对振动沉管碎石桩的几点认识

PAGE11对振动沉管碎石桩的几点认识一般认为，振动沉管碎石桩对松散砂土和粉土的作用机理主要为挤密作用、振密作用及排水作用（抗液化），对粘性土主要为置换作用及排水作用。设计时置换率通常取10％~30％，砂土粉土中取低值，粘性土中取高值，从节约工程造价的角度出发，一般应尽量选用较低值。本文将结合工程测试对低置换率振动沉管碎石桩复合地基谈几点看法。1试桩效果试桩的目的是为了检验设计参数、施工工艺及施工控制要求能否满足设计指标，《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002）（以下简称地基处理规范）等相关文献指出试桩数量不应少于7~9根。既然是试桩，数量通常较少，较少的桩数可以确定施工工艺，但能否据此全面准确地评价地基处理的效果，笔者认为一定要谨慎，尤其在淤泥类软弱土层中。以xx市xx区某市政道路工程为例。碎石桩复合地基设计参数分别为：桩径Φ400，桩距1.3m，正三角形布置，m=8.6%，填料为1~5cm碎石，设计复合地基承载力特征值为140kPa。试桩13根，试桩处地质状况自上而下分别为：①素填土，层厚2.8-3.1m，结构疏松，由砂质亚粘土组成；②淤泥，层厚1.7~1.9m，流塑，具腐臭味；③含砂亚粘土，层厚1.3~1.7m，可塑，砂质含量约35％；④中砂：层厚1.4~1.8m，饱和，稍密；⑤砂质亚粘土。试桩长度7~8m，大面积施工时桩长7~10m。试桩前后、大面积施工后桩间土的土工参数如表1所示，取土位置于正三角形中心。碎石桩重型圆锥动力触探（N63.5）成果如表2所示。另外某路基处理工程碎石桩重型圆锥动力触探（N63.5）成果如表3所示（碎石桩设计参数与前例相同）。上述两工程均进行了复合地基承载力静载荷试验，由于试验最大荷载为2倍设计承载力特征值（280kPa），故不能判断大面积施工后与试桩时相比复合地基承载力提高的幅度。试压荷载为280kPa时总沉降量如表4所示。表1试桩前后、大面积施工后桩间土的土工参数土层施工状况含水量w(%))湿重度ρ0(kN/m3)干重度ρd(kN/m3)孔隙比e0塑性指数Ip液性指数IL压缩模量Es(MPa)素填土试桩前19.017.514.60.83011.8<03.67试桩后22.718.715.30.75010.9<03.64大面积施工后21.418.715.40.73713.3<05.50淤泥试桩前89.515.18.12.22720.52.472.24试桩后47.316.911.51.34211.71.413.09试桩后变化率-47.2%11.9%42.0%-39.7%-42.9%-42.9%37.5%大面积施工后39.118.013.21.12713.60.665.33与试桩前相比-56.3%19.2%63.0%-49.4%-33.7%-73.3%137.9%与试桩后相比-17.3%6.5%14.8%-16.0%16.2%-53.2%72.5%含砂亚粘土试桩前17.020.217.40.54311.2<04.54试桩后28.118.614.60.85612.40.544.56大面积施工后19.520.317.00.58512.20.107.31表2碎石桩重型圆锥动力触探（N63.5）成果土层状况素填土段淤泥段含砂亚粘土段桩端土试桩击数2~7击4~5击7~12击8~10击大面积施工后击击数7~13击11~18击13~40击22~27击表3工程2碎石桩重型圆锥动力触探（N63.5）成果土层状况素填土（含砂粉粉质粘土）段粉土（砂）段深度0~3m3~10m试桩击数2~6击5~9击大面积施工后击击数7~16击11~44击表4试压荷载为280kPa时总沉降量不同工况下沉降降量工程1工程2试桩时荷载为2280kPPa时总沉降降量(mm)90~10494~137大面积施工后荷荷载为280kkPa时总沉降降量(mm)11~2116~37从表1~3可以看出，大面积施工后桩间淤泥的物理性状较试桩后仍有较大改善，素填土及含砂亚粘土的物理性能指标变化不大，但压缩模量及重型动力触探击数有较大提高，从表4可以推断复合地基的承载力特征值肯定也有提高。