馬永峰，周丁恒，張志豪，曹力橋

（1. 中國石油天然氣華東勘察設(shè)計研究院 巖土工程處，山東 青島 266071；2. 慕尼黑工業(yè)大學 土木工程與測量學院，德國 慕尼黑 81245；3. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

1 引 言

隨著我國能源需求的進一步加大，越來越多的沿海地區(qū)及城市興建了石化工程，建造規(guī)模也越來越大，隨之產(chǎn)生了一個問題，如何對軟土軟弱地基進行處理，從而達到控制地基變形及油罐沉降的目的，成為了石化工程地基與基礎(chǔ)設(shè)計中的重要研究內(nèi)容。振沖碎石樁作為軟弱地基處理的一個重要方法，不少學者對其進行了研究，黃寶龍等[1]對可液化砂土運用振沖碎石樁處理后的抗液化性和提高承載力的效果進行了現(xiàn)場載荷試驗。余震等[2]以攔河大壩地基處理為依托，對碎石樁加固處理后復合地基的處理效果進行了試驗分析。傅少君等[3]利用彈性力學和Biot固結(jié)理論建立了可以考慮固結(jié)問題的振沖碎石樁復合的平面有限元分析彈性復合模型，并編制相應(yīng)的有限元分析程序 APOSE。李友東[4]介紹了變樁長間隔布置振沖碎石樁方法處理液化地層。楊生彬等[5]采用大直徑振沖碎石樁復合地基的處理方法，開展了大厚度飽和砂土液化地基治理的現(xiàn)場試驗研究。袁玉卿等[6]完成振沖碎石樁處治粉砂性濕軟地基的數(shù)值模擬。李進元[7]闡述了大面積、大深度振沖碎石樁解決水電站地基砂土液化問題、承載力問題及抗剪強度問題，并對復合地基參數(shù)取值及如何解決施工中遇到的問題進行總結(jié)。周元強等[8]通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)振沖置換法后飽和粉土孔隙比與液化指數(shù)存在一定的關(guān)系，并理論推導出一套簡便有效的計算公式。韓冉冉等[9]進行了水下超軟土地基振沖碎石樁相關(guān)試驗。

本文以中國-委內(nèi)瑞拉2 000萬噸/年重油加工工程為背景，開展了振沖碎石樁的現(xiàn)場試驗研究，并基于樁間土、樁體及復合地基的承載性能、變形參數(shù)及液化處理效果，對處理效果進行了評價與分析。

2 試驗工程概況

2.1 工程概況

中委廣東石化2 000萬噸/年重油加工工程（一期工程設(shè)計年加工原油能力2 000萬噸及相關(guān)配套的石化裝置）是中石油和委內(nèi)瑞拉合資建設(shè)的國內(nèi)最大一次性投產(chǎn)的石化工程，占地面積約 6 km2。建設(shè)周期4年以上，投資額為500億人民幣左右，基礎(chǔ)及地基處理費用近 20億人民幣，工期超過 1年。

2.2 場區(qū)地質(zhì)條件

場區(qū)地貌單元榕江三角洲平原，地形較平坦開闊。根據(jù)巖土工程勘察成果，場區(qū)地基土主要為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)的風-水堆積層、沼澤相沉積層、海陸相交互沉積層、第四系上更新統(tǒng)的海陸相交互沉積層、沖、洪積層、殘積層以及燕山期花崗巖組成。揭露巖層分別為全風化層、強風化層、中風化層，局部為微風化層，巖土層分布及其物理力學性質(zhì)指標見表 1。工程場地上部廣泛分布有10.0～20.0 m厚的第四系風-水堆積粉細砂層及0.5～21.0 m厚的淤泥質(zhì)黏性土，其中②1層細砂層級配不良，以松散狀態(tài)為主，局部稍密，屬于中等液化土層；②2層粉細砂層級配不良，稍密-中密，飽和，屬于輕微-中等液化土層，局部嚴重液化；淤泥質(zhì)黏性土呈軟塑-可塑狀態(tài)，具有抗剪強度低、孔隙比及有機質(zhì)含量大、壓縮性高、靈敏度高及流變性強等不良工程特性。上述軟弱土層處理對工程正常與安全運營產(chǎn)生顯著影響，處理方案的選取和優(yōu)化亦影響項目的投資和工程進度，因此場地軟弱土層的加固處理已成為工程建設(shè)的關(guān)鍵問題。

