張奕澤，王 婧，俞演名，白福青

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014； 2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018)

碎石樁是指用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石擠壓入孔中，形成大直徑的碎石構(gòu)成的密實(shí)樁體。目前碎石樁的施工方法有很多，按其成樁過程和作用可分為擠密法(振沖擠密法、沉管法、干振法)、置換法(振沖置換法、鉆孔錘擊法)、排土法(振動氣沖法、沉管法、強(qiáng)夯置換法)及其它方法(水泥碎石樁法、裙圍碎石樁法、袋裝碎石樁法等)。

振動沉管碎石樁具有施工簡便、工期短、造價低的特點(diǎn)，對軟基起到置換、擠密、排水減壓等作用[1]，適用于承載力要求不高的軟基處理。一般認(rèn)為，碎石樁適用于不排水抗剪強(qiáng)度Cu≥20kPa的軟土地基[2]，Juran對4項(xiàng)振沖碎石樁工程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中有75%用于加固軟粘土和粉土，且Cu<20kPa的占比為54%[2]。目前國內(nèi)也有應(yīng)用碎石樁法處理Cu<20kPa的飽和軟黏土地基的案例[3- 8]。某珠江三角洲地區(qū)新建堤防工程，其基礎(chǔ)存在深厚飽和軟粘土層，不排水抗剪強(qiáng)度普遍低于20kPa，本文結(jié)合該工程特點(diǎn)，通過試驗(yàn)和數(shù)值分析，認(rèn)為振動沉管碎石樁處理本地區(qū)淤泥質(zhì)土地基技術(shù)可行，結(jié)構(gòu)可靠。

1 振動碎石樁對于軟土的加固機(jī)理

1.1 置換作用

對于飽和軟土層，具有黏粒含量高、壓縮性高、承載力低的特點(diǎn)。以強(qiáng)度良好、低壓縮性的碎石替代原低強(qiáng)度、高壓縮性的軟土形成樁體，碎石樁作為半剛性樁對土體進(jìn)行置換，并與樁周軟土層形成復(fù)合地基，提高承載力[8]。

1.2 排水固結(jié)作用

碎石樁是采用碎石通過振動沖擊夯實(shí)而形成無粘結(jié)強(qiáng)度的樁，樁體連續(xù)且孔隙大，是良好的排水通道，可使樁振動施工和堤防填筑施工時產(chǎn)生的超孔隙水壓力迅速消散，軟土內(nèi)孔隙水迅速排出，從而加快土體固結(jié)，提高土體強(qiáng)度[8]。

1.3 墊層作用

當(dāng)軟弱土層較厚時，碎石樁樁體無法貫穿整個軟弱土層，此時形成的加固復(fù)合土層起墊層作用，將上部荷載擴(kuò)散使應(yīng)力分布趨于均勻，從而提高承載力和減少沉降量。

2 地基處理方案現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證碎石樁復(fù)合地基處理堤基淤泥質(zhì)軟土層的效果，結(jié)合深圳某工程設(shè)計(jì)，在工程區(qū)開展兩個地基處理試驗(yàn)，即碎石樁復(fù)合地基和堤身自重壓載，長度各為50m。

碎石樁復(fù)合地基方案：打設(shè)振動沉管碎石樁，樁徑0.6m，間距1.6m，矩形布置，平均樁長12m。迎水面堤坡坡比1∶4,堤頂寬8m，背水坡1∶3，方案典型斷面如圖1所示。

堤身自重壓載方案：地基不作處理。迎水面現(xiàn)狀堤坡坡比1∶4?，F(xiàn)狀堤頂清基后填筑土堤至設(shè)計(jì)堤頂高程，堤頂寬8m，填筑堤坡上下游為1∶5，填筑高度2.8～3.1m。方案典型斷面如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

對于粘性土地基，碎石樁施工完畢后，應(yīng)合理選擇監(jiān)測時間，本工程按施工2周后進(jìn)行監(jiān)測[9]。碎石樁于2013年12月完成施工，之后開始堤身加載，加載期為2014年1月11日—3月30日。監(jiān)測工作自2014年1—11月開展[11]。

