改进型振冲挤密桩施工研究

发表时间:2019/5/8   来源:《防护工程》2019年第2期   作者:杨建栋
[导读] 总结出了一项分层降水结合振冲挤密砂桩的施工工艺(以下简称改进型振冲挤密砂桩),有效克服了传统振冲挤密砂桩的技术缺陷。

中铁六局集团路桥建设有限公司  湖南省长沙市  410007
  摘要:改进型振冲挤密砂桩属于一种全新的地基处理技术,该技术采用分层降水结合振冲挤密砂桩、信息化监测的方法,对施工区域内的土体进行降水,在地下水位下降、土体含水量降低的条件下,通过填料振冲砂桩的方法结合强夯的方法,形成复合地基提高地基土的承载力特征值。
  关键词:软土地基;分层降水;填料振冲;强夯;信息化
  
  
  1 引言
  目前,振冲挤密砂桩是一项相对成熟的地基处理技术,该技术适用于处理松砂地基,加固松砂地基时在振冲器反复水平振动和冲水的作用下,使周围土体在径向的一定范围内出现瞬间的结构破坏,抗剪强度降低,土颗粒重新排列,相对密度提高,达到提高强度、减少沉降、防止液化的加固目的的方法。但该工艺对于天然含水量高,具有流变性、低透水性、低强度和不均匀性的地层往往无可奈何,鉴于上述情况,我们通过玉磨铁路站前I标研和车站的试验段施工,总结出了一项分层降水结合振冲挤密砂桩的施工工艺(以下简称改进型振冲挤密砂桩),有效克服了传统振冲挤密砂桩的技术缺陷。
  2 工程案例概述
  2.1 工程概况
  由中铁六局承建的玉磨铁路站前I标研和车站笨大货物区场坪均为高填方路堤,填土高度8~14m。该段路堤下有较厚的软土地基和地方灌溉用池塘。
  2.2 地质概况
  根据地质资料显示,场地所分布的地层主要为:
  ①2层素填土(砂)(Qml);②层淤泥(Q m);③层粉质粘土(Q al+pl);④层残积砂质粘性土(Q el);⑤1层全风化花岗岩(γ 2);⑤2层碎屑状强风化花岗岩(γ52)。
  2.3 地质分析
  2.3.1不良地质条件
  (1)软土
  勘探区上部大部分地区分布淤泥、吹填淤泥,具高压缩性、高含水量、高孔隙比等特性,且厚度变化大,工程地质性质极差,在荷载作用下会产生过量沉降,并可能产生滑移等现象。
  (2)吹填砂
  分布于场地西部,密实度差,工程地质性能差。未经处理不宜作为基础的持力层。
  (3)素填土
  主要分布在场地西部,土质软硬不均,厚度变化大,工程地质性能差。未经处理不宜作为基础的持力层。
  2.3.2场地地下水条件概述
  场地地下水类型为孔隙、裂隙潜水。孔隙水主要赋存运移于上覆土层孔隙之中;裂隙潜水主要赋存运移于场地下部各基岩风化带裂隙之中。
  场地内的①2层素填土(砂)属强透水和强含水层,①1层冲填土和②层淤泥属不透水层;③层粉质粘土及残积砂质黏性土均属弱透水弱含水层;基岩风化带中的裂隙水其渗透性、富水性与基岩的裂隙发育程度及连通性有关,据钻探揭露基岩风化带属弱透水和弱含水层。海水与地下水有一定水力联系,但受上部隔水层阻隔,联系不大。
  2.4 技术指标
  根据勘察报告揭示的地质条件,研和车站笨大货物区软基处理工程主要是解决①~②层软弱土层,试验区加固深度达15m左右,通过改进型振冲挤密砂桩法加固,预期达到以下技术指标:
  (1)处理深度:15m范围内
  (2)处理后的土层地基承载力特征值(fak)≥70KPa/m
  (3)工后沉降小于20cm
  通过试验获得改进型挤密砂桩各项技术参数的条件下,桩间土的天然地基承载力特征值以及经改进型振冲挤密砂桩后土体各项物理力学指标变化参数,为改进型振冲挤密砂桩这一软土地基加固技术提供设计依据。
  3 工程难点、重点分析及对策
  3.1 本工程特点
  ①层流塑状粉质粘土,均匀性差,层厚达5m,无法满足机械设备进入。