表1 巖土層物理力學參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of rock and soil

3 試驗方案

3.1 試驗目的及參數(shù)設(shè)計

現(xiàn)場試驗目的是檢驗和評價對砂層液化可能性的消除效果，確定處理后的復合地基承載力特征值。試驗性質(zhì)為破壞性試驗，確定單樁承載力特征值，確定成樁工藝和成樁機械的可行性以及施工參數(shù)，確定復合地基處理前后地基承載力變化情況。

表2 振沖碎石樁現(xiàn)場試驗參數(shù)Table 2 Field test parameters of vibro-replacement stone pile

根據(jù)建筑物荷載、處理液化深度及地基土承載性能等要求，進行試驗參數(shù)的設(shè)計，設(shè)置3個試驗區(qū)，試驗面積均為240 m2，采用功率75 kW的振沖器成樁，樁體材料用含泥量不大于5%的新鮮碎石，填料粒徑為20～50 mm。振沖碎石樁試驗樁位布置和檢測方案如圖1、2所示，具體試驗參數(shù)見表2（樁徑均為1 000 mm）。

圖1 振沖碎石樁試驗樁位和檢測布置（單位：m）Fig.1 Layout of test pile and monitoring of vibro-replacement stone piles(unit: m)

圖2 振沖碎石樁施工流程Fig.2 Construction process of vibro-replacement stone pile

3.2 試驗方法

試樁施工結(jié)束14 d后，按照建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[10]和設(shè)計要求對樁間土及樁體的承載性能進行檢測，同時判定飽和砂土液化地基處理效果。振沖碎石樁則主要采用載荷試驗檢測樁間土、單樁及復合地基的承載性能，靜力觸探試驗檢測樁體密實度并進行飽和砂土液化判別，此外，利用標準貫入和重型動力觸探試驗，分析了振沖碎石樁施工前后地基承載力和土體工程特性變化情況。

4 振沖碎石樁施工

本次試驗振沖碎石樁施工流程如圖2所示，具體過程為：① 振沖器就位振沖器尖端對準樁位點，調(diào)直振沖桿，確保樁身豎直。② 造孔開啟高壓清水泵，注入高壓水，開啟振沖器。待振沖器內(nèi)的偏心塊達到額定轉(zhuǎn)速時，下沉振沖器進行造孔。造孔過程中保持吊車卷揚繩下放速度不大于 2 m/min，造孔完成后，進行1～2次清孔排漿。③ 投料采用分段加密的制樁方法，將振沖器提離孔底40～50 cm，由裝載機向孔內(nèi)填入碎石，待碎石達到孔底，再緩慢插入振沖器，振密孔底樁體。

施工過程中，對每根樁的造孔電流、造孔水壓、密實電流、填料量及留振時間進行現(xiàn)場過程記錄，施工參數(shù)見表3。

表3 振沖碎石樁施工參數(shù)Table 3 Construction parameters of vibroreplacement stone piles

5 試驗結(jié)果與分析

本文主要以振沖3區(qū)試驗數(shù)據(jù)為主，輔助以振沖1區(qū)、2區(qū)試驗結(jié)果，對振沖碎石樁施工前后樁間土、樁體及復合地基的承載性能、變形參數(shù)及液化處理效果進行了評價和分析。

5.1 靜力觸探試驗

振沖 3區(qū)施工前后靜力觸探試驗試驗曲線如圖3所示。

圖3 振沖碎石樁施工前后靜力觸探試驗曲線Fig.3 Curves of static cone penetration test by vibroreplacement stone pile before and after construction

表4 靜力觸探試驗中振沖碎石樁處理前后參數(shù)變化Table 4 Parameters changes of vibro-replacement stone pile treatment in static cone penetration test

施工前后土層的相關(guān)指標見表 4。除局部深度（10.8～11.2 m）靜力觸探錐尖阻力振沖后有一定幅度的降低外，地基處理后靜力觸探錐尖阻力均有較為明顯的增加，從表中可以看出，經(jīng)過振沖碎石樁處理后，樁間土的各項指標都得到了大幅度提高，工程特性在處理后得到了明顯改善，即有效提高了場地地基承載力和消除場地砂層液化可能性。

