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岩土研究院

振动沉管碎石桩联合强夯加固深厚软土地基

366 2022-05-25 09:44:39

(一)工程地质概况

某4×55MW 地处近海的火电厂。位于第四纪冲洪积形成的场地上。工程地质勘探表明,场地自上而下主要土层分别为;


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(1)冲填土层。新近冲填而成,呈流塑状,固结度仅 30%~50%,含大量有机质,厚1.2~3.0m。

(2)粉土层。软塑,饱和,具有触变性,属中等压缩性土,十字板剪切强度为17kPa,地基承载力标准值为95~110kPa,厚约 8m。

(3)淤泥质粉质粘土层。呈软~流塑状,具有流变性,灵敏度较高,属高压缩性土,地基承载力标准值为85kPa,层厚 3.5~4m,层顶标高约一10m。

(4)粉土层。可塑~硬塑状,土层由中等压缩性逐渐过渡到低压缩性。地基承载力标准值达180kPa。


由于场地压缩性大,地基承载力低,不能满足建筑物对地基的设计要求,因此必须进行加固处理。


(二)地基处理方案

经对多种加固方案的分析比较,认为振动沉管碎石桩具有投资费用低,施工周期短、不污染环境等优点。决定采用振动沉管法施工碎石桩。同时。考虑到地表冲填十的固结唐和

渗透系数均很低;而且覆盖压力和不排水抗剪强度值很小,对碎石桩的约束力较差,影响上部碎石桩的密实性和复合地基的承载力;所以决定在碎石桩地基上再进行低能级的强夯处理,以增强上部碎石桩体的密实性和加速软土地基的排水固结,提高地基承载力和降低压缩性。


(三)地基处理方案

为了给加固设计提供可靠的参数,在地基处理前先进行了加固方案的原位对比试验。试验采用功率为 50kW的瑞安产 DZ-50型振动沉管打桩机作为成桩机械,沉管直径为400mm。碎石桩按梅花型布桩,桩距为1.1m,分别采用15m 和10m 二种桩长进行对比试验。碎石填料选用粒径为20~50mm、含泥量不大于5%的级配碎石。


振动沉管碎石桩施工前,为便于打桩机进人场地,先提前1个月插打了三角形布置、间距为1m、深3m 的塑料排水板,再上铺设30~50cm 的碎石垫层,以加速表层流塑状冲填土的排水固结,提高承载力。


振动沉管碎石桩施工后,再采用底面积为 4m2、重 13.5kN 的重锤以 9m 的落距(能量为1200kN·m)进行普夯,每夯点夯二击,搭夯1/4 夯锤。


振动沉管碎石桩施工中,受施工中沉管和拔管振动的影响,饱和粉土层发生液化,地表出现冒砂和沉陷,地表沉陷约 25~30cm。强夯时,随着夯击能在土中的转化,土体发生压缩,孔隙水压上升,并造成土体的再次液化和土体结构的破坏。土中水渗出,并沿着碎石桩形成的排水通道流出土体。由于强夯造成的强制排水固结,土层表面又发生了40cm 的沉陷,前后地表共下沉约 65~70cm。


(四)地基加固效果

为了对比两种加固方案的优劣,为火电厂地基加固提供可靠的依据,在试验场地加固结束后 40天,场地土强度基本恢复并有所提高的情况下,进行了包括静载试验、动力和静力触探试验以及室内土工试验,以评定加固效果。