  ②层土为淤泥土,层厚较深,天然含水量高,具有流变性、低透水性、低强度和不均匀性的特点。该层土除自然排水固结引起变形外,在剪切应力作用下还会发生缓慢而长久的剪切变形,对地基沉降、不均匀沉降及地基稳定性均有不利影响。
  3.2 施工对策
  3.2.1 先制作硬壳层,硬壳层的制作关系到后续设备进入施工的成败,因此有两种方法:优先方法为按10m间距开挖大明沟,明沟深2m,沟宽1.5m.明沟挖出的土堆放在沟间晾晒。沟内明排水,待表层土体晾干后用推土机将晾晒的土推平压实;然后进入强夯设备进行低能强夯施工,以满足机械设备安全施工的基本地基承载力要求。备用方法采取在原土上铺垫筋笆1~2层后铺垫1.0~1.5m砂层压实后,为施工机械安全进入施工创造条件。
  3.2.2 在改进型振冲挤密砂桩施工过程中,利用料管的激振能量扰动淤泥等软土的原状土体结构,提高淤泥等软土的渗透系数;同时将试验区分为A区、B区。A区通过设置的分层真空降水进行抽真空降水,B区通过设置管井进行降水,解决②层土在夯击过程中产生的超静孔隙压力水,加快②层土的固结。
  3.2.3 改进型振冲挤密砂桩填料采用一定配比的现场砂土料作为竖向排水通道以加快②层土的固结,并形成复合地基。
  4 设备选型
  4.1 降水设备
  ①水汽分离真空抽水设备选择:降水设备为大功率带平衡装置的W型可调抽真空系统(非轻型井点降水系统),系统包含大功率高真空泵、平衡器、潜水泵等,并须达到以下的指标:
  真空度:0~750mmHg(可调);
  真空泵排气量:S1≥100L/S(电动功率:≥15KW);
  平衡参数:0.2~1.0(可根据影响范围进行调整);
  出水输送距离:>400m。
  ②水汽分离控制器为专用设备。
  4.2 改进型振动砂桩设备
  ①90型双电机振动砂桩机(非走管机械),液压步履,接地比满足≤4T/平方。
  ②料管管径600mm,入土活页瓣出料方式。
  ③料管内置柱状锤直径500mm,锤高2~3m。
  4.3 强夯设备
  满足夯击能1500~3000KN.m。
  5 改进型振冲挤密砂桩施工工艺
  5.1 工艺流程
  根据现场情况,改进型振冲挤密砂桩施工工艺流程为:施工准备→制作硬壳层→分层降水或管井降水→填料振冲→浅层强夯→交付检测。
  5.2 施工工艺
  5.2.1施工准备
  根据试验大纲,确定试验区域测量控制点和各监测仪器的布置位置。
  5.2.2制作硬壳层
  确定明沟开挖、按10m间距开挖大明沟,明沟深2m,沟宽1.5m.明沟挖出的土堆放在沟间晾晒。沟内明排水,待表层土体固结后用推土机将晾晒的土推平压实;然后进入强夯设备进行低能强夯施工,以满足机械设备安全施工的基本地基承载力要求。


低能强夯采取两遍点夯,A区夯点布置为4×4m,B区夯点布置为4.5×4.5m,夯击能量设定在1200-1800KN.m。一遍夯后推平及孔压消散后进行第二遍点夯。如点夯不可行采取备用方案铺设垫砂层,厚度在1-1.5m,以满足机械设备安全施工的基本地基承载力要求。
  5.2.3降水
  (1)A区分层降水
  ①设置分层降水井点:降水井点采用管径32mm的尼龙管、PVC或铁管,下端管壁开孔,制作滤水孔,滤孔外用80~100目的尼龙滤网包裹2~3层形成滤水器。根据地质条件及加固深度为③层土以上,暂定每孔内分别投入15m、12m、8m、4m四根不同长度的井点,形成分层降水井点。其中15m、12m采用尼龙管或PVC管;8m、4m管可采用铁管,以利重复利用,降低工程造价。井管入土深度及分层可根据③层土的位置确定。
