摘要：公路施工中經(jīng)常遇到軟弱地基，其處理的方法也多種多樣。振動擠密碎石樁因其能提高軟土地基的整體抗剪強(qiáng)度,減少地基沉降而在公路軟土地基中廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了碎石樁技術(shù)在公路軟土路基加固處理中的加固機(jī)理和設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法，并結(jié)合貴州省S208線（原馬合公路段）工程實(shí)例,對振動擠密碎石樁技術(shù)的施工要點(diǎn)及質(zhì)量控制、效果檢測進(jìn)行闡述，以供同行參考。
關(guān)鍵詞：振動擠密碎石樁，軟土路基，加固處理，質(zhì)量檢測
1公路施工中碎石樁的加固原理
碎石樁是指振動、沖擊或水沖等方式在松軟土地基中成孔后,再將碎石擠壓入土孔中,形成大直徑的由碎石構(gòu)成的密實(shí)樁體,以提高軟土地基的整體抗剪強(qiáng)度,減少地基沉降。其適用于擠密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、雜填土等地基,也可用于處理可液化地基。
1.1沙土類加固機(jī)理——擠密
疏松沙土為單粒結(jié)構(gòu),孔隙大,顆粒位置不穩(wěn)定,在靜力和振動作用下,土粒易位至穩(wěn)定位置,使孔隙減少而壓密。在擠密碎石樁成樁過程中,樁套管擠入沙層,該處的沙被擠向四周而變密。
擠密碎石樁的加固效果包括:1)使松沙地基擠密至小于臨界孔隙比,以防止沙土振動液化;2)形成強(qiáng)度高的擠密碎石樁,提高了地基的強(qiáng)度與承載力;3)加固后大幅度減少地基沉降量;4)擠密加固后,地基呈均勻狀態(tài)。
1.2粘土性加固原理——置換
碎石樁在粘性土地基中,主要利用碎石樁本身的強(qiáng)度及其排水效果。其作用包括:
?、?碎石樁置換。在粘性土中形成大直徑密實(shí)碎石樁體,碎石樁與粘性土形成復(fù)合地基,共同承擔(dān)上部荷載,提高了地基承載力和整體穩(wěn)定性。
?、谏喜亢奢d產(chǎn)生對碎石樁的應(yīng)力集中,減小粘性土的應(yīng)力,從而減少地基的固結(jié)沉降量。經(jīng)碎石樁處理淤泥質(zhì)粘性土地基,可減少沉降量20%～30%。③排水固結(jié),碎石樁在粘性土地基中形成排水通道,因而加快固結(jié)速率。
2碎石樁設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1樁徑
碎石樁的直徑可采用300mm～800mm,根據(jù)地基土質(zhì)的情況和成樁設(shè)備等因素確定。對飽和粘性土地基宜選用較大的直徑。
2.2樁間距與樁位布置方式
碎石樁樁位宜采用等邊三角形或正方形布置。碎石樁的間距應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。對粉土和砂土地基,不宜大于碎石樁直徑的4.5倍;對粘性土地基不宜大于碎石樁直徑的3倍。
2.3處理范圍
碎石樁處理范圍大于基底范圍,處理寬度宜在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大1排～3排?？梢夯鼗?在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大寬度不應(yīng)小于可液化土層厚度的1/2,并不應(yīng)小于5m。
2.4加固深度
?、佼?dāng)松軟土層厚度不大時(shí),碎石樁樁長宜穿過松軟底層;
?、诋?dāng)松軟土層厚度較大時(shí),對按穩(wěn)定性控制的工程,碎石樁樁長應(yīng)不小于最危險(xiǎn)滑動面以下2m的深度;對按變形控制的工程,碎石樁樁長應(yīng)滿足處理后地基變形量不超過建筑物的地基變形容許值,并滿足松軟土下臥層承載力的要求;
③對可液化地基,碎石樁樁長應(yīng)按要求的抗震處理深度確定;
?、芩槭瘶稑堕L不宜小于4m。
2.5樁體材料
樁體材料可采用碎石、卵石、角礫、圓礫等硬質(zhì)材料,含泥量不得大于5%,最大粒徑不得大于50mm。碎石樁樁孔內(nèi)的填料量應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定,估算時(shí)可按設(shè)計(jì)樁孔體積乘以充盈系數(shù)β確定,β可取1.2～1.4。如施工中地面有下沉或隆起現(xiàn)象,則填料數(shù)量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體情況予以增減。碎石樁樁頂宜鋪設(shè)一層厚度300mm～500mm的碎石墊層。
2.6地基承載力
