碎石樁復(fù)合地基沉箱施工預(yù)留沉降量計算應(yīng)用分析

王健

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摘 要：為確定海上碎石樁復(fù)合地基在沉箱施工過程中預(yù)留沉降量，對碎石樁復(fù)合地基加固機理及沉降計算方法進行了研究分析，并將最終沉降量的計算結(jié)果與原型觀測值進行比較，較準(zhǔn)確的計算出沉箱預(yù)留沉降量。

關(guān)鍵詞：碎石樁復(fù)合地基；沉箱；預(yù)留沉降

1 碎石樁復(fù)合地基加固機理

振沖碎石樁法是指采用振沖器成孔后，填充碎石、卵石或礦渣等硬質(zhì)材料并振動密實形成樁體的一種地基加固方法。其加固機理以置換作用為主，即利用機械設(shè)備將原軟弱土豎向置換成強度較高的硬質(zhì)材料。由于碎石樁體較樁周土強度高、模量大，在剛性基礎(chǔ)作用下，復(fù)合地基應(yīng)力按模量的大小進行重新分配，在樁上形成應(yīng)力集中。作用二是擠密效應(yīng)，即樁周土在施工過程中由于施工機械的擠振產(chǎn)生位移，提高原軟弱土密度，減小空隙比從而提高原狀土的強度。作用三是排水減壓，由于碎石樁樁體的碎石之間存在大空隙，成為良好的排水通道，原地基土排水通道長度縮短、數(shù)量增加，從而加速了原軟弱地基土的固結(jié)，提高了復(fù)合地基承載力。作用四是墊層作用，由于碎石樁復(fù)合地基加固區(qū)的存在，建筑物的附加應(yīng)力得到擴散，從而減少了下臥層的沉降。

2 碎石樁復(fù)合地基沉降計算分析

由于該重力式沉箱碼頭下地基壓縮層深厚，地基在附加應(yīng)力和自重應(yīng)力作用下被壓縮，由此產(chǎn)生了建筑物的沉降。目前，實際工程中碎石樁復(fù)合地基沉降計算主要分成復(fù)合地基加固區(qū)沉降S1和下臥層沉降S2兩部分計算，則復(fù)合地基沉降量

S=S1+S2

碎石樁復(fù)合地基加固區(qū)土層沉降計算方法較多，目前國內(nèi)外一般采用復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法和樁身壓縮量法來計算。

2.1 復(fù)合模量法

復(fù)合模量法是將加固區(qū)增強體和基體兩部分視為均勻材料的整體，采用復(fù)合模量來評價復(fù)合土體的壓縮性，并采用分層總和法計算加固區(qū)沉降。

Esp=[1+m（n-1）]Es

式中Esp——復(fù)合模量；Es——樁間土壓縮模量；m——面積置換率，m=d2/de2其中d為樁身平均直徑，de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑；n——樁土應(yīng)力比。

2.2 應(yīng)力修正法

由于碎石樁的存在，作用在樁間土上的荷載密度比作用在復(fù)合地基上的平均荷載密度小，采用應(yīng)力修正法計算沉降時，忽略碎石樁的存在而只考慮樁間土的荷載作用，樁間土荷載作用大小根據(jù)碎石樁和樁間土的壓縮模量大小進行分配。然后按照樁間土分擔(dān)的荷載和壓縮模量，根據(jù)分層總和法計算加固區(qū)土層的沉降。

碎石樁復(fù)合地基樁間土分擔(dān)的荷載ps為

式中p——碎石樁復(fù)合地基平均荷載；μs——應(yīng)力修正系數(shù)。

2.3 樁身壓縮量法

樁身壓縮量法是通過計算樁體的壓縮變形量來計算加固區(qū)土層地基沉降，樁體壓縮變形量則是根據(jù)作用在碎石樁體上的荷載與樁身壓縮模量計算得來的。假設(shè)碎石樁底端刺入下臥層的變形量為Δ，則相應(yīng)加固區(qū)土層的沉降S1為

S1=Sp+Δ

式中Sp——樁身壓縮沉降量。

碎石樁復(fù)合地基碎石樁分擔(dān)的荷載pp為

式中μp——碎石樁應(yīng)力集中系數(shù)。

假設(shè)樁側(cè)摩阻力平均分布，樁底樁承載力密度為Pb0，則樁身壓縮沉降量為

3 工程實例分析

本工程擬在場區(qū)內(nèi)建設(shè)重力式沉箱碼頭，設(shè)計地基極限承載力特征值為120 kPa。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料顯示該區(qū)域地形平緩，由岸邊向深水域微傾。場區(qū)內(nèi)土層結(jié)構(gòu)自上而下分為①1流泥、①2淤泥、②粉砂、③粉質(zhì)粘土、⑤1強風(fēng)化板巖、⑤2中風(fēng)化板巖，各地層物理力學(xué)性質(zhì)。

3.1 加固方案

由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土以上地層地基容許承載力不滿足設(shè)計要求，經(jīng)各方討論后，采用振沖碎石樁作為豎向增強體加固粉質(zhì)粘土以上土層。碎石樁設(shè)計樁徑為1.2m、采用正三角形布置，樁體中心距離為1.7m。碎石樁施工前清除表層淤泥并用碎石均勻拋灑壓面，碎石樁穿透淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，進入持力層④層粉質(zhì)粘土1m。成樁后頂面設(shè)置不小于1.0m。的碎石墊層，然后分級拋填10～100kg塊石基床至設(shè)計標(biāo)高。

3.2 原型試驗

由于海上碎石樁法加固的海底軟弱地基水深較深，不適合進行復(fù)合地基載荷板試驗，經(jīng)各方討論論證后采用現(xiàn)有條件進行原型試驗，試驗過程采用基床拋石、現(xiàn)有沉箱、沉箱內(nèi)拋石及沉箱安放壓載塊等方法模擬分級加載狀況。沉箱安裝完成后進行沉降觀測，根據(jù)沉箱原型觀測沉降量確定沉箱的預(yù)留沉降。

3.3 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場試驗，確定各計算主要參數(shù)為：p=120kPa，d=1.7m，H=12.0，n=3.5，B=10.0m，其它土層計算參數(shù)詳見表1。采用分層總和法計算沉箱最終沉降量，按不同計算方法計算的沉降量與原型觀測實測值進行比較，最終沉降量見表2。

4 結(jié)論

本文探討了海上碎石樁復(fù)合地基的加固機理和復(fù)合地基沉降的計算方法，較準(zhǔn)確的計算出碎石樁復(fù)合地基的沉降量，為沉箱施工預(yù)留沉降起到了一定的指導(dǎo)作用。

由于外部荷載、碎石樁施工質(zhì)量、潮位等各種因素的影響，原型觀測和計算得出的最終沉降量很難準(zhǔn)確得出沉箱的最終沉降量，所以在沉箱預(yù)留沉降過程中應(yīng)遵循寧高勿低的原則，并加強觀測，隨時根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整預(yù)留值。

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