  ②施打降水井点:降水井点布置配合振冲挤密桩点确定,根据试验大纲要求,布点间距3.0m×3.0m,井点入土深为③层土以上,不得插入③层土;施打降水井点设备可采用插板机,利用插板机插塑料排水板的振动铁管,将15m、12m降水滤管投入在铁管中,并灌入滤料,滤料为中粗砂。然后振动上拔振动铁管,15m、12m降水井点随钢管振动上拔而置入土体;8m、4m降水井点,在插板机完成深层井管设置拔出后,采用水冲法或直接投入孔内即可。在一孔内形成15m、12m、8m、4m分层降水井点。
  ③分层降水:完成分层降水井点入土后,即可连接支管,各支管连接主管,主管采用管径为50mm的PVC管材,每一分层组成一回路,形成15m、12m、8m、4m四个回路连接各回路真空泵,形成分层降水网络。由于降深达15m~12m,且需在振动挤密砂桩过程中保持真空降水,因此要求采用往复式W-4真空泵,并配置水汽分离储罐,使降水设备不因振动挤密砂桩施工过程中产生的大量泥砂混合物不被抽入真空泵内,通过水汽分离储罐将水和泥砂混合物分离,确保真空泵设备的正常运转,从而保证施工质量。
  (2)B区管井降水
  真空管井设置:管井采用高强度PVC波丝毫滤管,直径为225mm,管井入土深至③层土,在试验区边线处设置管井,井布置为9*9m。
  定位:根据设计的井位及现场实际情况,准确定出各井位置,并做好标记。
  成孔:潜水钻机依据所定井位就位成孔,一般粘土可采用原土造浆,必须经常向井内补充清水,始终保持井内充满泥浆,防止井壁塌方。
  清孔:钻孔完毕,应立即向井内放置潜水泵清孔,潜水泵应放置在井的底部,抽出井内泥浆,以防井内淤泥积沉井底,影响井深。清孔过程中,随着井内水位下降,不断向井内注入等量清水,确保井内满水,直至抽出比重为1:l的泥浆为止,停止抽水,测量井深,井深不足,必须复钻,重新清孔,直至达到设计井深为止。
  设置滤孔:在高强度PVC波纹滤管按30cm等分间距打设滤水孔,并滤管外侧包两层80~100目的滤网,完成后即可进入下一步骤。
  下滤管:清孔完毕,井深达到设计要求后,立即开始下滤管。安放滤管时,用交叉成十字形8#铁丝,托在第一节滤管底部,缓缓下放铁丝,滤管随着铁丝在重力作用下缓缓下沉,同时,两人手扶滤管,注意防止滤管碰撞井壁。待第一节滤管上口与井口平齐时,安放第二节滤管于第一节滤管之上,用12#铁丝将滤管捆牢。下滤管过程中,必须保证滤管外包两层滤网,滤管绑扎牢固,不得错位。最后一节为水汽分离控制端盖,管口高出自然地坪50cm,以连接水气分离控制端,并通过控制端连接真空泵、水汽分离阀及真空表监测。
  回填滤料:滤料采用级配砂石,回填滤料时,首先向井内滤管中回填lm厚的滤料,以防淤泥反冒。然后再回填滤管四周,滤料填至地坪标高处。在降水过程中,发现滤料下沉,应及时补充新的滤料。
  安放潜水泵:用两根8#铁丝固定潜水泵电机位置,测井壁将潜水泵缓缓放入井底滤料上高0.5m,井口横一钢管,通过8#铁丝将潜水泵固定于钢管上。输水管引至水排放位置。
  降水:潜水泵设置完毕,立即开始降水,要求昼夜专人值班,见水就抽,始终保持井内处于低水位状态。这样,水才能源源不断地向井管中渗流,降水过程中,要定时测量观察井水位降深,填写降水记录和绘制水位降深曲线。以便准确掌握降水范围内,地下水位降低情况。
  5.2.4填料振冲
  ①振冲设备采用振动挤密砂桩机械进行改进,利用振动电机与料管连接,并在中孔置入一柱状锤,料管采用管径600mm,管内置入柱状锤直径500mm,柱状锤高2~3m,其作用主要是:当料管内灌入填料后,管内柱状锤下落夯击管内填料,使填料易于入土并夯实夯扩。
  ②填料振冲布点为3.0m×3.0m,入土深为③层土以上。填料采用现场较好的泥砂混合料,通过料管置入所需深度并被管内柱状锤夯扩夯实,形成复合地基,提高地基土的强度。