2.2.1沉降監(jiān)測結(jié)果

碎石樁段：從沉降的量值看，累計(jì)沉降量最大值為295.50mm，平均值為127.83mm。從沉降的變化速率看，近期(112天)，碎石樁段沉降速率為0.105～0.765mm/d，最大沉降速率為0.765mm/d，平均沉降速率為0.400mm/d，沉降觀測點(diǎn)加載-沉降量時程曲線如圖3所示。

圖1 振動沉管碎石樁基礎(chǔ)方案典型斷面圖

圖2 堤身自重壓載方案典型斷面圖

圖3 (碎石樁段)沉降觀測點(diǎn)加載-沉降量時程曲線圖

堤身自重壓載段：從沉降的量值看，累計(jì)沉降量最大值為244.70mm，平均值為131.82mm。從沉降的變化速率看，近期(112天)，填土段沉降速率為0.128～0.920mm/d，最大沉降速率為0.920mm/d，平均沉降速率為0.465mm/d，沉降觀測點(diǎn)加載—沉降量時程曲線如圖4所示。

2.2.2孔壓監(jiān)測結(jié)果

碎石樁段：從孔壓的變化看，加載過程中，孔壓增加；恒載后，孔壓逐漸減小較明顯，如圖5所示。

堤身自重壓載段：從孔壓的變化看，加載過程中，孔壓增加；恒載后，孔壓逐漸減小，如圖6所示。

2.3 結(jié)果分析

試驗(yàn)段總長100m，分為碎石樁段和填土段，長各為50m?？紤]邊界效應(yīng)和施工干擾，取沉降P5、P10測點(diǎn)為碎石樁段代表測點(diǎn)，P17、P22測點(diǎn)為填土段代表測點(diǎn)；取孔壓S6、S12測點(diǎn)為碎石樁段代表測點(diǎn)，S18、S21測點(diǎn)為填土段代表測點(diǎn)。

關(guān)于沉降監(jiān)測，至采樣截止，碎石樁段P5測點(diǎn)累計(jì)沉降269.20mm，沉降速率為0.65mm/d；P10測點(diǎn)累計(jì)沉降295.50mm，沉降速率為0.70mm/d。填土段P17測點(diǎn)累計(jì)沉降214.40mm，沉降速率為0.58mm/d；P22測點(diǎn)累計(jì)沉降201.30mm，沉降速率為0.56mm/d。

碎石樁段典型測點(diǎn)平均累計(jì)沉降282.35mm，平均沉降速率為0.68mm/d。填土段典型測點(diǎn)平均累計(jì)沉降207.85mm，平均沉降速率為0.57mm/d。

圖4 (填土段)沉降觀測點(diǎn)加載-沉降量時程曲線圖

圖5 (碎石樁段)典型孔壓加載-測值(MPa)-時程曲線圖

圖6 (填土段)典型孔壓加載-測值(MPa)-時程曲線圖

以上數(shù)據(jù)可知，碎石樁段沉降量和沉降速率均大于填土段，土體固結(jié)效果更好。

圖7 填土段-碎石樁段典型測點(diǎn)沉降曲線時程對比圖

關(guān)于孔壓監(jiān)測，碎石樁段S6測點(diǎn)孔壓從0.082MPa增至0.117MPa，后期孔壓降至0.094MPa，加載階段孔壓升高0.035MPa，恒載階段孔壓下降0.023MPa；S12測點(diǎn)孔壓從0.078MPa增至0.116MPa，后期孔壓降至0.098MPa，加載階段孔壓升高0.038MPa，恒載階段孔壓下降0.018MPa。填土段S18測點(diǎn)孔壓從0.101MPa增至0.136MPa，后期孔壓降至0.128MPa，加載階段孔壓升高0.035MPa，恒載階段孔壓下降0.008MPa；S21測點(diǎn)孔壓從0.101MPa增至0.136MPa，后期孔壓降至0.124MPa，加載階段孔壓升高0.035MPa，恒載階段孔壓下降0.012MPa。

圖8 填土段-碎石樁段典型測點(diǎn)孔壓曲線時程對比圖

碎石樁段典型測點(diǎn)加載階段孔壓平均上升0.037MPa，恒載階段孔壓平均下降0.021MPa。填土段典型測點(diǎn)加載階段孔壓平均上升0.035MPa，恒載階段孔壓平均下降0.010MPa。

