摘要:根据工程实践总结了三种深厚软土地基处理方法,分别是塑料排水板与碎石桩综合、土工格栅钢筋笼碎石桩和CFG桩。
关键词:软土地基 碎石桩 CFG桩
软土具有孔隙比大、松软、天然含水量高、高压缩性、低强度、高灵敏度和低透水性,在较大的地震力作用下易出现震陷等特点。软土在我国沿海一带分布很广, 如勃海湾及天津塘沾 长江三角洲、浙江、珠江三角洲以及福建沿海地区都存在海相或湖相沉积的软土。
1.碎石桩
利用碎石桩加固软土地基在我国应用已有20多年的历史,以往多用于加固公路、铁路、高速路路基。但碎石桩为柔性桩,由于柔性桩自身应用的局限性, 或由于施工质量难以控制、工程造价较高以及沉降量难以控制等原因,使得柔性桩复合地基在深厚软土中的应用受到限制。因此,工程实践中往往将碎石桩与其他地基处理方法相结合。
1.1塑料排水板与碎石桩综合处理大型软基
上海浦东新区的2座5万m3原油储罐区,天然地基承载力不能满足油罐最大荷载要求,且地基土液化判定为中等到严重,油罐地基必须进行处理。经过多方比较选择塑料排水板与碎石桩综合处理方案,效果显著。能消除地基液化,加速地基沉降与强度增长,减少沉降量1/3,提高地基强度2倍。与充水预压法联合应用。
(1)地基处理
在地基中设置塑料排水板的作用,主要是增加排水途径,缩短排水距离,使油罐地基在充水预压荷载下加速固结、提高强度,加快地基沉降的发展。塑料排水板设计时将塑料排水板换算成当量直径的砂井,采用砂井理论和设计方法。塑料排水板按放射形布置,由于油罐地基沉降主要发生在淤泥粉质粘土和淤泥粘土层,所以塑料排水板要打穿淤泥层至砂质粉土层。地基加固范围根据浮顶油罐的重要性和场地工程地质条件确定。本工程5万m3浮顶油罐地基处理外缘扩大3排桩,桩位布置采用放射形布置方案。
(2)油罐地基变形与允许值
为探索5万m3油罐地基变形规律,其观测项目有:①罐底板变形;②罐基础边缘变形;③基础周边地表变形;④地基深层土变形;⑤地基深层土侧向位移等。实测地面沉降在平面上的分布是一个以油罐基础中心为轴的“大漏斗”,而且随着充水荷载的增加而拉大,在恒压期间“大漏斗”的形状越明显,“大漏斗”中心实测沉降达到131.53cm,油罐基础边缘的沉降曲线较陡直,随着距基础中心距离增加而变得平缓,在距离基础边缘15m以外,即“大漏斗”边缘高出原地面,出现地表土隆起现象,最大隆起量为9.8m,这是软土地基上建造大型油罐充水预压加固地基地表土变形最显著的特征。实测资料表明,在软土地基上建造大型油罐时,油罐间距应为油罐直径的规定是较为合理的。
(3)充水预压加固油罐软基设计与现场监控
充水预压法,就是利用储罐充水试验作为预压荷载,加速地基强度增长的方法。要求在充水荷载不使地基失稳的条件下,加快软土层的固结。在软土地基上建造大型油罐时,为了保证地基的稳定,在逐渐加荷的情况下,采用改进的高木俊介解法进行计算。通常利用充水预压过程中的沉降速率作为控制地基稳定的方法。
利用现成实测孔隙水压力控制油罐地基稳定。从实测结果可以看出塑料排水板与碎石桩综合处理5万m3油罐软基孔隙水压力增长与消散规律:①埋设深度为3m-14m的土层夹有大量粉细砂薄层,充水加荷时产生的孔隙水压力很小,其消散也较快,在预压后期,孔隙水压力几乎消散到零值,说明除土层渗透性能好以外,塑料排水板与碎石桩也起到良好的排水作用;②埋深为15m-25m的土层中,充水加荷过程中孔隙水压力增长很快,且消散速率非常慢,预压期间,埋设塑料排水板地层中的4个测点孔隙水压力逐渐消散,而埋设在罐基处位于地层中的观测点孔隙水压力几乎没有明显的变化;③最大的孔隙水压力为108.25kPa,相当于充水荷载的59%,低于工程控制值,从投产后观测数据看,孔隙水压力系数最大值低于控制值,说明油罐地基是稳定的。塑料排水板与振冲法综合处理油罐软基,使地基承载力由65kPa提高到250kPa,满足设计要求。
1.2土工格栅钢筋笼碎石桩软基处理
某高速公路K132+362-132+450段88m软基处理,该路段表层为种植土和高液性粘土,承载力极低,淤泥层厚度不等,局部有约7.0m深的淤泥质粘土,泥质砂岩全风化层厚约2m。根据现场勘测、室内试验,该段设计采用土工格栅钢筋笼碎石桩处理方法。
(1)处理技术及方法
