基于管井降水的强夯技术在粉质砂土地基处理工程中的应用

贺志贞

(浙江省正邦水电建设有限公司，浙江 杭州 310051)

近些年来，随着科技创新驱动的蓬勃发展，各种新技术与材料、新设备与工艺被不断应用于工程施工实践中，带动了水利工程施工技术的飞跃进步。水利工程地质情况复杂多样，不同地质条件的地基处理技术也不尽相同。粉质砂土地基的特点是土层颗粒松散，渗透系数大，受水淹没后液化严重，土层强度低。基于管井降水的强夯技术是指通过管井降水可快速降低地基处理范围内一定深度的地下水位，消除土层液化状态，然后采用经选型的强夯设备，以强大的冲击能量垂直夯击地基，迫使地基土层的水分受压缩而排入降水管井，使土体中的液化予以消除，达到提高地基土的承载力和受压强度的目的。配以科学的施工工艺技术和质量检测与控制方法，可以成功解决含水层粉质砂土地基处理的技术难题。本文以该技术在汾河太原段综合治理三期工程第十三标段中的应用为实例，阐述基于管井降水的强夯法施工技术在粉质砂土地基处理工程中的应用机理，提出施工工艺流程和质量检测与控制方法要点，并通过实践运用分析，阐明该技术在粉质砂土地基处理施工中的可行性和优越性。以期今后对该技术成果更广泛的应用和提高有所借鉴[2]。

1 工程应用实例

1.1 工程概况

汾河太原段综合治理三期工程十三标位于太原市小店区，是山西省重点项目，也是太原市承办全国第二届青运会的重点配套项目。工程主要任务是城区防洪与排涝、河道蓄水，以及为两岸景观建设搭建平台[3]。工程属于一级堤防，处于汾河河道中心桩号Z10+800～Z11+770段东西两岸，长970m，东西向为现状西大堤至新建东大堤，河道宽440～450m。主要水工建筑物为钢筋混凝土暗涵，暗涵断面4m×6m，长度1940m。本文主要阐述管井降水与强夯法施工技术在暗涵粉质砂土地基处理中的应用。

1.2 暗涵地基水文地质条件

暗涵地基为粉细砂，局部为中砂圆砾，静水位埋深2.50～6.50m。基坑支护及开挖影响深度范围内，地基土自上而下依次分为：杂填土层→砂土层→粉土层→砂土层。地基主要含水层为砂土层，渗透系数为20.0m/d。

由此可见，暗涵基础土层颗粒松散，渗透系数大，受水淹没后液化严重，土层强度低。必须采取有效措施对地基土进行处理，以提高地基土的强度和承载能力，确保上部暗涵结构的整体稳定性与质量安全。本项目采用了基于管井降水的强夯法施工技术进行地基处理[4]。

2 管井降水

暗涵建基面以下设计要求水位降深为6m，确保地层土体消除液化。根据本工程拟建场地的工程地质与水文地质条件，经过方案比选，确定采用管井降水施工方案。

2.1 降水方案设计

2.1.1降水参数计算

(1)基坑总涌水量

根据施工现场的实际条件，分段开挖条形基坑(槽)，进行逐段降水施工。条形基坑(槽)沿两边布井，基坑(槽)分段长度200m。采用现行的JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》中对潜水型非完整井的基坑涌水量的计算方法建立计算模型，如图1所示。

图1 基坑涌水量计算示意图

计算公式为：

(1)

(2)管井单井出水量估算

单井出水量由土层渗水量决定，采用如下经验公式计算：

q=65πdtK1/3

(2)

式中，d—过滤器半径，取0.20m；K—过滤器处土层渗透系数，取20.0m/d；t—过滤器工作部分长度，取2.5m。根据公式(2)计算得出管井单井出水量q=5.0m3/d。

(3)管井数量计算

n=1.15Q/q

(3)

式中，Q—基坑涌水量；q—管井单井出水量；计算得出管井数量n=33口/200m。

(4)管井降水水位测算

根据群井干扰理论，暗涵中心线上任意一点水位降低值Si计算如下：

Si=H-{H2-Q[lgR-lg(r1rn)/n]/1.366K}1/2

(4)

式中，Q—基坑降水的总涌水量，3700m3/d；K—渗透系数，20m/d；H—潜水含水层厚度，取20m；R—降水影响半径，取120m；r1，，rn—计算点至干扰降水井之间的距离。代入式(4)得Si=6.1m，大于设计降深6.0m，能满足设计要求[6]。