(1)静力荷载试验

静力荷载试验包括复合地基载荷试验、单桩载荷试验和桩间土载荷试验。


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复合地基载荷试验采用 2.2m×2.2m 的大型载荷板以堆载法在施工地表下 60cm 处进行。复合地基载荷试验 p-s曲线见图7-70。由图7-70 可见,1Om长碎石桩加固区与15m 长碎石桩加固区复合地基极 限承载力基本相同,均为360kPa,约为天然地基的 2 倍,由于复合地基极限承载力可确定且小于s/b=0.02时对应比例极限荷载的1.5倍,因而复合地基的承载力基本值取极限荷载的一半,即180kPa。处理后,复合地基的变形模量由1.2MPa分别增至 18.3MPa(10m桩加固区)和19.4MPa(15m 桩加固区)。由复合地基静载试验可见,碎石桩桩长超过临界桩长后,桩长的增加并不能明显提高复合地基的承载力。这是因为在有足够大的刚性基础底面积时,复合地基一般不会发生桩体刺人破体,地基的破坏形式主要表现为桩体的侧向鼓胀破坏,也即刚性基础下复合地基承载力的大小主要取决于桩周土体对碎石桩的侧向约束能力或者说是桩体的竖向变形。因此,在相同桩间土的条件下,桩间土对桩体的约束能力是相同的,通过增长桩体的长度并不能明显提高复合地基的承载力。但是增加桩长,也就是增加了复合地基的厚度,从而可以改善地基的最终沉降量。所以,15m 长碎石桩加固区的压缩模量略大于10m 长碎石桩加固区。


图 7-71是以直径为 500mm 的圆型小载荷板按堆载法试验测得的单桩 p-s曲线。由单桩载荷试验 p-s曲线可见,10m 长的碎石桩与15m 长的碎石桩极限承载力基本相同,其承载力基本值均为 500kPa左右,桩长对承载力没有太大的影响。相反,由于15m长的碎石桩下部1/3桩长位于高灵敏度的触变性土层中,施工造成了下卧土体结构的强烈破坏,使桩体坐落在较为软弱的高压缩性土层上,所以单桩的沉降量和承载力相对较低。


图7-72 为由直径为 500mm 的小型圆形载荷板按堆载法测得的桩间土的 p-s曲线。


试验表明,采用10m长碎石桩加固方案较采用15m 长碎石桩加固方案桩间土承载力更高。10m 长桩加固方案,桩间土承载力标准值和变形模量分别为 519.7kPa 和24.8MPa;15m 长桩加固方案,桩间土承载力标准值和变形模量分别为346.5kPa 和16.6MPa。


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〔2)标准贯人试验

图7-73为加固前后复合地基与天然地基标贯值的对比曲线。


由图7-73可见,处理后地基土在桩深范围内标贯值都有.明显提高,在 10m 深度的土层中,10m 长碎石桩加固区的土层平均标贯值高于15m 长碎石桩加固区。


(3)静力触探试验

图7-74 所示分别为 10m 长和 15m长碎石桩加固区土层的静力触探曲线与天然地基的静力触探曲线。由图可见,加固后,自地表至11m 深处,静力触探比贯入阻力有了明显的增大。


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(4)室内士工试验

图7-75 和图7-76分别表明10m 和 15m 长碎石桩加固区加固前后土体的孔隙比和压缩模量的变化曲线。图 7-75表明,在桩长范围内由于碎石桩与强夯的共同作用,土体孔隙比阴显减小,土体的密实度明显提高,并且孔隙比的影响深度均超过桩的加固长度。


图7-76表明加固后土体的压缩模量在加固范围内普遍有较大提高,且 10m 长桩加固区的压缩模量较15m长桩加固区提高得多。在 10~12m 左右的范围内,由于为流变性的高灵敏度的淤泥质土,经施工的扰动,土体强度遭到严重的破坏,其强度和结构性的恢复还要经历较长的时间,因而其力学指标较低。


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通过以上的对比试验,认为采用10m 长的碎石桩加固方案比15m 长碎石桩加固方案更为经济,且加固效果也更好,所以在火电厂辅助、附属建筑物和储煤场,决定采用10m 长碎石桩满堂布桩并加低能级普夯的加固方案进行地基处理。


经过地基的加固处理,附属和辅助建筑物及储煤场建成使用后,地基沉降均匀平稳,没有出现明显的不均匀沉降,地基处理取得了圆满的成功,并取得了良好的经济效益。