5.2 旁壓試驗

振沖3區(qū)旁壓試驗中水位下降情況如圖4所示，振沖碎石樁施工引起的巖土層參數(shù)變化反映于圖 5中。

圖4 振沖3區(qū)施工前后旁壓試驗曲線Fig.4 Curves of pressuremeter test before and after construction in vibro-replacement 3 zone

經(jīng)振沖碎石樁處理后，振沖碎石樁施工對樁長范圍的樁間砂土具有明顯的擠密效應(yīng)，工程特性在處理后有了明顯改善，基本都達到了中密~密實狀態(tài)，變形模量達到25.0 MPa以上，地基處理后最大變形模量為47.9 MPa。地基承載力比振沖碎石樁加固前有明顯提高，基本可以消除樁長范圍內(nèi)砂土的液化可能性。對于振沖碎石樁范圍內(nèi)的黏性土，振沖碎石樁施工對其幾乎沒有擠密效應(yīng)，加固影響程度有限，局部深度范圍內(nèi)（12 m以下）旁壓模量和變形模量甚至出現(xiàn)降低情況，地基承載力在 12 m深度以下亦減小。

圖5 旁壓試驗中振沖碎石樁施工前后參數(shù)變化Fig.5 Parameter changes by vibro-replacement stone pile before and after construction in pressuremeter test

5.3 標準貫入試驗

每個試驗區(qū)進行了3個點的標準貫入試驗，典型振沖碎石樁施工前后標準貫入試驗曲線如圖 6（振沖3區(qū)2#點）所示。從圖中可以看出，土層標準貫入擊數(shù)較處理前增大，其中擊數(shù)最大變化點約6m深度（粉細砂層深度范圍內(nèi)），振沖3區(qū)1#點、3#點亦擊數(shù)最大變化點也為 6m深度。比較振沖 1區(qū)、2區(qū)標準貫入擊數(shù)變化情況，最大變化點分別約為17 m和11 m，均在粉細砂層深度范圍內(nèi)。

圖6 振沖3區(qū)2#點標準貫入試驗曲線Fig.6 Curves of standard penetration test in #2 point of vibro-replacement 3 zone

振沖3區(qū)1#～3#點處理前液化指數(shù)為2.0、4.6和0，經(jīng)振沖碎石樁處理后3個測點的液化指數(shù)均為 0，表示該區(qū)樁長范圍的液化可能性已消除。振沖1、2區(qū)經(jīng)處理后液化可能性均被消除，結(jié)果表明振沖3區(qū)內(nèi)振沖碎石樁對砂層液化處理效果良好。

振沖碎石樁處理前后承載力和模量變化情況見表5。除粉質(zhì)黏土層各項指標有一定程度的減小外，其他土層承載力和模量均得到提高，土體的工程特性的了明顯改善，可以有效提高場地地基承載力和消除場地砂層液化可能性。這個結(jié)果在其他8孔的標準貫入試驗結(jié)果均得到了驗證。

5.4 重型動力觸探試驗

每個振沖區(qū)進行了 3個孔的重型動力觸探檢測，典型振沖碎石樁施工前后重型動力觸探曲線如圖7（振沖3區(qū)1#孔）所示。從圖中可以看出，施工前后動力觸探結(jié)果變化較小，這個結(jié)果在其他 8個孔的動力觸探檢測中亦得到了驗證。

表5 振沖3區(qū)標準貫入試驗處理前后承載力和模量變化Table 5 Changes of bearing capacity and modulus by standard penetration test before and after processing in vibro-replacement 3 zone

圖7 振沖3區(qū)1#孔重型動力觸探曲線Fig.7 Curves of heavy dynamic penetration test in #1 port of vibro-replacement 3 zone

