振动沉管碎石桩在堤防软土地基中的应用

张奕泽，王 婧，俞演名，白福青

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014； 2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018)

碎石桩是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石挤压入孔中，形成大直径的碎石构成的密实桩体。目前碎石桩的施工方法有很多，按其成桩过程和作用可分为挤密法(振冲挤密法、沉管法、干振法)、置换法(振冲置换法、钻孔锤击法)、排土法(振动气冲法、沉管法、强夯置换法)及其它方法(水泥碎石桩法、裙围碎石桩法、袋装碎石桩法等)。

振动沉管碎石桩具有施工简便、工期短、造价低的特点，对软基起到置换、挤密、排水减压等作用[1]，适用于承载力要求不高的软基处理。一般认为，碎石桩适用于不排水抗剪强度Cu≥20kPa的软土地基[2]，Juran对4项振冲碎石桩工程进行了统计，其中有75%用于加固软粘土和粉土，且Cu<20kPa的占比为54%[2]。目前国内也有应用碎石桩法处理Cu<20kPa的饱和软黏土地基的案例[3- 8]。某珠江三角洲地区新建堤防工程，其基础存在深厚饱和软粘土层，不排水抗剪强度普遍低于20kPa，本文结合该工程特点，通过试验和数值分析，认为振动沉管碎石桩处理本地区淤泥质土地基技术可行，结构可靠。

1 振动碎石桩对于软土的加固机理

1.1 置换作用

对于饱和软土层，具有黏粒含量高、压缩性高、承载力低的特点。以强度良好、低压缩性的碎石替代原低强度、高压缩性的软土形成桩体，碎石桩作为半刚性桩对土体进行置换，并与桩周软土层形成复合地基，提高承载力[8]。

1.2 排水固结作用

碎石桩是采用碎石通过振动冲击夯实而形成无粘结强度的桩，桩体连续且孔隙大，是良好的排水通道，可使桩振动施工和堤防填筑施工时产生的超孔隙水压力迅速消散，软土内孔隙水迅速排出，从而加快土体固结，提高土体强度[8]。

1.3 垫层作用

当软弱土层较厚时，碎石桩桩体无法贯穿整个软弱土层，此时形成的加固复合土层起垫层作用，将上部荷载扩散使应力分布趋于均匀，从而提高承载力和减少沉降量。

2 地基处理方案现场试验

2.1 试验方案

为验证碎石桩复合地基处理堤基淤泥质软土层的效果，结合深圳某工程设计，在工程区开展两个地基处理试验，即碎石桩复合地基和堤身自重压载，长度各为50m。

碎石桩复合地基方案：打设振动沉管碎石桩，桩径0.6m，间距1.6m，矩形布置，平均桩长12m。迎水面堤坡坡比1∶4,堤顶宽8m，背水坡1∶3，方案典型断面如图1所示。

堤身自重压载方案：地基不作处理。迎水面现状堤坡坡比1∶4。现状堤顶清基后填筑土堤至设计堤顶高程，堤顶宽8m，填筑堤坡上下游为1∶5，填筑高度2.8～3.1m。方案典型断面如图2所示。

2.2 试验结果

对于粘性土地基，碎石桩施工完毕后，应合理选择监测时间，本工程按施工2周后进行监测[9]。碎石桩于2013年12月完成施工，之后开始堤身加载，加载期为2014年1月11日—3月30日。监测工作自2014年1—11月开展[11]。

2.2.1沉降监测结果

碎石桩段：从沉降的量值看，累计沉降量最大值为295.50mm，平均值为127.83mm。从沉降的变化速率看，近期(112天)，碎石桩段沉降速率为0.105～0.765mm/d，最大沉降速率为0.765mm/d，平均沉降速率为0.400mm/d，沉降观测点加载-沉降量时程曲线如图3所示。

图1 振动沉管碎石桩基础方案典型断面图

图2 堤身自重压载方案典型断面图

图3 (碎石桩段)沉降观测点加载-沉降量时程曲线图

堤身自重压载段：从沉降的量值看，累计沉降量最大值为244.70mm，平均值为131.82mm。从沉降的变化速率看，近期(112天)，填土段沉降速率为0.128～0.920mm/d，最大沉降速率为0.920mm/d，平均沉降速率为0.465mm/d，沉降观测点加载—沉降量时程曲线如图4所示。

2.2.2孔压监测结果

碎石桩段：从孔压的变化看，加载过程中，孔压增加；恒载后，孔压逐渐减小较明显，如图5所示。

堤身自重压载段：从孔压的变化看，加载过程中，孔压增加；恒载后，孔压逐渐减小，如图6所示。

2.3 结果分析

试验段总长100m，分为碎石桩段和填土段，长各为50m。考虑边界效应和施工干扰，取沉降P5、P10测点为碎石桩段代表测点，P17、P22测点为填土段代表测点；取孔压S6、S12测点为碎石桩段代表测点，S18、S21测点为填土段代表测点。

关于沉降监测，至采样截止，碎石桩段P5测点累计沉降269.20mm，沉降速率为0.65mm/d；P10测点累计沉降295.50mm，沉降速率为0.70mm/d。填土段P17测点累计沉降214.40mm，沉降速率为0.58mm/d；P22测点累计沉降201.30mm，沉降速率为0.56mm/d。

