各方案投资见表1。

表1 各方案投资比较

方案优缺点分析如下。

方案一：优点是砂桩复合地基既能解决场地的稳定和沉降问题,且投资较方案三低2 100万元；缺点是地基固结时间最长,且投资较高,较方案二增加投资1 609万元；

方案二：将排水固结和复合地基两种措施结合起来,表层素填土通过柱锤冲扩桩处理、深部淤泥层通过造价较低的塑料排水板加速排水固结处理,同时在柱锤冲扩桩施工过程中通过夯锤的挤扩、夯击加速淤泥层排水,这就构成了靠柱锤冲扩桩的动力加速排水板排水固结条件,形成所谓的动力排水固结方案,其最大优点是造价最低,且能解决场地的稳定和沉降问题；但缺点是较方案三固结时间长。

方案三：优点是刚性桩加固地基,能很好地解决场地的稳定和沉降问题,且施工后很短时间内路基就能填筑；缺点是投资过高,较方案二增加投资3 709万元；

综上所述,在方案设计中既要使方案在技术上可行,又要在经济上合理,常规的刚性桩、砂桩地基加固的方法均能满足技术要求,但投资普遍较高。柱锤冲扩桩结合塑料排水板方案同样能解决场地的稳定和沉降问题,且当地开山料丰富,投资可大大节省,其投资仅是管桩和砂桩方案的14%和27%,该项目投资紧张,所以选择了方案二作为推荐方案,即柱锤冲扩桩结合塑料排水板的动力排水固结方案。具体方案如下。

柱锤冲扩桩夯锤直径0.377 m,成孔直径0.5 m,夯后直径0.6 m,冲扩桩间距2.0 m,正方形布置,桩长4～6.0 m,桩底距素填土层底不小于0.5 m,柱锤冲扩桩在施工中应严格控制打设深度,绝不能穿透素填土层。塑料排水板间距1.0 m,正方形布置,塑料排水板需穿透素填土和淤泥层,板顶设0.5 m厚的中粗砂垫层。塑料排水板应布置在柱锤冲扩桩桩位中间,详见图1、图2。

图1 地基加固横断面示意(单位：m)

图2 柱锤冲扩桩结合塑料排水板平面布置示意

3 地基处理施工

场地整平后铺设0.3 m厚砂垫层,施打塑料排水板,施工柱锤冲扩桩,在冲扩桩桩位先将砂垫层挖出后再施工柱锤冲扩桩,成桩检测合格后再于桩位处回铺砂垫层,最后铺设排水板及柱锤冲扩桩顶部的0.2 m厚砂垫层。

3.1 塑料排水板

塑料排水板的施工工序：装靴—定位—插设—上拔—切断—移位。塑料排水板的插设深度需穿透淤泥层,且板顶应保证深入砂垫层不小于0.3 m,使其与砂垫层贯通,并将其保护好,以防施工柱锤冲扩桩时受损而影响排水效果。砂垫层采用颗粒组成均匀,不均匀系数应小于4的粗砂,其含泥量不大于3%,渗透系数不小于1×10-2cm/s,且不含有机质,垃圾等杂质,如混有少量砾石,粒径应小于50 mm。

3.2 柱锤冲扩桩

(1)柱锤冲扩桩施工前应进行工艺性试验,经检测合格后确定合适的施工工艺参数,再进行大面积施工。

(2)柱锤冲扩桩施工工艺：测量放线→设备就位→柱锤冲击成孔→填料→夯击→测单击贯入度→再次填料夯击→测单击贯入度→成桩。

(3)冲击成孔

锤重35～40 kN,锤长3～5 m,柱锤直径采用377 mm,成孔直径500 mm,夯后直径600 mm。成孔深度不应小于设计深度,并需严格控制打设深度,不能因穿透素填土层而形成悬浮桩。

成孔应采取横移退打的方式自两端向中间采用隔排或隔桩跳打法进行施工, 成孔过程中如塌孔或缩颈现象严重,无法成孔时,可采用护筒施工,但护筒壁应设观察口(间距2.0 m),顶部设进料口(观察口)。

当现场土质松软,造成柱锤吸力过大,应采取措施排除,不得强行提锤,以防起重设备因超载而倾覆。当成孔至设计孔底高程附近,单击贯入量大于1.0 m时,可将孔底回填砖瓦或碎石块并反复击实,再填土夯击。

(4)填料夯实

桩身填料采用就地取材的山皮土,使用前应过筛,粒径宜控制在60～120 mm,填料的有机物含量不应超过5%。每延米填料量不应小于0.42 m3,填料应分层填入桩孔夯实,桩身0～4.0 m每次填料不大于0.15 m3,桩身4.0 m以下每次填料不大于0.3 m3。每次填料锤击数不小于3击；前两击或两击以上落距不小于6 m；最后一击提锤高度6 m的贯入度应小于0.15 m,否则应继续夯击直至满足要求。成桩至地面时可采取低落距锤多击数反复夯击,以地面隆起不超过0.15 m为宜。

4 处理后的效果

地基处理完成后于砂垫层顶面埋设沉降板进行沉降观测, 2008年11月26日开始地基处理施工,至2009年6月20日填土完成后,施工期间最大沉降13.2 cm。根据观测数据采用双曲线法进行沉降预测,预测总沉降为24.6 cm,剩余工后沉降为11.4 cm,满足设计要求,可以看出,以往的普通排水固结方案施工期沉降较小,而工后沉降偏大,但是本方案因形成了所谓的动力排水固结条件,使得工后沉降小,施工期沉降大。

通过近2年的运营,该车站地基稳定,没有出现滑移、失稳、沉降过大等现象,达到了预期的处理目的。

5 结语

(1)本工程地基处理中塑料排水板在淤泥中形成排水通道,并在其顶部铺设疏水砂垫层,排水板施工后再施打柱锤冲扩桩,通过夯锤的挤扩、夯击加速淤泥层排水,这就构成了靠柱锤冲扩的动力加速排水板排水固结条件,形成所谓的动力排水固结方案。

(2)对这种表层是开山土石新近堆填、下为淤泥的地层地基处理方案选择时,一方面要考虑表层堆填土的密实问题,另一方面还要考虑淤泥层的稳定及沉降问题。散体挤密桩结合排水固结的复合方案的设计思路可为日后类似工程借鉴。

(3)在地基处理的方案选择时,应首先提出较多的处理方案,再通过技术、经济比较,选择出技术可行、经济合理的方案,为工程节省投资。

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