對振動沉管碎石樁的幾點認(rèn)識

PAGE11對振動沉管碎石樁的幾點認(rèn)識一般認(rèn)為，振動沉管碎石樁對松散砂土和粉土的作用機(jī)理主要為擠密作用、振密作用及排水作用（抗液化），對粘性土主要為置換作用及排水作用。設(shè)計時置換率通常取10％~30％，砂土粉土中取低值，粘性土中取高值，從節(jié)約工程造價的角度出發(fā)，一般應(yīng)盡量選用較低值。本文將結(jié)合工程測試對低置換率振動沉管碎石樁復(fù)合地基談幾點看法。1試樁效果試樁的目的是為了檢驗設(shè)計參數(shù)、施工工藝及施工控制要求能否滿足設(shè)計指標(biāo)，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79－2002）（以下簡稱地基處理規(guī)范）等相關(guān)文獻(xiàn)指出試樁數(shù)量不應(yīng)少于7~9根。既然是試樁，數(shù)量通常較少，較少的樁數(shù)可以確定施工工藝，但能否據(jù)此全面準(zhǔn)確地評價地基處理的效果，筆者認(rèn)為一定要謹(jǐn)慎，尤其在淤泥類軟弱土層中。以xx市xx區(qū)某市政道路工程為例。碎石樁復(fù)合地基設(shè)計參數(shù)分別為：樁徑Φ400，樁距1.3m，正三角形布置，m=8.6%，填料為1~5cm碎石，設(shè)計復(fù)合地基承載力特征值為140kPa。試樁13根，試樁處地質(zhì)狀況自上而下分別為：①素填土，層厚2.8-3.1m，結(jié)構(gòu)疏松，由砂質(zhì)亞粘土組成；②淤泥，層厚1.7~1.9m，流塑，具腐臭味；③含砂亞粘土，層厚1.3~1.7m，可塑，砂質(zhì)含量約35％；④中砂：層厚1.4~1.8m，飽和，稍密；⑤砂質(zhì)亞粘土。試樁長度7~8m，大面積施工時樁長7~10m。試樁前后、大面積施工后樁間土的土工參數(shù)如表1所示，取土位置于正三角形中心。碎石樁重型圓錐動力觸探（N63.5）成果如表2所示。另外某路基處理工程碎石樁重型圓錐動力觸探（N63.5）成果如表3所示（碎石樁設(shè)計參數(shù)與前例相同）。上述兩工程均進(jìn)行了復(fù)合地基承載力靜載荷試驗，由于試驗最大荷載為2倍設(shè)計承載力特征值（280kPa），故不能判斷大面積施工后與試樁時相比復(fù)合地基承載力提高的幅度。試壓荷載為280kPa時總沉降量如表4所示。表1試樁前后、大面積施工后樁間土的土工參數(shù)土層施工狀況含水量w(%))濕重度ρ0(kN/m3)干重度ρd(kN/m3)孔隙比e0塑性指數(shù)Ip液性指數(shù)IL壓縮模量Es(MPa)素填土試樁前19.017.514.60.83011.8<03.67試樁后22.718.715.30.75010.9<03.64大面積施工后21.418.715.40.73713.3<05.50淤泥試樁前89.515.18.12.22720.52.472.24試樁后47.316.911.51.34211.71.413.09試樁后變化率-47.2%11.9%42.0%-39.7%-42.9%-42.9%37.5%大面積施工后39.118.013.21.12713.60.665.33與試樁前相比-56.3%19.2%63.0%-49.4%-33.7%-73.3%137.9%與試樁后相比-17.3%6.5%14.8%-16.0%16.2%-53.2%72.5%含砂亞粘土試樁前17.020.217.40.54311.2<04.54試樁后28.118.614.60.85612.40.544.56大面積施工后19.520.317.00.58512.20.107.31表2碎石樁重型圓錐動力觸探（N63.5）成果土層狀況素填土段淤泥段含砂亞粘