  ③施工过程采用分级填料,分级夯实的方法,即根据地质条件,通过对淤泥层填料和粉质土的填料充盈系数不同、提升幅度不同、夯击数的不同控制,以满足改变淤泥质土的土性及不同深层的均匀性,降低工后沉降和沉降速率。
  ④在填料振冲过程中,保持分层降水正常。
  5.2.5浅层强夯
  ①在改进型挤密砂桩完成后,软土地基经振动夯击扰动产生大量的超静孔隙水压力,在此基础上,通过降水,使土体孔隙压力快速消散,一般需7~15天的时间,在孔隙压力消散至90%以上,则可进入推土机推平场地。由于改进型振动挤密砂桩后,其场地沉降较大,特别是砂桩孔内沉降达1.0m以上;场地浅层松软,因此有必要对浅层进行加固处理,可根据设计所需的各项技术指出,通过强夯或振动碾压等动力加固的方法进行浅层加固。
  ②拔除及回填降水井管:推土机推平,强夯夯点设置在砂桩点上,强夯夯击能可根据设计要求,根据福建永荣科技二期软土地基的技术指标要求,夯点布置为3.0m×3.0m,每点2~4击即可;或采用二遍满夯,满夯夯击能1000KM.m,夯印搭接1/4,每遍每点1~2击。
  5.2.6交付检测
  强夯或满夯完成后,夯后推平,等待28天后即可进行第三方检测,以确定改进型振动挤密砂桩加固后效果。
  6 改进型振冲挤密砂桩信息化管理
  信息化管理是本工艺与其他工艺区别的最根本的特点,也是确保工程质量的最终手段。通过静态、动态各仪表显示的数据结合施工经验,确保无“弹簧土”以及因大能量夯击易产生的土体结构破坏现象,达到满足各项技术指标要求。
  6.1 静态信息化管理
  ① 试验区超静孔隙水压力信息采集和研判:孔隙水压力计每孔根据加固影响深度分别设置3m、6m、9m、12m孔隙压力器四个。根据孔隙压力器观测情况,确定上、下工序的时间,一般需孔压消散至90%以上方可进行下一道工序。通过试验区确定大面积施工参数,为大面积施工提供依据。
  ② PS值曲线信息采集和研判:根据PS值反馈信息,确定下一遍夯击能参数。通过信息分析,确定大面积施工各道工艺时间,填料量以及加固影响深度等。选择地质条件最差的区域作为试验区,在大面积开工的同时,在改进型振冲挤密砂桩及后续强夯过程中通过动态观测夯击过程对地基土的影响情况,确定夯击值,在夯击后通过静力触探检测加固影响深度,以计算下一遍夯击能。
  ③ 沉降量平面数字信息采集和研判。
  6.2 动态信息化管理
  ①地下水位下降值数字信息和研判:设置水位观测孔(直接采用管井),每小区5个,分别用于检测施工小区内周边及中间水位下降值;
  ②水气分离平衡数采集和研判:大功率抽真空设备设置水气分离平衡孔,通过该平衡孔,及时调整土体深层水气分离状态,确保经大能量夯击后土体在扰动的情况下通过水气分离得到平衡,为超静孔隙水压力的快速消散创造条件,确保无“弹簧土”的现象。
  ③试夯点数字信息采集和研判:每个小区夯击前设置试夯点,并进行动态观测,根据动态数字化信息,确定最佳夯击能及夯击数,并随时根据动态反馈信息调整施工数据,以确保沉降量、土体固结度。
  ④ 夯击振动区带信息采集和最终研判。
  7 结语
  改进型振冲挤密砂桩是一项全新的软土地基排水加固处理技术,该技术采用分层降水结合振冲挤密砂桩、信息化监测的方法,比之传统振冲挤密砂桩工艺适用范围更广、排水加固效果更强,可广泛的应用于类似工程施工当中。
  参考文献:
  [1]《新建铁路玉溪至磨憨线YMZQ-1标研和车站施工设计图》
  [2]《客货共线铁路路基工程施工技术规程》(Q/CR 9651-2017)

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