土工格栅钢筋笼碎石桩设计直径为35cm,打入淤泥以下的硬土,按梅花形布桩,间距1.2m,平均桩长3.2m。路基两侧水沟范围内,用松木桩配合卡填片石进行处理,其排列方法同碎石桩,其纵向间距为0.35m,横向间距为0.4m。其上铺粗细土工格栅各1层,50cm厚碎石砾石垫层和土工布。再按正常路堤进行填筑,填筑路堤时,再分别在1.4m和2.4m处加铺1层粗孔土工格栅。相应施工流程如下:下套管――取土――拔套管成孔――下钢筋笼――下砾石夯紧成桩。
在进行软基处理之前,先对软基范围的地表和地下水进行疏导和排除。采用排水沟进行自然排水。软基范围内排水达到表面无积水时,人工配合木板船,将原淤泥面进行整平。排水沟用砾石填平至整平的淤泥面,使整个软基处理范围内平整。
为防止整个路基填土完成后一段时间,路基两侧隆起,砌好的水沟被挤垮,工程采用了反压护道措施。矩形路堤填土,每层30cm分层压实,路堤填土高度大于1.5m时,压实度达90%以上,反压护道边坡与路堤边坡一样,采用1:1.5,当填土达到1.4m后,铺1层粗孔德土工格栅,继续填土;当填土高度达到2.4m时,再铺设1层粗孔的土工格栅,然后填土,分层压实,反压护道与路堤填筑同步,直至完成整个路基填土工程。
(2)加固效果分析
为保证该段路堤的充分沉降和固结,在路基施工到-45cm时,在其上铺筑约30cm厚的1层沙砾。经碾压成型后开放交通,由拌和场的进、出料重车进行碾压。为达到预压效果,又在上面堆放沙砾。同时对该路堤进行了第2次长达两个月的沉降观测。
2.CFG桩
2.1CFG桩的特点
CFG桩由水泥、粉煤灰、碎石、石屑、砂(也可不加砂)加水拌和形成的混合料灌注而成,它具有一定的粘结强度。通过调整水泥掺量及配合比,可使桩体强度在8-30Mpa间变化。其特点如下:桩体作用显著。CFG桩单桩复合地基的桩土应力比24.3-29.4,而碎石桩复合地基的桩土应力比2.2-4.1。挤密作用明显,采用振动沉管法施工,由于振动和挤压作用使桩间土得到挤密,经加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小。复合地基承载力提高幅度大,复合地基变形小,沉降稳定快。总之,CFG桩具有承载力强,施工速度快,易控制,造价较低,同时兼有竖向排水的特点。
2.2工程背景及施工方案
基于高速公路建设的总体需要,某收费站需变更至主线上,原主线软基段需进行加宽处理。经综合分析考虑该工程的地质条件、施工工期、处理质量、技术经济及收费站施工和营运荷载等方面因素,采用CFG桩复合地基处理设计方案。
CFG施工的工艺流程可简单归纳为测量放线、放点――钻孔至设计标高――边提钻边压灌混凝土――桩体养护――质量检验。
(1)桩位放点:根据桩位图施放桩位,CFG桩桩位采用灰柱并加筷子作标记,以便与夯扩挤密桩桩位区别,要求灰柱深度为20cm。
(2)成孔:钻机就位调整平稳,作业人员应先进行钻机垂直度检查,及时调整钻机位置,保证钻具垂直,并将钻头中心对准桩位中心方可成孔。钻至要求深度后停止钻孔。对钻孔出土应及时人工清除,确保孔口标高与原地面一致,以保证道路通畅,使钻机移位、请桩间土和砍桩头等顺利进行。
(3)制备混凝土:混凝土配合比应根据设计对桩体强度的要求,向实验室提出申请,现场配合比应以实验室配合比为标准。
(4)压灌成桩:钻机钻到要求深度后停止钻孔,同时启动混凝土输送泵向钻具内输送混凝土,待混凝土输送到钻具底端且在钻杆内不小于1m时将钻具缓慢上提0.1m-0.3m,确认钻头两侧阀门打开、输送通畅后,方可压灌成桩。压灌成桩时边泵送混凝土边提钻,提钻速度应根据混凝土输送量进行控制,两者密切配合。
2.3现场试验分析
CFG桩施工于21d完成。为检验桩体的承载力和完整性,在现场按1%的比例随机抽取一些CFG进行静载荷抽芯试验。根据计算结果,静载试验分两种荷载(600kN和500kN)进行。试验结果在600kN荷载下,总沉降量为49.68mm,卸载后回弹变形7.65mm,回弹系数15.11%;在500kN荷载下,总沉降量为45.53mm,卸载后回弹变形16.20mm,回弹系数35.58%,符合设计要求。抽芯主要的目的是查明桩身粗细骨料组成及均匀情况、有无断桩现象、校核桩长、检查桩尖是否进入持力层等,结果显示桩体的连续性良好,未出现断桩现象。
参考文献:
[1]张雁. 低强度混凝土桩复合地基在深厚软土地基中的应用.地基处理,1994(1)
[2]武来生. 深厚软土地基处理方法.建筑技术,2008(11)
[3]杜坤乾. CFG桩复合地基在深厚软土地基中的应用. 西部探矿工程,2005(11)
作者简介:李树荣,男,现年41岁,傈僳族,1969年9月6日生。建筑工程师、二级建造师、监理工程师、建筑造价