土段樁端土試樁擊數(shù)2~7擊4~5擊7~12擊8~10擊大面積施工后擊擊數(shù)7~13擊11~18擊13~40擊22~27擊表3工程2碎石樁重型圓錐動力觸探（N63.5）成果土層狀況素填土（含砂粉粉質(zhì)粘土）段粉土（砂）段深度0~3m3~10m試樁擊數(shù)2~6擊5~9擊大面積施工后擊擊數(shù)7~16擊11~44擊表4試壓荷載為280kPa時總沉降量不同工況下沉降降量工程1工程2試樁時荷載為2280kPPa時總沉降降量(mm)90~10494~137大面積施工后荷荷載為280kkPa時總沉降降量(mm)11~2116~37從表1~3可以看出，大面積施工后樁間淤泥的物理性狀較試樁后仍有較大改善，素填土及含砂亞粘土的物理性能指標(biāo)變化不大，但壓縮模量及重型動力觸探擊數(shù)有較大提高，從表4可以推斷復(fù)合地基的承載力特征值肯定也有提高。筆者認(rèn)為以下幾個因素可能導(dǎo)致了這種改善：①地下水位的降低。前述工程1、2試樁時樁孔內(nèi)水位很高，基本上距孔口均不足1m，大面積施工后，由于碎石樁的排水及蒸發(fā)作用，地下水位均下降了1~2m。地下水位下降相當(dāng)于對土層進(jìn)行了預(yù)壓，改善了土的性狀。隨著土體強度的增加，土體對碎石樁的約束增強了，所以碎石樁的強度也增加了。此外，表層土失水干燥后可以碾壓得更密實，能夠有效地提高承載力特征值。②固結(jié)作用與觸變效應(yīng)。試樁檢驗一般在試樁完成28天后檢驗，而大面積施工時竣工檢驗往往在施工幾個月后。由于淤泥的靈敏度高，觸變性強，其強度恢復(fù)的時間也較長。淤泥的固結(jié)度隨著時間而提高，若達(dá)到完全固結(jié)，在排水條件良好的情況下往往需要幾個月的時間，在這幾個月的時間中，淤泥的強度在不斷提高。③擠密及振密作用。試樁的數(shù)量很少，對樁間土進(jìn)行的擠密及振密作用自然無法與大面積施工時相比。此外，后施工的樁對先施工的樁有振密作用，大面積施工時效果顯然也更好。設(shè)計時通常以試樁時取得的各種參數(shù)作為指導(dǎo)大面積施工的技術(shù)參數(shù)。這種作法是偏于安全的，但有時會造成保守，從而增加了工程造價。2載荷板寬度表5是前述兩個工程試樁時進(jìn)行的靜荷載試驗成果。相對變形值s/b＝0.02時對應(yīng)的荷載即對于1m×1m板、2m×2m板沉降量絕對值分別為20mm、40mm時對應(yīng)的荷載。表5荷載板尺寸最大試驗荷載((kPa))總沉降量(mmm)第一級荷載(kkPa)第一級荷載下沉沉降(mm)第一級荷載下沉沉降量占s=0..02b比例回彈率s/b=0.002時的荷載(kPa))工程11m×1m30094.0975(25%))9.0245.1%16.6%1281m×1m30074.8875(25%))12.4762.4%18.4%1211m×1m30081.7575(25%))8.6143.1%17.1%1182m×2m28093.8856(20%))10.2125.5%19.2%1752m×2m280137.0956(20%))19.8049.5%13.8%142工程21m×1m26280.3175(29%))9.2746.4%20.5%1061m×1m22563.9475(33%))11.3256.6%22.2%1081m×1m22580.3675(33%))12.0660.3%13.0%1002m×2m28093.8856(20%))13.5633.9%12.9%2102m×2m280137.0956(20%))18.1745.4%17.8%155從表5可以看出，按相對變形值確定復(fù)合地基承載力特征值時，寬度大的荷載板得到的特征值要大一些。