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沖擊引孔輔助振沖工藝處理復(fù)雜地層液化技術(shù)

2016-02-05 02:25:32陳紅超
天津建設(shè)科技 2016年6期
關(guān)鍵詞:模量液化碎石

□文/陳紅超

沖擊引孔輔助振沖工藝處理復(fù)雜地層液化技術(shù)

□文/陳紅超

為消除處于震區(qū)的某水電站下臥軟弱液化層的危害,工程需要穿透上部深厚漂卵石覆蓋層,對下部液化砂層進(jìn)行處置。采用沖擊引孔結(jié)合振沖工藝在工程現(xiàn)場進(jìn)行試驗,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與對比,驗證了該工藝處理復(fù)雜液化地層的可行性。

振沖;液化;復(fù)雜地層;沖擊;引孔

振沖工藝對碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土及濕陷性土等地基加固處理、各類可液化土的加密和抗液化處理,已經(jīng)在多個國家多個領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。

楊玉光等[1]介紹了振沖碎石樁在大沙河倒虹吸工程中的應(yīng)用,采用ZCQ-75KW振沖器,連續(xù)填料、強(qiáng)迫制樁施工工藝,平均制樁深度為基礎(chǔ)墊層以下5 m,檢測結(jié)果滿足工程要求。陳東乾[2]介紹了平潭長江澳風(fēng)電廠振沖地基處理方案,設(shè)計樁長9 m,樁徑0.7 m,采用ZCQ-30KW振沖器成樁,消除了砂土液化。許詩貴[3]介紹了杞麓湖隧道進(jìn)口基礎(chǔ)處理方法,地基為第四系湖積層,系可塑及軟塑狀淤泥質(zhì)粘土,采用ZCQ-50KW振沖器,振沖深度5~12 m,通過檢測,振沖樁的密實度、承載力及沉降量均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。林代銳[4]結(jié)合工程實例介紹了振沖碎石樁在砂土地基處理中的應(yīng)用,主要采用ZCQ-30KW,在粘土和粉細(xì)砂地基中制樁長度約6 m,檢測結(jié)果表明加固后地基抗液化性質(zhì)良好。上述工程主要在砂土、淤泥質(zhì)土等相對單一軟弱層中利用振沖工藝處置,工藝較為成熟,工程質(zhì)量可靠。對于孤漂卵石層下臥的液化砂層處置,單靠振沖工藝無法滿足要求。在陰坪水電站首部樞紐工程項目上對這種復(fù)雜地層液化處置進(jìn)行了試驗研究。

1 工程概況

陰坪水電站首部樞紐位于北部文縣弧形構(gòu)造帶、西部岷江—雪山—虎牙斷裂帶和東南部龍門山斷裂帶所圍限的楔形地塊的中南部,地震頻發(fā)。樞紐地層情況復(fù)雜,地基自上而下分8層,在地基⑦、⑥層中有大量孤漂石及漂木,振沖碎石樁底線應(yīng)穿過⑤層(液化砂層)底線至少1 m,振沖器無法直接貫入,利用擊成孔輔助振沖工藝進(jìn)行現(xiàn)場試驗。

2 地質(zhì)勘察

2.1 原始覆蓋層物理力學(xué)性能

經(jīng)現(xiàn)場勘察,試驗水電站閘壩區(qū)原始地層性能參數(shù)見表1。

表1 閘壩區(qū)原始覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)

地層結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜,存在軟弱下臥層,承載力、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度低且存在液化層。

2.2 地層分布

河谷呈不對稱“U”型,為較典型的橫向谷。河床覆蓋層主要由砂卵礫石、砂及壤土組成,自上而下分為8層。

1)⑧層。褐黃色粉砂質(zhì)壤土層,鉆孔揭示該層厚0~5.92 m。結(jié)構(gòu)疏松,為崩坡積、沖積混合成因。碎礫石主要為二云母石英片巖,土為淺黃色壤土,可見大量植物根系。

