碎石桩在砂砾石闸基处理中的应用与研究

田红伟,杨伟杰

(湖南省交通规划勘察设计院,湖南长沙 410008)

湘江长沙综合枢纽工程是湘江九级综合开发中的最下游一个梯级,位于湘江下游蔡家洲分汊河段,距离城陵矶(湘江流入长江的交汇口)146 km,地处长沙市北端望城县境内。枢纽工程主要建设内容包括船闸、水闸、电站、公路桥、鱼道。工程等别为Ⅰ等,工程规模为大(Ⅰ)型,主要建筑物级别为1级。根据坝址河段分汊情况相应布置左汊水闸和右汊水闸,其中右汊为副汊,布置20孔高堰水闸,单孔净宽14m,闸室长度21m,闸墙高度19.7m(含底板厚度),采用闸墩中间分缝的整体式结构,闸墩宽2×1.5m,弧形工作闸门挡水高度4.7m。右汊水闸标准横断面图见图1。

图1 右汊水闸标准横断面

右汊水闸闸室砂砾石地基采用碎石桩处理方案,根据现场碎石桩质量检测及复合地基试验结果,处理后的复合地基承载力和压缩模量得到明显提高,满足设计要求。

1 工程地质条件及处理方案选择

1.1 地质条件

右汊覆盖层较厚,且岩面起伏较大,设计奠基面以下覆盖层达8～23m,其中靠江心洲侧主要为砂砾石,杂色,以稍～中密为主,为冲洪积成因,砂砾石粒径大多为1～2 cm,含少量卵石,压缩模量20 MPa,地基承载力350～400 kPa,重型动力触探为10～15击。

按《水闸设计规范》[1]第8.3.6条“天然土质上水闸地基最大沉降量不宜超过15 cm,相邻部位的最大沉降差不宜超过5 cm”的要求,考虑到本项目水闸为大型工程的挡泄水建筑物,且库区淹没影响涉及长株潭城市群,经综合分析,确定本工程右汊水闸地基沉降标准为:中间闸孔地基最大沉降量不超过10 cm,边孔最大沉降量不超过15 cm,相邻部位沉降差小于5 cm。同时地基承载力应满足要求。

根据水闸空间有限元分析结果,中间闸孔闸室地基累计最大沉降为15 cm,边孔闸室地基累计最大沉降为27 cm,翼墙部位基地最大应力为420 kPa。为减小地基沉降并适当提高地基承载力,需对稍～中密砂砾石地基覆盖层进行处理。

1.2 振动沉管碎石桩处理方案

砂砾石地基处理可采用固结灌浆、碎石桩等方案。考虑到固结灌浆压力及灌浆量与地基参数密切相关,地基处理效果难以控制,本工程经方案比选后,确定采用碎石桩方案。但碎石桩一般用于软弱或松散地基处理,对提高地基承载力效果明显,可提高至1.3～2.0倍或更高[2～4]。本处地基为稍～中密砂砾石,地基承载力基本满足要求,地基处理的目的主要是提高覆盖层压缩模量,降低沉降量,此种情况下碎石桩的成桩难度、桩长、桩距设计及处理效果等可参考的工程经验并不多,需慎重对待并配合设计进行现场试验性施工及质量检测。

碎石桩有振冲法和振动沉管法两种施工方法。振动沉管作为一种干作业法成桩工艺,相对于振冲法,具有少破坏被加固土、省水、易于成孔、施工场地条件易满足的优点,另外振动沉管是在沉管中完成碎石的投入,挤密效果好,能较为有效地防止塌孔及断桩,桩径、垂直度、施工质量便于控制,对地基的加固效果一般要好些。振动沉管法的缺点是施工质量与设备功率、套管桩尖形状及尺寸关系较大,设备较为笨重。本工程地处长沙市北端,现场施工环境要求高,故设计采用振动沉管法施工。

2 碎石桩设计

2.1 上部工程结构要求

为满足水闸地基沉降量的要求,经过空间有限元反演计算,经碎石桩处理后的水闸闸室范围内复合地基物理力学参数要求如下:

复合地基压缩模量:翼墙≥25MPa,中间孔底板≥23MPa;复合地基承载力:翼墙≥420 kPa。

2.2 碎石桩桩径及间距设计

碎石桩桩径与成桩设备和地质情况有关,本次选定为振动沉管法成桩工艺,加固土层为稍～中密砂砾石层,桩径初步选择为D35 cm、D50 cm两种。

复合地基承载力和变形特性应通过现场复合地基载荷试验确定,设计时可先依据《建筑地基处理技术规范》[5]第7.2.8、7.2.9条的推荐公式计算置换率m,并初步确定桩距布置,然后结合现场试验结果进行验证或调整。

由单桩和桩间土初步计算的复合地基承载力特征值fspk和压缩模量Esp见下式:

式中:fspk为复合地基承载力特征值;Esp为复合土层压缩模量;m为桩土面积置换率;fsk为处理后桩间土承载力特征值,根据当地经验并结合地质报告成果,取fsk=380 kPa;Es为桩间土压缩模量,本处取天然地基压缩模量20 MPa;n为桩土应力比,可取2～4,本处原土强度较高,依据经验取n=3;d为桩身平均直径,本处d=0.35 m或0.5m;de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径,闸室范围内考虑采用大面积正方形布桩,de=1.13 s,其中s为桩距。

