碎石桩施工技术应用

【摘 要】碎石桩是以碎石(卵石)为主要材料制成的复合地基加固桩.碎石桩和砂桩等在国外统称为散体桩或租颗粒土桩.所谓散体桩是指无粘结强度的桩,由碎石柱或砂桩等散体桩和桩间土组成的复合地基亦可称为散体桩复合地基.目前在国内外广泛应用的碎石桩、砂桩、渣土桩等复合地基都是散体桩复合地基.软弱地基普遍具有天然孔隙比大、天然含水率高、压缩性高、强度低、高灵敏度、厚度较厚的特点,导致地基的强度不能满足使用要求.本文通过工程实例分析了干振碎石桩加固软土路基的加固机理及施工工艺,并分析了其加固效果.

【关 键 词】软土；路基；施工；技术

1工程概况

某高速公路徐州段沿线广泛分布废黄河泛滥沉积物,据勘察资料,在深度12m范围内地层可分为5层,自上而下为：第1层亚砂土夹粉土,黄褐色,层厚4.0m：第2层亚砂土夹粉土,灰色,层厚2.0m；第3层亚砂土夹粉细砂,灰色,层厚3.0m：第4层粉质亚粘土,灰绿色,层厚10m：第5层亚粘土含风化岩屑,黄绿色,层厚2.0m.

由以上资料可知,该地区以亚砂土、亚粘土、细砂为主,埋深浅,地下水位高,天然地基承载力低.而该地区地震烈度为7度,这类土在地震作用下会产生液化现象,根据《公路工程抗震设计规范》,必须对地基加固处理,达到消除液化和提高承载力的目的.通过研究,设计采用沉管干振碎石桩法处理桥头地段,在正式施工前,进行了试桩及其效果检验.

2碎石桩加固机理

碎石桩,是指用振动、冲击或水中等方式在软弱地基中成孔后,再将碎石或砂挤压入已成的孔中,形成大直径的碎石所构成的密实桩体.从复合地基的理论角度来看,碎石桩处理饱和软弱地基主要有置换和排水两个作用.碎石桩在软弱地基中成桩后,形成了碎石桩和桩间土组成的复合地基.密实的碎石桩置换了与桩体体积相同的软弱土,形成的复合地基承载力比原软弱地基承载力高,而变形量则减少了.由于碎石桩的刚度比桩周粘性土的刚度大,而地基中应力按材料变形模量进行重新分配,因此,在外部荷载作用下,大部分荷载将由碎石桩承担,桩体应力和桩间粘性土应力之比一般为2-4.

在成桩过程中,由于振动、挤压或扰动等原因,桩间土会出现较大的附加孔隙水压力,从而导致原地基土的强度降低.成桩结束后一方面原地基土的结构强度会随时间逐渐恢复,另一方面孔隙水压力会向桩体转移消散,结果是有效应力增大,强度提高和恢复,甚至超过原土体强度.如果在选用碎石桩材料时考虑级配,则所制成的碎石桩是粘土地基中一个良好的排水通道,它能起到排水砂井的效能,且大大缩短了孔隙水的水平渗透途径,加速软土的排水固结.

干振碎石桩加固地基的实质是把松散的天然地基变成由碎石桩和挤密后的桩间土组成的共同工作的复合地基,其承载力比天然地基可大幅度提高,建筑物沉降可大幅减少.干振碎石桩除了置换和排水作用外,还有挤密效应、垫层和加筋作用.

由于干振碎石桩主要在非饱和土中采用,在成孔和挤密碎石的过程中,土体在水平激振力的作用下,产生径向位移,其密度提高,孔隙比减小,承载力比加固前提高60％以上,因此,挤密和振密桩问土是复合地基承载力提高的主要因素.垫层作用主要指在较厚的软弱土层中,碎石桩没有打穿该软弱土层,这样,整个碎石桩复合地基对于没有加固的下卧层起到垫层的作用,经垫层的扩散作用将建筑物传到地基上的附加应力减小,作用于下卧层的附加应力趋于均匀,从而使下卧层的附加应力在允许范围之内,这样就提高了地基的整体抵抗力,减少了沉降.

碎石桩的加筋作用主要指厚度不大的软弱土层,则碎石桩可穿过整个软弱土层达到其下的硬层上面,此时,桩体在外荷载的作用下就会产生一定的应力集中现象,从而使桩间土承担的压力相应减小,其结果与天然地基相比,复合地基的承载力会提高,压缩量会减小,稳定性会得到加强,沉降速率会加快,还可用来改善土体的抗剪强度,加固后的复合桩土层将可以改善土坡的稳定性,这种加固作用即通常所说的加筋作用.

3设计参数及施工工艺

3.1试桩设计参数

试桩设计参数见表1.