碎石樁復(fù)合地基的承載力,應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定,初步設(shè)計(jì)時(shí),也可通過下列方法估算：
fspk=mfpk+(1-m)fsk
其中,fspk為碎石樁復(fù)合地基承載力特征值,kPa;fpk為樁體承載力特征值,kPa;fpk為處理后樁間土承載力特征值,kPa;d為樁體直徑,m;de為1根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑,m。
2.7變形計(jì)算
碎石樁地基的變形計(jì)算,應(yīng)按現(xiàn)行GB5007建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。復(fù)合土層的壓縮模量可按下式計(jì)算:
Esp=[1+m(n-1)]Es
其中,Esp為復(fù)合土層壓縮模量,MPa;Es為樁間土壓縮模量,MPa,宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值,如無經(jīng)驗(yàn)時(shí),可取天然地基壓縮模量。
2.8穩(wěn)定性計(jì)算
當(dāng)碎石樁用于處理堆載地基時(shí),應(yīng)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算(見圖1),采用圓弧滑動面法對復(fù)合地基的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算時(shí),滑動面上的抗剪強(qiáng)度τsp由碎石樁的抗剪強(qiáng)度τp和樁間土的抗剪強(qiáng)度τs兩部分組成:
圖1：計(jì)算簡圖
τsp=τp+τs=m(μpp+γpz)tgφpcos2θ+(1-m)c
其中,μp為碎石樁應(yīng)力集中系數(shù),p為計(jì)算深度z處平均應(yīng)力;γp為樁體的重度;z為計(jì)算深度;φp為樁的內(nèi)摩擦角;θ為剪切滑動面與水平面的夾角;m為面積置換率;c為樁間土的粘聚力。
樁間土的粘聚力c如不考慮荷載產(chǎn)生固結(jié)對樁間土強(qiáng)度的提高,則采用天然地基粘聚力c0;如考慮樁間土上作用垂直應(yīng)力ps=μs產(chǎn)生固結(jié),則樁間土的強(qiáng)度得到提高:
c=c0+psUtgφcu=c0+μsptgφcu其中,μs為應(yīng)力降低系數(shù),μs=為固結(jié)度;φcu為樁間土固結(jié)不排水抗剪內(nèi)摩擦角。
3工程實(shí)例
3.1該工程基本地土質(zhì)狀況
貴州省S208線馬合公路段修建時(shí)，該工程部分所經(jīng)地段分布以粘質(zhì)黃土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂等地層為主,由于地下水位較高、地表水豐富,地基松軟且路基以填方形式通過,路堤高度約2~8m,地表為耕地,承載力不能滿足路基要求,故采用碎石樁加固地基,以滿足該公路路基對地基承載力的要求。
3.2該工程加固處理措施分析
經(jīng)測試驗(yàn)算,該工程天然地基承載力為40kPa～60kPa,地基承載力較低,地下水位埋深為1.0m～1.5m,地基松軟不能滿足路基對地基承載力及沉降的要求,綜合考慮后采用碎石樁加固地基,以滿足了地基承載力及沉降要求。
設(shè)計(jì)采用碎石樁樁徑為0.8m,間距為2.0m,樁位按等邊三角形布置,處理寬度為兩側(cè)路堤坡腳外3.0m之間范圍,碎石樁樁長打穿松軟土地層至卵石土層頂面,碎石樁頂部鋪設(shè)一層厚0.3m碎石墊層。
4振動擠密碎石樁施工工藝
4.1振動擠密碎石樁施工碎石樁施工工藝流程圖見下圖2:
圖2：振動擠密碎石樁施工工藝流程圖
主要施工方法如下:
1)清理平整場地,測量場地平整后的標(biāo)高,以便控制樁底、樁頂標(biāo)高;
2)測量放樣,根據(jù)設(shè)計(jì)要求對樁位進(jìn)行平面等邊三角形布置并編號;
3)大面積施工前,必須做成樁試驗(yàn),通過試樁得出參數(shù):每根樁成樁時(shí)間需15min～20min,碎石投入量按下式計(jì)算:
S=ApLK
其中,S為填碎石量;Ap碎石樁的截面積;L為碎石樁的樁長;K為碎石樁的充盈系數(shù),K≥1.15;
4)機(jī)械設(shè)備采用DZ40-60系列走管式振動沉樁機(jī),移動樁機(jī)就位,保證垂直度要求,施工時(shí)電動沉管機(jī)在人工的配合下找準(zhǔn)樁位,人工閉合活瓣式樁尖后開始沉樁,將樁管振動下沉入土層直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度;