2)⑦層。含漂砂卵礫石層,厚2.83~8.25 m,該層結(jié)構(gòu)較松散,漂(塊)卵礫石粒徑20~30 cm,卵石粒徑5~8 cm、礫石粒徑0.5~1 cm,圓~次圓狀;砂為灰褐色中細(xì)砂。

3)⑥層。深灰色粉砂質(zhì)壤土層,厚0~8.78 m,最小埋深3.15 m。結(jié)構(gòu)較緊密,含水量較高,呈軟塑~流塑狀,含有機(jī)質(zhì)。

4)⑤層。砂層,厚2.37~20.16 m,最小埋深4.9 m,分布較連續(xù),河床附近較厚,向岸坡方向變薄,上游較厚達(dá)18.83~20.16 m,下游變薄僅2.37 m。該層主要為灰褐~黃褐色粉細(xì)砂~中粗砂,二者界限不明顯,以粉細(xì)砂夾中粗砂透鏡體更常見。該層結(jié)構(gòu)較松散,見3~5 cm碎石包含物。

5)④層。深灰色粉砂質(zhì)壤土層,層厚0~8.52 m,最小埋深9.1 m。該層結(jié)構(gòu)較緊密,多呈硬塑狀。

6)③層。塊碎石土層,分布較連續(xù),層厚0~8.47 m,塊石粒徑40~60 cm;碎石粒徑3~10 cm,多呈棱角狀,部分呈次圓狀;礫石粒徑1~2 cm,次棱角狀;土為砂土。

7)②層。深灰色粉砂質(zhì)壤土層,層厚0~18.0 m,該層結(jié)構(gòu)緊密,多呈硬塑狀。

8)①層。含漂砂卵礫石層,分布于河谷底部,該層厚度變化較大,厚0~55.21 m。漂石粒徑30~50 cm;卵石粒徑5~15 cm及2~3c m。

3 設(shè)計要求

要求處理后的第⑤、⑥層復(fù)合地基壓縮模量和抗剪強(qiáng)度比原土層有較大提高;復(fù)合地基⑤、⑥層分層承載力>0.35 MPa并具有抗液化能力。故采取振沖碎石樁工藝對地基進(jìn)行處理。

4 振沖碎石樁作用原理

4.1 抗液化

針對砂性土及少粘性土,振沖法主要是通過振密、排水減壓以及預(yù)振效應(yīng)增強(qiáng)抗液化能力。

4.2 改善復(fù)合地基工程性態(tài)

針對復(fù)合地基工程特性,振沖碎石樁主要功能有減少地基的沉降和不均勻沉降,提高地基的承載力與穩(wěn)定性以及發(fā)揮墊層作用。

4.2.1 減少地基的沉降和不均勻沉降

復(fù)合土層的壓縮模量[5]

n——樁土應(yīng)力比,σp/σs=n,σp為樁頂壓力,σs為樁間土上壓力;

Ep——復(fù)合地基中碎石樁的壓縮模量,MPa;

Es——樁間土的壓縮模量,MPa。

由式(1)可知,復(fù)合土層的壓縮模量大于原土的壓縮模量且隨置換率m、樁土應(yīng)力比n的增大而增大,即樁愈密,樁愈強(qiáng)硬,復(fù)合地基的沉降就愈小,相應(yīng)的不均勻沉降也隨之減少。

4.2.2 增大地基承載力與穩(wěn)定性

1)復(fù)合地基的承載力[5]

軟弱層承載力較低,要求作用在頂面處的附加應(yīng)力及自重應(yīng)力之和不超過此層修正后的承載力。

式中:Pz——軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值;對于矩形基礎(chǔ)kPa;其中P0為基底平均應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;b為基礎(chǔ)底面寬度,m;l為矩形基礎(chǔ)底邊長度,m;θ為地基壓力擴(kuò)散角,(°);對于z<0.25b、θ=0,Pcz為軟弱下臥層頂面處的自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;

faz——軟弱下臥層頂面處的經(jīng)深度修正后地基承載力特征值,kPa;

fak——地基承載力特征值,kPa;