振沖3區(qū)1#孔施工前后觸探擊數(shù)和地基承載力變化情況如圖8所示。除10～12 m（粉質(zhì)黏土層）范圍內(nèi)動力觸探擊數(shù)有小范圍內(nèi)變化外，其他土層深度范圍內(nèi)，觸探擊數(shù)基本未產(chǎn)生明顯變化，全深度下地基承載力亦未明顯變化。結(jié)合3個振沖試驗區(qū)地層情況（粉細砂等砂層分布廣泛）及其他8個孔的觸探擊數(shù)、地基承載變化情況，可以確定重型動力觸探不適合粉細砂地層。

5.5 單樁和復合地基載荷試驗

振沖碎石樁施工結(jié)束一定時間后在每個振沖區(qū)均進行了3個點單樁靜載荷試驗，各測點單樁靜載荷試驗曲線如圖9所示。荷載-沉降曲線存在明顯的陡降段，3個試驗區(qū)不同測點單樁靜載荷試驗結(jié)果見表 6。從表中可以看出，振沖碎石樁單樁極限承載力達到1 100 kN以上，單樁承載力特征值大于600 kN，3個試驗區(qū)單樁承載力特征值的統(tǒng)計值分別為675、775、670 kN。

圖8 振沖3區(qū)1#孔施工前后觸探擊數(shù)和地基承載力變化Fig.8 Changes of penetration hits and foundation bearing capacity before and after commencement in #1 port of vibro-replacement 3 zone

圖9 單樁靜載荷試驗曲線Fig.9 Curves of static load test of single pile

表6 單樁載荷試驗統(tǒng)計成果Table 6 Statistical results of single pile load test

每個試驗區(qū)均進行了3個點復合地基靜載荷試驗，載荷試驗壓板面積為10.6 m2，方形板邊長3.3 m，3個試驗區(qū)各測點復合地基靜載荷試驗曲線如圖10所示。與單樁靜載荷試驗曲線類似，荷載-沉降曲線存在明顯的陡降段。3個試驗區(qū)復合地基靜載荷試驗結(jié)果見表7。由表2可知，振沖碎石樁復合地基法加固后可以明顯提高場地的地基承載力，極限承載力可達到520 kPa以上，地基承載力特征值均超過280 kPa，3個試驗區(qū)復合地基承載力特征值的統(tǒng)計值分別為310、285、295 kN。

圖10 復合地基靜載荷試驗曲線Fig.10 Curves of composite foundation static load test

試驗要求加固后振沖碎石樁的單樁承載力特征值不小于600 kN，復合地基的承載力特征值不小于200 kPa?，F(xiàn)場試驗結(jié)果中振沖碎石樁單樁承載力特征值除ZC3JZD2號單樁承載力特征值585 kN略小于標準外，其他單樁承載力特征值均滿足要求；由于振沖施工對樁間砂土擠密效應(yīng)比較明顯，樁間砂層對碎石樁的側(cè)向約束力很大，加固后復合地基的承載力特征值達到285 kPa以上，場地的地基承載力明顯提高和工后沉降減小，振沖碎石樁有效消除加固深度范圍內(nèi)砂層的液化勢。

表7 復合地基載荷試驗統(tǒng)計結(jié)果Table 7 Statistical results of composite foundation load test

6 結(jié) 論

（1）經(jīng)振沖碎石樁加固處理后，振沖碎石樁施工對樁長范圍的砂土具有明顯的擠密效應(yīng)，工程特性在處理后有了明顯改善，樁間土地基承載力達到250 kPa以上，壓縮模量達到25 MPa以上，場地的均勻性也得到了明顯提高，有效地消除了振沖碎石樁樁長范圍內(nèi)樁間砂層的液化可能性。

（2）振沖碎石樁對砂土層下臥黏性土層的加固作用不明顯，部分深度范圍內(nèi)會出現(xiàn)土層強度降低的情況。

（3）當場地內(nèi)地面以下10 m內(nèi)不存在厚度大于5 m的軟土夾層時，較薄的軟土夾層不會對振沖碎石樁擠密加固其余深度的砂土產(chǎn)生明顯不利影響，對單樁和復合地基承載力影響很小，可以不考慮其對振沖碎石樁加固的影響。

（4）根據(jù)不同類型建筑物對地基承載力和沉降的要求，通過合理設(shè)置振沖碎石樁樁間距及樁徑進行調(diào)整。若用于消除液化勢，則需根據(jù)液化土層的埋深確定振沖碎石樁加固深度。

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