以上數(shù)據(jù)可知，在加載階段，碎石樁段和填土段孔壓增加基本一致；恒載階段，碎石樁段孔壓消散明顯大于填土段，土體固結(jié)發(fā)展更好。

3 數(shù)值分析

由于原堤身填土結(jié)構(gòu)簡單，成份不均一，堤身填土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)離散性大，孔隙比大，具中—高壓縮性；為充分掌握當(dāng)前堤基巖土的力學(xué)參數(shù)性質(zhì)，有必要對工程區(qū)的巖土參數(shù)進(jìn)行敏感性分析[12]，進(jìn)而開展堤防穩(wěn)定性分析論證碎石樁處理的可行性。上述分析采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算軟件為GEO-STUDIO系列軟件。各土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 工程區(qū)土的物理力學(xué)指標(biāo)

3.1 巖土參數(shù)敏感性分析

本工程軟土對堤防的整體穩(wěn)定性影響最大，因此敏感性分析以淤泥質(zhì)土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角為主要分析對象[13- 14]。

根據(jù)地勘成果，淤泥質(zhì)土固快粘聚力為7.8kPa，內(nèi)摩擦角為5.2°，本次敏感性分析的參數(shù)值幅度取±5，即粘聚力2.8～12.8kPa，內(nèi)摩擦角0.2°～10.2°。

表2 計(jì)算工況組合

計(jì)算結(jié)果如圖9—10所示。圖中，將所有強(qiáng)度參數(shù)都?xì)w一化為0到1區(qū)間，0代表最小值，c=2.8kPa，φ=0.2°；1代表最大值，c=12.8kPa，φ=10.2°。

根據(jù)敏感性曲線結(jié)果可知，邊坡穩(wěn)定性對淤泥內(nèi)摩擦角的變化比粘聚力的變化更敏感。采用碎石樁加固形成改性地基提高等效抗剪強(qiáng)度的方法理論可行。

3.2 堤防整體穩(wěn)定分析

按GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中對于1級堤防的設(shè)計(jì)要求，本次選取三個工況進(jìn)行堤防整體穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5，計(jì)算滑紙如圖11—13所示。

圖9 瑞典圓弧法敏感性分析結(jié)果對比圖

圖10 畢肖普法敏感性分析結(jié)果對比圖

表3 瑞典圓弧法敏感性分析結(jié)果匯總表

表4 畢肖普法敏感性分析結(jié)果匯總表

表5 各工況整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果一覽表

圖11 穩(wěn)定滲流期整體穩(wěn)定分析結(jié)果圖

圖12 驟降期整體穩(wěn)定分析結(jié)果圖

圖13 施工期整體穩(wěn)定分析結(jié)果圖

4 結(jié)語

(1)采用振動沉管碎石樁進(jìn)行堤防軟土地基加固，具有施工簡便、工期短、造價低的特點(diǎn)，對軟基起到換土置換、擠密、排水減壓等作用，適用于承載力要求不高的軟基處理，施工設(shè)備對含塊石地層能有效穿透。

(2)通過進(jìn)行工程區(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)，可知工程區(qū)試驗(yàn)期內(nèi)的經(jīng)碎石樁加固后的堤防基礎(chǔ)沉降速率和沉降量均大于壓載段，在恒載階段孔壓消散也明顯大于壓載段，排水固結(jié)效果更好；通過碎石樁加固可縮短基礎(chǔ)固結(jié)時間，提高地基強(qiáng)度。

(3)通過建立數(shù)值模型進(jìn)行軟弱土層粘聚力和摩擦角的敏感性分析，可知堤防整體穩(wěn)定性對軟弱土層內(nèi)摩擦角的變化比粘聚力的變化更敏感，故采用碎石樁加固形成復(fù)合地基提高等效抗剪強(qiáng)度的方法理論可行。

(4)通過堤防整體穩(wěn)定數(shù)值分析，在各工況下，可知經(jīng)碎石樁加固處理的堤防穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范對于1級堤防的要求。

綜上，采用振動沉管碎石樁作為本工程區(qū)淤泥質(zhì)土地基加固處理方案是可行且有效的，也為后期類此工程提供借鑒和啟發(fā)。