試驗時先做1m板，后做2m板，由于試樁區(qū)面積小，所以并不能排除做1m板時應(yīng)力擴(kuò)散引起地基土強度提高的可能性。但這種影響或許很小，主要因為試驗間隔時間較短，樁間土強度還來不及提高。當(dāng)按s/b值確定復(fù)合地基承載力特征值時，按彈性力學(xué)理論，特征值應(yīng)與荷載寬度的絕對值無關(guān)。在地基處理等規(guī)范中，對荷載試驗的荷載板的寬度沒有加以限定。但實際情況也許并不完全符合彈性力學(xué)理論的假設(shè)條件。筆者一直認(rèn)為載荷板寬度對載荷試驗成果有較大影響，即當(dāng)其它條件完全相同時，按寬度大的載荷板得到的復(fù)合地基承載力特征值要更大一些，并試圖對這種現(xiàn)象進(jìn)行過解釋（參見《地基處理》2004年9月《對復(fù)合地基荷載試驗標(biāo)準(zhǔn)的一些探討》一文）。筆者認(rèn)為，主要可能是不同深度復(fù)合地基強度的差異性導(dǎo)致了這一現(xiàn)象。一般來說，樁、土及復(fù)合地基的強度在表層總是要低一些，在自重應(yīng)力等的作用下，隨著深度增加而提高。設(shè)復(fù)合地基表面較松散層的厚度為H1，根據(jù)沉降計算公式s1=Δp×H／Es，1m板與2m板的附加應(yīng)力Δp相同，故沉降量s1相同。當(dāng)相對變形值一定時相應(yīng)的沉降絕對值隨板寬不同而不同，如當(dāng)取s/b=0.02時，1m板及2m板s的絕對值分別為20mm及40mm。s1占s的比例不同，即質(zhì)量較差的表層對不同寬度的荷載板的沉降的影響不同，對板寬小的荷載板試驗的影響要大一些。同時，由于寬度大的荷載板的影響深度更深，而隨深度增加土及復(fù)合地基的強度一般會增高，較深處“好土”的沉降占s的比例隨著載荷板寬度的增大而增加，即“好土”對s的影響要更大一些。3樁頂路基處理完成后要進(jìn)行質(zhì)量檢驗。當(dāng)使用靜載荷試驗進(jìn)行承載力檢驗時，檢驗荷載通常遠(yuǎn)大于路基的使用荷載。xx地區(qū)路基處理的檢驗荷載一般為120kPa~140kPa。碎石樁樁頂1~2m范圍內(nèi)由于約束較弱形成松散層，該層對承載力檢驗的影響至關(guān)重要。碎石樁在淤泥類軟弱土層中形成的復(fù)合地基，如果樁頂不進(jìn)行處理，其承載力及回彈模量仍很低，上述工程1大面積施工后在淤泥層頂面上進(jìn)行了2m板的復(fù)合地基載荷試驗，盡管淤泥的性狀得到了很大的改善，但承載力特征值僅45kPa（原狀淤泥承載力特征值＜35kPa）。當(dāng)淤泥上覆素填土厚度達(dá)50cm時，試驗承載力特征值為98kPa。上覆素填土厚度達(dá)1m以上時，試驗承載力特征值均大于140kPa。淤泥上覆素填土碾壓后形成了應(yīng)力擴(kuò)散墊層，從而使復(fù)合地基承載力大幅度提高。該墊層的作用不同于通常在樁頂上設(shè)置的砂石墊層。砂石墊層的主要作用一是作為路堤與軟基之間的水平排水通道，排出孔隙水以保護(hù)路堤，二是作為復(fù)合地基的褥墊層，協(xié)調(diào)樁體與土體更好地共同工作，其厚度通常30~50cm。但上述應(yīng)力擴(kuò)散墊層的主要作用是擴(kuò)散檢驗荷載，提高回彈模量，滿足承載力檢驗及工后使用荷載的要求。該應(yīng)力擴(kuò)散墊層一般較厚，可與砂石墊層相結(jié)合。由于淤泥類軟土不能通過碾壓或夯實手段得到密實，通常要挖除換填。工程1為了滿足檢驗及使用要求，在淤泥層上覆土厚度不足1m的區(qū)域均進(jìn)行了樁頂換填，換填墊層厚度1.3m，換填墊層底層為50cm碎石，中間為10cm石粉渣填縫層，以上為70cm素土。換填厚度按換填墊層法計算，擴(kuò)散角按30°考慮。換填后試驗承載力特征值達(dá)到了140kPa。