挤密砂桩在近水软土地基加固中的应用

巩远见

(开原市水利事务服务中心，辽宁 开原 112300)

1 概 述

软土地基是工程建设过程中经常遇到的一种地基类型，其强度较低，在建筑物荷载作用下，通常会出现大幅度的变形，造成地基破坏。因此，在遇到该种类型的地基时，需要对天然地基进行加固处理，提高地基承载力以满足工程要求。常用的软土地基加固方法包括预压法[1-2]、置换法[3-4]、化学加固[5]、桩基处理法[6-9]等。目前，软土地基加固效果的研究方法主要包括物理模拟、理论计算、数值分析等。朱楠等[10]结合离心机物理模拟试验对湖泊相软土固结进行研究，从而对地基加固效果进行研究，结果表明真空预压法较水泥搅拌桩法具有更好的加固效果。黄朝煊[11]通过理论分析对预压法在软土地基加固中的应用进行研究。刘少增[12]使用数值模拟方法对CDM在软土地基加固中的效果进行研究。

本文在前人研究基础上，以辽宁省沿海地区某软土地基加固为例，对挤密桩法在近水软土地基加固中的应用进行研究。

2 软土地基加固常用方法比选

软土地基加固方法众多，不同方法具有不同的适应性。通过对现场进行水文、地质调查，工程区内软土可分为5层，结合室内力学试验，获取各层岩土体强度参数，结果见表1。

表1 岩土体强度参数

从表1可知，各层岩土体强度参数较低，天然地基难以满足承载力要求。因此，可采用桩基础对软土地基进行加固处理，不同类型桩基础比选见表2。综合工程安全、投资预算、施工环境等条件，选择挤密砂桩作为软弱地基加固方案。

表2 桩基比选

3 挤密砂桩加固机理及施工工艺

3.1 加固机理

挤密砂桩法需在待处理地基中使用振动或者冲击荷载成孔，将砂土挤入软土地基中，提高天然地基的密实度同时形成砂土柱体，提高天然地基承载力。挤密砂桩加固机理如下：

1) 挤密作用。软土自身密实度较低，在外加荷载作用下，极易产生变形，从而造成建筑物的破坏。使用挤密砂桩进行基础处理时，在一定程度上降低了天然地基的孔隙比，地基土在挤密、压实作用下强度将有所提高。

2) 排水作用。水是造成软土地基变形的主要诱发因素，当软土地基中含水量过高时，将会造成地基土有效应力降低，从而造成天然地基产生变形破坏。挤密砂桩可作为地基中的排水通道，可以迅速排出地基中的地下水，从而迅速降低地基中的超孔隙水压力。

3) 置换作用。挤密砂桩可以替换部分软土地基，形成复合地基，且砂桩将会承担更大的荷载，从而提高地基的承载力，减少地基变形量。

4) 垫层作用。挤密砂桩是地基中相邻两层岩土体之间的垫层，将地基应力重分布，避免局部出现应力集中。

3.2 施工工艺

3.2.1 施工工序

挤密砂桩施工工序为：①铺填并整平砂垫层；②安装并调试机械；③试桩；④桩位定点放样；⑤砂桩机械就位；⑥插管、灌砂、留振；⑦振动拔管并补砂；⑧砂桩施打；⑨进行下一桩位施工。施工流程见图1。

3.2.2 施工方法

1) 砂垫层施工。选择具备良好透水性且含泥量小于4%的中细砂作为垫层材料，材料的细度模数不应小于2.3，干密度大于1.5×103kg/m3，处理应超出设计地基处理边线1.0 m。

2) 砂桩施工。结合工程经验，选用振动沉管的方法进行挤密砂桩的施工。设计砂桩直径为40.0 cm，桩长为10～15.3 m，桩间距为1.80 m，采用梅花型布置。

图1 施工流程示意图

4 挤密砂桩加固效果分析

采用数值模拟方法对加固效果进行分析。根据工程设计进行概化。建立FLAC3D数值模拟模型，见图2。FLAC是目前最为常用的一种有限元数值模拟软件，采用摩尔库伦屈服准则。模型建立后，对主体施工过程中挤密砂桩加固效果进行分析。

图2 FLAC计算模型

4.1 孔隙水压力分析

在主体施工过程中，地基岩土体内部孔隙水压力不是稳定的，其大小是动态变化的。数值模拟监测2.0，4.0，6.0，8.0和10.0 m深度孔隙水压力的变化，见图3。

图3 不同深度孔隙水压力值

从图3可知，施工初期，孔隙水压力迅速上升，随后孔隙水压力逐渐消散，越接近地表消散速度越快。完成工程建设后，孔隙水压力消散也是地基固结压缩的过程。

4.2 挤密砂桩与软土应力比分析

桩土应力比是挤密砂桩所受荷载作用力与软土所受荷载作用力的比值。主体工程施工初期，外加荷载相对较小，在软土承载范围内，桩土应力比较小；随着荷载的增加，桩土应力比逐渐增大，最大值为1.83，此时桩土之间的应力差值达到最大，之后应力比又逐渐减小。见图4。

图4 桩土应力比

4.3 侧向位移结果分析

通过数值模拟监测结果可获取不同深度范围内挤密砂桩旁软土的侧向位移结果。施工初期，侧向位移迅速增大，从上至下逐渐产生侧向位移。不同深度最终侧向位移结果见图5。在3.0 m处侧向位移最大，此处为1，2层地基岩土体分界部位，但最大位移小于20.0 mm，变形量处于允许范围内，挤密砂桩的侧向变形控制效果较好。

图5 不同埋深水平位移

4.4 沉降结果分析

对施工过程中，挤密砂桩与其周围的软土沉降量进行监测，结果见图6。主体工程施工初期，挤密砂桩、软土上的外加荷载较小，软土变形量和砂桩变形量均较小，且两者差值也较小；随着工程进行，荷载增大，挤密砂桩和软土沉降量逐渐增大，且软土沉降量与砂桩沉降量差值越来越大，最大值为5～6 mm。荷载稳定后，地基中应力分布趋于稳定，挤密砂桩与软土沉降量逐渐接近，挤密砂桩与软土变形差值趋于协调。

图6 沉降监测结果

5 结 论

1) 通过多种桩基比选，选择挤密砂桩进行软土地基加固；通过分析挤密砂桩加固作用主要有挤密、置换、排水、垫层4种，并对施工工艺、材料选取进行建议。

2) 使用数值模拟方法对挤密砂桩加固效果进行分析。桩土应力比与沉降差是协同变化的关系，在应力比达到最大至时沉降差也达到最大值。通过沉降分析和水平位移分析，挤密砂桩具有较好的沉降和侧向变形控制效果。