为满足上部工程结构对复合地基承载力和压缩模量的需要,计算中间孔桩土面积置换率m约需7%,翼墙部位m约需12%。

对应2种桩径方案,计算得到的桩距如下:

D35 cm方案:正方形布桩,间距中间孔1.15 m、翼墙0.9m;

D50cm方案:正方形布桩,间距中间孔1.65 m、翼墙1.25m。

参考有关经验,考虑到若采用D35 cm桩径,桩距过密,成桩工程量大,工期难以保证,且D35 cm与D50 cm每延米造价相差不大,故本工程采用D50 cm桩径方案。

2.3 碎石桩桩长确定

当下卧岩面埋深不大时,碎石桩可穿透覆盖层而支撑在岩体上;当下卧岩面埋深较大时,按地基变形允许值确定。本工程水闸两侧基底覆盖层较厚,基于实际地质情况及有限元计算结果,设计确定碎石桩桩长中间孔为800 cm或至岩石层、翼墙为1 200 cm。

3 成桩试验、密实度检测与复合地基载荷试验

3.1 成桩试验

通过现场生产性试验成果,为达到碎石桩成桩质量及基本进度要求,对本工程的稍～中密砂砾石地基,要求振动沉管桩机电机功率应在75 kW及以上,碎石桩间距不宜小于1.6 m,基于此本处选定DZ75振动锤,对碎石桩设计间距调整如下:

D50 cm碎石桩:正方形布桩,间距中间孔1.8 m、翼墙1.65m,桩长维持原设计。

碎石桩调整间距、降低置换率后,处理效果能否满足结构要求,需通过复合地基试验进行验证。

碎石桩布置平面、立视图见图2。

图2 碎石桩布置(单位:cm)

3.2 密实度检测

碎石桩工程应对桩体密实度、桩间土处理效果进行检测。本处根据《港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程》[6]的要求,在场地内布置监测点,记录每贯入10 cm的锤击数N63.5指标用于评定碎石桩和桩间土的密实状态,不同试验深度平均击数N63.5检测数据统计见表1。

综合上述数据,碎石桩体及桩间土密实度情况及影响效果如下:

1)碎石桩桩体0～1.0 m局部为中密-密实状态,1.0m以下为密实状态;桩间土0～1.0 m为中密-密实状态,1.2m-基岩面为密实状态。

2)碎石桩桩体、桩间土的重型动力触探锤击数N63.5随深度的加深而增大,说明碎石桩桩体、桩间土的工程性能随地层深度加深而明显提高,地表0～1.0m局部碎石桩加固地基土效果不明显。

3.3 复合地基载荷试验

复合地基载荷试验采用单桩试验,中间孔及翼墙下共选择了9个试验点,承压板面积3.24 m2,采用油压千斤顶堆载装置,试验荷载为设计承载力特征值的2倍,按《港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程》要求,采用10级加载,分5级卸载。通过对观测数据的整理,并绘制出Q-S、S-lgt、S-lgQ曲线图,对试验桩的复合地基承载力判定见表2。

通过对检测过程和检测数据的分析:中间孔复合地基承载力特征值至少取值300 kPa(因该区域工程只需300 kPa,未往上加载,显然实际将大于300 kPa),压缩模量Es取值27.9MPa;翼墙复合地基承载力特征值不小于420 kPa,压缩模量Es取值28.5 MPa,均能满足上部结构对地基要求。而且从重型动力触探击数由天然地基的10～15击提高到复合地基的27～44击来判断,实际相对提高的压缩模量和地基承载力特征值应该更大。

表1 桩体、桩间土不同试验深度重型动力触探平均击数N 63.5统计表

4 结论与建议

目前长沙枢纽右汊水闸上部主体结构已施工完毕,本工程通过碎石桩在本处水闸地基处理中的成功运用,为稍～中密砂砾石地基处理提供了一定的设计、施工经验。

1)碎石桩用于提高稍～中密砂砾石地基压缩模量和承载力是显著的、可行的,但要求在保证基本置换率下桩体尽量采用较大直径,孔距稀密适当(对D50 cm桩,可参考正方形布孔1.65～1.8m孔距),振动锤电机功率不宜小于75 kW。

2)《建筑地基处理技术规范》对复合地基承载力和压缩模量的推荐计算公式7.2.8-3、7.2.9作为初始阶段的设计计算时,对砂砾石地基桩土应力比n取值可达7～8。

表2 单桩复合地基载荷试验成果统计表

3)根据施工期的质量检测和复合地基载荷试验,碎石桩及桩间土加固处理效果良好,部分闸孔结构自重加载时段长达5～6个月,并未观测到明显沉降,但运行期还需加强沉降量的观测,一旦发现异常,应及时研究处理。

4)综合来看,在稍～中密砂砾石地基中施工碎石桩,司机在机上受振动力大,很辛苦,设备磨损较大,综合生产率约为一般软土的50%～70%。建议现行概预算对碎石桩定额按地基土类分级,并适当提高定额标准。

[1]SL265-2001,水闸设计规范[S].

[2]李在卿,王程远,邹 敏.振动沉管挤密碎石桩加固地基[J].岩土工程师,1992(3):48-52.

[3]吴建华.振动沉管碎石桩在工程中的应用[J].江苏建筑,2008(6):54-58.

[4]吴承霞,姬同庚,许 红.振动沉管碎石桩处理软基的应用与质量检验[J].路基工程,2005(5):32-34.

[5]JGJ 79-2002,建筑地基处理技术规范[S].

[6]JTJ 246-2004,港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程[S].