笔者认为以下几个因素可能导致了这种改善：①地下水位的降低。前述工程1、2试桩时桩孔内水位很高，基本上距孔口均不足1m，大面积施工后，由于碎石桩的排水及蒸发作用，地下水位均下降了1~2m。地下水位下降相当于对土层进行了预压，改善了土的性状。随着土体强度的增加，土体对碎石桩的约束增强了，所以碎石桩的强度也增加了。此外，表层土失水干燥后可以碾压得更密实，能够有效地提高承载力特征值。②固结作用与触变效应。试桩检验一般在试桩完成28天后检验，而大面积施工时竣工检验往往在施工几个月后。由于淤泥的灵敏度高，触变性强，其强度恢复的时间也较长。淤泥的固结度随着时间而提高，若达到完全固结，在排水条件良好的情况下往往需要几个月的时间，在这几个月的时间中，淤泥的强度在不断提高。③挤密及振密作用。试桩的数量很少，对桩间土进行的挤密及振密作用自然无法与大面积施工时相比。此外，后施工的桩对先施工的桩有振密作用，大面积施工时效果显然也更好。设计时通常以试桩时取得的各种参数作为指导大面积施工的技术参数。这种作法是偏于安全的，但有时会造成保守，从而增加了工程造价。2载荷板宽度表5是前述两个工程试桩时进行的静荷载试验成果。相对变形值s/b＝0.02时对应的荷载即对于1m×1m板、2m×2m板沉降量绝对值分别为20mm、40mm时对应的荷载。表5荷载板尺寸最大试验荷载((kPa))总沉降量(mmm)第一级荷载(kkPa)第一级荷载下沉沉降(mm)第一级荷载下沉沉降量占s=0..02b比例回弹率s/b=0.002时的荷载(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从表5可以看出，按相对变形值确定复合地基承载力特征值时，宽度大的荷载板得到的特征值要大一些。试验时先做1m板，后做2m板，由于试桩区面积小，所以并不能排除做1m板时应力扩散引起地基土强度提高的可能性。但这种影响或许很小，主要因为试验间隔时间较短，桩间土强度还来不及提高。当按s/b值确定复合地基承载力特征值时，按弹性力学理论，特征值应与荷载宽度的绝对值无关。在地基处理等规范中，对荷载试验的荷载板的宽度没有加以限定。但实际情况也许并不完全符合弹性力学理论的假设条件。笔者一直认为载荷板宽度对载荷试验成果有较大影响，即当其它条件完全相同时，按宽度大的载荷板得到的复合地基承载力特征值要更大一些，并试图对这种现象进行过解释（参见《地基处理》2004年9月《对复合地基荷载试验标准的一些探讨》一文）。笔者认为，主要可能是不同深度复合地基强度的差异性导致了这一现象。一般来说，桩、土及复合地基的强度在表层总是要低一些，在自重应力等的作用下，随着深度增加而提高。设复合地基表面较松散层的厚度为H1，根据沉降计算公式s1=Δp×H／Es，1m板与2m板的附加应力Δp相同，故沉降量s1相同。当相对变形值一定时相应的沉降绝对值随板宽不同而不同，如当取s/b=0.02时，1m板及2m板s的绝对值分别为20mm及40mm。s1占s的比例不同，即质量较差的表层对不同宽度的荷载板的沉降的影响不同，对板宽小的荷载板试验的影响要大一些。同时，由于宽度大的荷载板的影响深度更深，而随深度增加土及复合地基的强度一般会增高，较深处“好土”的沉降占s的比例随着载荷板宽度的增大而增加，即“好土”对s的影响要更大一些。3桩顶路基处理完成后要进行质量检验。当使用静载荷试验进行承载力检验时，检验荷载通常远大于路基的使用荷载。xx地区路基处理的检验荷载一般为120kPa~140kPa。碎石桩桩顶1~2m范围内由于约束较弱形成松散层，该层对承载力检验的影响至关重要。碎石桩在淤泥类软弱土层中形成的复合地基，如果桩顶不进行处理，其承载力及回弹模量仍很低，上述工程1大面积施工后在淤泥层顶面上进行了2m板的复合地基载荷试验，尽管淤泥的性状得到了很大的改善，但承载力特征值仅45kPa（原状淤泥承载力特征值＜35kPa）。当淤泥上覆素填土厚度达50cm时，试验承载力特征值为98kPa。上覆素填土厚度达1m以上时，试验承载力特征值均大于140kPa。