即使在較好的土層中，也要重視樁頂松散層的夯密壓實工作。振動沉管樁機(jī)對土層除了擠密振密作用外，還有振松作用。工程2試樁時對樁間土的土工試驗參數(shù)如表6所示。從表中可以看出，表層素填土（0~3m）的性狀指標(biāo)幾乎全部下降，較深處（＞3m）的粉土的性狀指標(biāo)幾乎全部提高。施工后如果樁頂松散層沒有得到夯實壓密，地基處理后承載力反而會下降。前述工程1、工程2試樁時載荷試驗第一級荷載下的沉降量明顯偏大，回彈率偏低，說明了樁頂松散層沒有壓實。實際情況也確實如此。由于試樁區(qū)面積小，地下水位較高很難降低，壓實機(jī)械很難作業(yè)，所以表層土沒有得到密實，這樣就造成了載荷試驗得到的復(fù)合地基承載力特征值偏低。為減少這種影響，筆者一直認(rèn)為載荷試驗時應(yīng)先按總荷載的10%~20%進(jìn)行預(yù)壓。表6工程2試樁時樁間土的土工試驗參數(shù)土層施工狀況含水量w(%))濕重度ρ0(kN/m3)干重度ρd(kN/m3)孔隙比e0塑性指數(shù)Ip液性指數(shù)IL壓縮模量Es(MPa)素填土試樁前19.519.916.60.60111.0<04.66試樁后21.518.415.10.52811.8<03.50粉土(砂)試樁前24.719.015.20.7518.41.315.35試樁后19.720.517.10.5486.90.836.244樁間土對淤泥等軟土進(jìn)行碎石樁處理的設(shè)計思路有兩種，一種是在淤泥中形成豎向排水通道，如同塑料排水板或袋裝砂井一樣，之后往往再進(jìn)行加載預(yù)壓，另一種是形成復(fù)合地基，為了達(dá)到較高的承載力，需要較大的置換率。地基處理規(guī)范對后一種設(shè)計方法進(jìn)行了規(guī)定，復(fù)合地基承載力特征值可根據(jù)樁及處理后樁間土的承載力特征值乘以置換率確定。軟土中碎石樁的單樁承載力很低，當(dāng)置換率較低時，其置換作用對復(fù)合地基的貢獻(xiàn)有限。在工程1進(jìn)行的十幾個荷載試驗中，看不出荷載板放置在碎石樁上與放置在樁間所得到的承載力特征值有什么區(qū)別?？梢哉f，低置換率碎石樁對軟土復(fù)合地基的影響主要是依靠樁間土特性的改善，這樣，設(shè)計時就必須要考慮樁間土性狀的改善程度了。xx西部通道填海與軟基處理工程中，填石路堤兩側(cè)的三角體打設(shè)了碎石樁，直徑Φ400，長度最長約20m，正三角形布置，間距1.5m，場地處理采用正三角形布置間距1m的塑料排水板。碎石樁打設(shè)后與場地同時進(jìn)行堆載預(yù)壓。觀測與試驗資料表明碎石樁對樁間淤泥的改善效果強于塑料排水板。前述工程1沒有進(jìn)行加載預(yù)壓，樁間淤泥的性狀仍得到了大幅度的改善，如表1所示，十字板剪切對比試驗成果如表7所示。但這種改善事先無法準(zhǔn)確預(yù)測，如同排水預(yù)壓對地基土的改善效果無法準(zhǔn)確預(yù)測一樣，要通過試樁前后的對比試驗進(jìn)行分析比較。這往往需要犧牲工期，建設(shè)方一般是不情愿的。實際上，在軟土中進(jìn)行低置換率碎石樁復(fù)合地基設(shè)計時，目前基本上依據(jù)設(shè)計人員的工程經(jīng)驗，尚無成熟的理論可依循。表7十字板剪切試驗成果土層十字板剪切強度度Cu(kkPa)靈敏度試樁前試樁后試樁前試樁后素填土53.862.72.52.1淤泥32.648.23.22.1含砂亞粘土109.0102.22.01.96重型動力觸探工程1進(jìn)行了近百條樁的重型動力觸探（N63.5），基本上均呈現(xiàn)了擊數(shù)大體上隨著樁深的增加而增加的規(guī)律，同時看不出在淤泥層中的擊數(shù)較在其它土層中低，如表2