2.1.2设备选择及管井布置

(1)降水设备选用

基坑总涌水量按沿暗涵每200m长度为一个降水分段计算，为3700m3/d×200m，平均分担到33口井上，单井每天出水量为120m3/d。查施工手册，选用100QJ5—24/6型潜水泵，每口井设置一台。

(2)降水井布置

本工程所需管井数量326口，降水井沿暗涵两侧布置，布井时避开出入口通道，整个管井系统呈梅花型排列布置。具体布置为：

降水井均布置在地基强夯处理区外侧，不影响后期的强夯施工。布置两排管井，排距21.7m，分别位于暗涵中心线两侧11.0m及10.70m处，管井深度14.0m，间距12m。所有管井的出水口连接到场内的排水沟[7]。

2.1.3管井构造

管井采用无砂大孔混凝土管，管井内径为φ400mm，每节长1.2m。最下部一节为有孔滤管，其空隙率为20%～25%。管井构造简图如图2所示。

图2 降水井构造简图

2.2 降水施工工艺流程

降水施工工艺流程为：施工准备→测量放线→钻机就位→循环钻孔→泥浆护壁→成孔→井管安装→豆石充填→上部厚土填实→洗井→安装潜水泵→抽水。

通过该降水施工技术的实践，降水后的地下水位维持在建基面以下6.1～6.5m，满足设计提出的水位降深要求。地下水位降低后，随即进入地基强夯阶段。

3 地基强夯

3.1 强夯设计

强夯法是用起重机械将大吨位夯锤起吊到一定高度后自由落下，给地基土以强大的冲击能量的夯击，使土中出现冲击波和很大的冲击应力，迫使土层孔隙压缩，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和气体逸出，使土料重新排列，经时效压密达到固结，降低土体压缩性的一种地基加固方法。

设计要求建基面以下6m深度内的液化等级由严重降为中等，3m深度范围内消除液化。经强夯处理后的地基承载力不小于250KPa。基坑内的强夯点按三排梅花形布设，纵横两个方向的锤距和行距均为5.0m。通过强夯试验试夯选择定设备规格与参数。

3.2 强夯施工

3.2.1强夯参数

根据试夯结论选择强夯参数。分三遍夯击，第一遍点夯单击能为2500kN·m，第二遍点夯单击能为2000kN·m，第三遍为满夯，满夯单击能为1000kN·m。第一、第二遍点夯时间间隔初步定为3d。

3.2.2强夯施工流程

地基强夯总体分为三个阶段，一遍点夯(主夯)→二遍点夯(副夯)→满夯，分别按照不同的参数进行控制，每遍夯击的具体流程如下：

标出第一遍夯点位置、测量场地高程→起重机就位→测量夯前锤顶高程→夯锤吊到预定高度自由下落夯击，测量锤顶高程→按规定夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击→完成第一遍全部夯点的夯击→用推土机将夯坑填平，测量场地高程→间隔3d后，按上述程序完成第二遍夯击→用低能量满夯，测量夯后场地高程→试验检测及质量检查验收[8]。

地基夯实完成后，对基坑进行平整，预留0.3m的保护层，待浇筑暗涵混凝土垫层时再人工开挖至设计建基面。强夯后的基底高程若低于基础建基面时，采用碎石换填至设计高程。

3.3 质量检测

按照该强夯工艺和控制参数完成强夯施工后，采用标准贯入法进行地基承载力及液化指标的检测[9]。检测结果表明，地基承载力均能达到250KPa以上，建基面深度3m范围内液化消除，建基面深度3～6m范围内的土层降为中等液化，符合设计规定要求。

4 结论及建议

该工程实践表明，粉质砂土地基土层颗粒松散，渗透系数大，受水淹没后液化严重，土层强度低，为更好地解决这一类地基土的基础加固处理难题，采用管井降水与强夯工艺的组合技术，能够达到良好的预期效果。该技术适用地质条件范围广，不仅适用于粉质砂土，也适用于碎石土、黏性土、湿陷性黄土、高填土、杂填土等地基加固工程；经处理的地基质量可靠，加固效果显著，一般地基强度可提高2～5倍，加固影响深度可达6～10m；施工工艺简单，工效高，成本低，施工时对地基土层及周围环境不产生任何污染，是一种环保型的地基加固处理技术。建议可在同类工程中予以推广应用。不足的是，强夯施工不得用于不允许对工程周围建筑物和设备有一定振动影响的地基加固工程，必须采用时，建议采取防振、隔振等措施。