淤泥上覆素填土碾压后形成了应力扩散垫层，从而使复合地基承载力大幅度提高。该垫层的作用不同于通常在桩顶上设置的砂石垫层。砂石垫层的主要作用一是作为路堤与软基之间的水平排水通道，排出孔隙水以保护路堤，二是作为复合地基的褥垫层，协调桩体与土体更好地共同工作，其厚度通常30~50cm。但上述应力扩散垫层的主要作用是扩散检验荷载，提高回弹模量，满足承载力检验及工后使用荷载的要求。该应力扩散垫层一般较厚，可与砂石垫层相结合。由于淤泥类软土不能通过碾压或夯实手段得到密实，通常要挖除换填。工程1为了满足检验及使用要求，在淤泥层上覆土厚度不足1m的区域均进行了桩顶换填，换填垫层厚度1.3m，换填垫层底层为50cm碎石，中间为10cm石粉渣填缝层，以上为70cm素土。换填厚度按换填垫层法计算，扩散角按30°考虑。换填后试验承载力特征值达到了140kPa。即使在较好的土层中，也要重视桩顶松散层的夯密压实工作。振动沉管桩机对土层除了挤密振密作用外，还有振松作用。工程2试桩时对桩间土的土工试验参数如表6所示。从表中可以看出，表层素填土（0~3m）的性状指标几乎全部下降，较深处（＞3m）的粉土的性状指标几乎全部提高。施工后如果桩顶松散层没有得到夯实压密，地基处理后承载力反而会下降。前述工程1、工程2试桩时载荷试验第一级荷载下的沉降量明显偏大，回弹率偏低，说明了桩顶松散层没有压实。实际情况也确实如此。由于试桩区面积小，地下水位较高很难降低，压实机械很难作业，所以表层土没有得到密实，这样就造成了载荷试验得到的复合地基承载力特征值偏低。为减少这种影响，笔者一直认为载荷试验时应先按总荷载的10%~20%进行预压。表6工程2试桩时桩间土的土工试验参数土层施工状况含水量w(%))湿重度ρ0(kN/m3)干重度ρd(kN/m3)孔隙比e0塑性指数Ip液性指数IL压缩模量Es(MPa)素填土试桩前19.519.916.60.60111.0<04.66试桩后21.518.415.10.52811.8<03.50粉土(砂)试桩前24.719.015.20.7518.41.315.35试桩后19.720.517.10.5486.90.836.244桩间土对淤泥等软土进行碎石桩处理的设计思路有两种，一种是在淤泥中形成竖向排水通道，如同塑料排水板或袋装砂井一样，之后往往再进行加载预压，另一种是形成复合地基，为了达到较高的承载力，需要较大的置换率。地基处理规范对后一种设计方法进行了规定，复合地基承载力特征值可根据桩及处理后桩间土的承载力特征值乘以置换率确定。软土中碎石桩的单桩承载力很低，当置换率较低时，其置换作用对复合地基的贡献有限。在工程1进行的十几个荷载试验中，看不出荷载板放置在碎石桩上与放置在桩间所得到的承载力特征值有什么区别。可以说，低置换率碎石桩对软土复合地基的影响主要是依靠桩间土特性的改善，这样，设计时就必须要考虑桩间土性状的改善程度了。xx西部通道填海与软基处理工程中，填石路堤两侧的三角体打设了碎石桩，直径Φ400，长度最长约20m，正三角形布置，间距1.5m，场地处理采用正三角形布置间距1m的塑料排水板。碎石桩打设后与场地同时进行堆载预压。观测与试验资料表明碎石桩对桩间淤泥的改善效果强于塑料排水板。前述工程1没有进行加载预压，桩间淤泥的性状仍得到了大幅度的改善，如表1所示，十字板剪切对比试验成果如表7所示。但这种改善事先无法准确预测，如同排水预压对地基土的改善效果无法准确预测一样，要通过试桩前后的对比试验进行分析比较。这往往需要牺牲工期，建设方一般是不情愿的。实际上，在软土中进行低置换率碎石桩复合地基设计时，目前基本上依据设计人员的工程经验，尚无成熟的理论可依循。表7十字板剪切试验成果土层十字板剪切强度度Cu(kkPa)灵敏度试桩前试桩后试桩前试桩后素填土53.862.72.52.1淤泥32.648.23.22.1含砂亚粘土109.0102.22.01.96重型动力触探工程1进行了近百条桩的重型动力触探（N63.5），基本上均呈现了击数大体上随着桩深的增加而增加的规律，同时看不出在淤泥层中的击数较在其它土层中低，如表2