表1：干振碎石桩的有关设计施工参数

3.2施工工艺

沉管干振碎石桩是利用振动荷载预沉导管,通过桩管灌入碎石,在振、挤、压作用下形成较大的密实的碎石桩.由于它克服了振；中法耗水量大和泥浆排放污染等缺点,得到了较多的应用.试桩采用平底活页式走管振动打桩机,振动锤为DZ一40型,激振力280kN,振动频率950次／min,锤重36kN,桩管直径377mm,碎石采用1―2―3cm自然级配,没根桩的碎石灌入量按充盈系数1．1考虑,施工顺序采用跳打形式并由外缘向中心进行.

干振碎石桩加固地基的工艺是首先用振孔器振捣挤土成孔,使原孔位的土体全部挤到周围土体中,成孔后提起振孔器,在孔中倒入约1m高的碎石,再放入振孔器振密碎石,直到达到密实电流,并且留振适当时间,再提起振孔器,如此反复进行拔起――投石――振实程序,即可制成1根干振碎石桩.

3.2.1成孔

振动成孔是干振碎石桩施工的关键环节,能成孔才能成桩.对于杂填土和高压缩性的非饱和粘性土,成孔电流一般控制在8O一100A,成孔速度控制在0.5―1.Om／min.振动器下放的速度要均匀,不宜过快过猛、忽快忽慢.成孔困难时,可以采用引孔的方法,即采用其他设备先钻孔,然后采用振孔器振动扩孔.

3.2.2填料

干振法施工对填料要求不严格,这是因为干振法加固地基挤密效应是承载力提高的主要因素,桩体的置换作用是第二位的,只要化学成分稳定,有一定的粗粒径成分的石料是可以的,如碎石、卵石、建筑垃圾、钢渣等都可以作为干振法填料.填料粒径一般不宜超过10cm,采用分段填料,每次填料不宜超过1m,每次填料后采用振孔器进行挤扩至密实电流,并留振10一15s.

一次拔管法施工工艺．

（1）桩靴闭合,桩管垂直就位；

（2）将桩管沉入土层中到设计深度：

（3）将料斗插入桩管,向桩管内灌碎石；

（4）边振动边拔出桩管到地面.质量控制：

①桩身连续性：用拔出桩管的速度控制.拔管速度根据实验确定,在一般情况下拔管1m控制在30s内.

②桩直径：用灌碎石量控制.当实际灌碎石量未达到设计要求时,可在原位再沉下桩管进行复打或旁边补打.

逐步拔管法施工工艺：

A.桩管垂直就位,桩靴闭合：

B.将桩管沉入土层中到设计深度：

C.将料斗插入桩管,向桩管内灌砂：

D.边振动边拔起桩管,每拔起一定长度,停拔继振若干秒,如此反复进行,直至桩管拔出地面.

质量控制：

根据某地试验,每次拔起桩管0．5m,停拔继振20s,可使砂桩的桩身相对密度达到0．8以上,桩问土相对密度达到O．7以上.

4碎石桩施工注意事项

4.1应安排间隔打桩,孔内碎石量不应小于设计值的95％.

4.2桩长采用设计高程及贯入度双控,贯入度控制的标准是,在最后2min<5cm.

4.3严格控制沉管提升速度及高度、挤压时间及次数、电机的工作电流等.拔管速度控制在1m／min,每上拔O．5―10m,应停拔桩管,振动5―1Os,以确保挤密均匀及桩身的连续性.

4.4施工中应保证桩位；隹确,其纵向偏差不应大于桩管直径.桩身应保证连续和垂直.垂直度偏差不应大于1_5％.应设专人记录各项施工参数.

4.5施工完毕后,先将桩顶以上松土清除干净,碾压密实后再进行碎石调节层的施工.

5加固效果检验与分析

5.1土层物理力学性质的变化

通过试桩前后土工指标对比,表面加固前后桩问土的物理力学性质得到了明显改善,土的孔隙比明显减小,重度略有增加,抗剪强度明显增加.

5.2标贯试验

处理后地基的标贯击数大幅提高,均消除了液化.在地面下4―7m范围内加固效果最好.

5.3静力触探试验结果碎石桩处理后,桩间土静力触探比贯入阻力显著提高,超过了液化临界比贯入阻力,消除了液化.

5.4孔隙水压力测试

测试结果表明,成桩过程中,离地表一定深度处产生的孔压最大,施工时随碎石桩的形成,孔压呈下降趋势,一般在9Omin内消散90％.

5.5综合分析

综合上述检测结果可见,处理后复合地基容许承载力比处理前提高了一倍,说明加固效果较好.从标贯试验、静力触探试验等成果分析,加固后强度明显提高,且有效的消除了液化现象.