ηb、ηd——基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù);

r、rm——基礎(chǔ)以下土的重度和基礎(chǔ)以上土的加權(quán)平均重度,地下水位以下取浮重度,kN/m3;

d——基礎(chǔ)埋置深度,m。

2)振沖樁復(fù)合地基的承載力[5]

式中:fsp,k——復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值,實為樁土共同協(xié)調(diào)的承載力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;

m——面積置換率;

n——樁土應(yīng)力比;

fsk——樁間土承載力特征值,kPa;

fpk——樁體單位截面積承載力特征值,kPa。

3)復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度Ssp為碎石樁體與樁間土抗剪強(qiáng)度共同組成[5]

復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

式中:CspCs——復(fù)合土體和樁間土的凝聚力;kPa;

μp——應(yīng)力集中系數(shù);

P——復(fù)合地基上作用荷載的平均強(qiáng)度,kPa;

rp——碎石樁密度,kg/m3;

Z——柱條復(fù)合土體的研究點的弧段深度,m;

θ——滑動面在地基某深度處的剪切面與水平面的夾角,(°);

φs、φp——樁間土和碎石樁的內(nèi)摩擦角,(°);

m——面積置換率;

n——樁土應(yīng)力比。

5 振沖碎石樁試驗方案

5.1 樁孔布置

振沖碎石樁以等邊三角形布置,設(shè)計成樁直徑為1 m,樁間距為1.5 m,振沖碎石樁底線應(yīng)穿過⑤層(砂層)底線至少1 m。在試驗施工區(qū)鉆5個檢測孔,其中JBT1、JBT2做地震波速測試、樁間土標(biāo)貫、注水試驗并取芯,JBZ1、JBZ2、JBZ3做樁身觸探,JBZ2做樁身取芯,檢測鉆孔布置見圖1。

圖1 試驗孔布置

5.2 填料要求

采用具有良好級配的碎石,其飽和抗壓強(qiáng)度>40 MPa,含泥量(<0.075 mm)≯5%且無腐蝕性、性能穩(wěn)定,不得使用強(qiáng)風(fēng)化易軟化的石料。材料粒徑20~100 mm,個別最大粒徑≯120 mm。

5.3 振沖施工參數(shù)

振沖施工參數(shù)見表2。

表2 振沖施工參數(shù)

5.4 振沖施工流程

振沖施工流程見圖2。

圖2 振沖施工工藝流程

6 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表3-表6。

表3 振沖試驗樁間土標(biāo)貫成果(修正后)

表4 振沖試驗區(qū)JBT1鉆孔地震波速砂土液化判別

續(xù)表4

表5 振沖試驗樁身(超)重力觸探試驗成果

表6 振沖試驗區(qū)單樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果

7 結(jié)論

1)復(fù)合地基承載力驗算滿足工程要求。

2)經(jīng)過振沖處理后,第5、6層承載力、抗剪強(qiáng)度較原地層明顯提升。

3)通過前后地震波速數(shù)據(jù)分析,第5、6層經(jīng)振沖工藝處理后基本消除了液化風(fēng)險,滿足了工程需要。

4)通過試驗可知,沖擊鉆引孔輔助振沖工藝,可以有效地克服復(fù)雜地層,處理其下臥軟弱液化層。

[1]楊玉光,魏鳴冬,陳忠文,等.振沖碎石樁在大沙河倒虹吸工程中的應(yīng)用[J].東北水利水電,2005,23(12):25-26.

[2]陳冬乾.振沖碎石樁在平潭長江澳風(fēng)電場的應(yīng)用[J].電力勘察設(shè)計,2005,(6):19-22.

[3]許詩貴.振沖樁在杞麓湖隧道進(jìn)口基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用[J].云南水力發(fā)電,2006,22(3):29-33.

[4]林代銳.振沖碎石樁在砂土地基處理中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)與管理,2006,(25):16-17.

[5]何廣訥.振沖碎石樁復(fù)合地基[M].北京:人民交通出版社,2001.

TU472

C

1008-3197(2016)06-68-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2016.06.023

2016-10-31

陳紅超/男,1981年出生,工程師,中國水電基礎(chǔ)局有限公司,從事工程技術(shù)管理工作。

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