碎石桩段典型测点平均累计沉降282.35mm，平均沉降速率为0.68mm/d。填土段典型测点平均累计沉降207.85mm，平均沉降速率为0.57mm/d。

图4 (填土段)沉降观测点加载-沉降量时程曲线图

图5 (碎石桩段)典型孔压加载-测值(MPa)-时程曲线图

图6 (填土段)典型孔压加载-测值(MPa)-时程曲线图

以上数据可知，碎石桩段沉降量和沉降速率均大于填土段，土体固结效果更好。

图7 填土段-碎石桩段典型测点沉降曲线时程对比图

关于孔压监测，碎石桩段S6测点孔压从0.082MPa增至0.117MPa，后期孔压降至0.094MPa，加载阶段孔压升高0.035MPa，恒载阶段孔压下降0.023MPa；S12测点孔压从0.078MPa增至0.116MPa，后期孔压降至0.098MPa，加载阶段孔压升高0.038MPa，恒载阶段孔压下降0.018MPa。填土段S18测点孔压从0.101MPa增至0.136MPa，后期孔压降至0.128MPa，加载阶段孔压升高0.035MPa，恒载阶段孔压下降0.008MPa；S21测点孔压从0.101MPa增至0.136MPa，后期孔压降至0.124MPa，加载阶段孔压升高0.035MPa，恒载阶段孔压下降0.012MPa。

图8 填土段-碎石桩段典型测点孔压曲线时程对比图

碎石桩段典型测点加载阶段孔压平均上升0.037MPa，恒载阶段孔压平均下降0.021MPa。填土段典型测点加载阶段孔压平均上升0.035MPa，恒载阶段孔压平均下降0.010MPa。

以上数据可知，在加载阶段，碎石桩段和填土段孔压增加基本一致；恒载阶段，碎石桩段孔压消散明显大于填土段，土体固结发展更好。

3 数值分析

由于原堤身填土结构简单，成份不均一，堤身填土物理力学性质指标离散性大，孔隙比大，具中—高压缩性；为充分掌握当前堤基岩土的力学参数性质，有必要对工程区的岩土参数进行敏感性分析[12]，进而开展堤防稳定性分析论证碎石桩处理的可行性。上述分析采用极限平衡法进行计算，计算软件为GEO-STUDIO系列软件。各土层物理力学指标参数见表1。

表1 工程区土的物理力学指标

3.1 岩土参数敏感性分析

本工程软土对堤防的整体稳定性影响最大，因此敏感性分析以淤泥质土层的粘聚力和内摩擦角为主要分析对象[13- 14]。

根据地勘成果，淤泥质土固快粘聚力为7.8kPa，内摩擦角为5.2°，本次敏感性分析的参数值幅度取±5，即粘聚力2.8～12.8kPa，内摩擦角0.2°～10.2°。

表2 计算工况组合

计算结果如图9—10所示。图中，将所有强度参数都归一化为0到1区间，0代表最小值，c=2.8kPa，φ=0.2°；1代表最大值，c=12.8kPa，φ=10.2°。

根据敏感性曲线结果可知，边坡稳定性对淤泥内摩擦角的变化比粘聚力的变化更敏感。采用碎石桩加固形成改性地基提高等效抗剪强度的方法理论可行。

3.2 堤防整体稳定分析

按GB 50286—2013《堤防工程设计规范》中对于1级堤防的设计要求，本次选取三个工况进行堤防整体稳定计算，计算结果见表5，计算滑纸如图11—13所示。

图9 瑞典圆弧法敏感性分析结果对比图

图10 毕肖普法敏感性分析结果对比图

表3 瑞典圆弧法敏感性分析结果汇总表

表4 毕肖普法敏感性分析结果汇总表

表5 各工况整体稳定计算结果一览表

图11 稳定渗流期整体稳定分析结果图

图12 骤降期整体稳定分析结果图

图13 施工期整体稳定分析结果图

4 结语

(1)采用振动沉管碎石桩进行堤防软土地基加固，具有施工简便、工期短、造价低的特点，对软基起到换土置换、挤密、排水减压等作用，适用于承载力要求不高的软基处理，施工设备对含块石地层能有效穿透。

(2)通过进行工程区现场试验，可知工程区试验期内的经碎石桩加固后的堤防基础沉降速率和沉降量均大于压载段，在恒载阶段孔压消散也明显大于压载段，排水固结效果更好；通过碎石桩加固可缩短基础固结时间，提高地基强度。

(3)通过建立数值模型进行软弱土层粘聚力和摩擦角的敏感性分析，可知堤防整体稳定性对软弱土层内摩擦角的变化比粘聚力的变化更敏感，故采用碎石桩加固形成复合地基提高等效抗剪强度的方法理论可行。

(4)通过堤防整体稳定数值分析，在各工况下，可知经碎石桩加固处理的堤防稳定安全系数均满足规范对于1级堤防的要求。

综上，采用振动沉管碎石桩作为本工程区淤泥质土地基加固处理方案是可行且有效的，也为后期类此工程提供借鉴和启发。