5)在樁管達(dá)到設(shè)計(jì)深度后,人工配合裝載機(jī)上料,向樁管內(nèi)加入規(guī)定數(shù)量的碎石料,防止“斷樁”和“縮頸”的發(fā)生;
6)起拔振動。為使擠出樁管下端的碎石更加密實(shí),邊振邊拔,拔管速度要均勻,并控制在1.0m/min～1.5m/min內(nèi);
7)施工人員要隨時(shí)用測錘測碎石的下料情況,根據(jù)測得的下料情況,如果灌碎石量不滿足設(shè)計(jì)時(shí)要求進(jìn)行反插,直至樁內(nèi)碎石密實(shí),反插深度要小于樁管長度的1/2,反插和拔管速度要均勻,反插濃度由深到淺,每根樁在保證樁長和碎石灌入量的前提下,總反插次數(shù)一般不得少于6次。
8)樁管上下運(yùn)動,碎石樁不斷提高,提升樁尖于地面停止振動,完成此樁。移機(jī)進(jìn)行下一根碎石樁的施工。施工后,應(yīng)將基底標(biāo)高下的松散層挖除或夯填密實(shí),隨后鋪設(shè)并壓實(shí)碎石墊層。
4.2技術(shù)要求及質(zhì)量控制要點(diǎn)
1)填料采用19mm～63mm的碎石為宜,含泥量小于10%,不含有植物殘?bào)w垃圾等雜質(zhì),不宜使用風(fēng)化易碎的石料,填料的最大粒徑一般不大于63mm,粒徑過大不僅容易卡孔,而且能使振沖器外殼磨耗;
2)樁位要準(zhǔn)確,位移量要小于15cm,垂直度偏差不大于1.5%;
3)沉管開始階段要輕振慢沉,待樁管方向穩(wěn)定后再按正常速度沉管;
4)沉樁時(shí)遇到可液化層時(shí),當(dāng)樁管進(jìn)入可液化層后,每下沉.5m留振30s,直至穿透液化層;
5)在沉樁過程中,如個(gè)別樁沉樁困難,如電流大于120A時(shí)需立即停機(jī),可能遇到大孤石,應(yīng)做位移處理。
4.3施工質(zhì)量檢驗(yàn)
1)通過現(xiàn)場成樁試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)要求和確定施工工藝及施工控制要求,為滿足試驗(yàn)及檢測要求,試樁數(shù)量應(yīng)不少于7個(gè)～9個(gè)。正三角形布置時(shí)至少需要7個(gè)(即中間1個(gè)周圍6個(gè))。如發(fā)現(xiàn)問題,則及時(shí)會同設(shè)計(jì)人員調(diào)整設(shè)計(jì)或改進(jìn)施工。
2)檢查各項(xiàng)施工記錄,如有遺漏或不符合規(guī)定要求的樁,應(yīng)補(bǔ)做或采取有效的措施。
3)復(fù)合地基的施工質(zhì)量檢驗(yàn),常用的方法有單樁荷載試驗(yàn)和動力觸探法試驗(yàn);加固效果檢驗(yàn),常用的方法有單樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)和多樁復(fù)合地基大型荷載試驗(yàn),碎石樁復(fù)合地樁檢驗(yàn)一般采用較易實(shí)施的重Ⅱ型動力觸探法來檢驗(yàn),貫入量100mm時(shí),擊數(shù)應(yīng)大于5次(見表1)。
表1碎石樁密實(shí)度判別標(biāo)準(zhǔn)
采用樁體重型動力觸探與樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的方法進(jìn)行檢測,檢測試驗(yàn)點(diǎn)位置在施工現(xiàn)場隨即抽取,檢測量不少于樁孔總數(shù)的2%。
為保證施工質(zhì)量,應(yīng)在施工中詳細(xì)地觀測和記錄。觀測內(nèi)容包括樁管下沉隨時(shí)間的變化、灌碎石預(yù)定數(shù)量與實(shí)際數(shù)量、樁管提升和擠壓全過程等。根據(jù)樁管下沉?xí)r間曲線可以估計(jì)土層的松軟變化隨時(shí)間掌握投料數(shù)量。碎石樁樁頂施工時(shí),由于上覆壓力的減小,樁頂形成一個(gè)松散層,加載前應(yīng)挖除或碾壓密實(shí),有效地發(fā)揮復(fù)合地基的作用。
本工程共抽檢碎石成樁共60多根,經(jīng)檢驗(yàn),全部符合要求,說明施工中采取的處理措施是合理有效的,復(fù)合地基承載力經(jīng)測試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
5結(jié)束語
工程實(shí)踐表明,碎石樁用于處理松散砂土和塑性指數(shù)不高的非飽和粘性土地基,其擠密效果較好,不僅可以提高地基承載力、減少地基沉降,而且能防止由于振動所產(chǎn)生的液化。
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